L’atmosphère de la Terre

Géologie 2nde

Cadre pédagogique : Cette leçon s’inscrit dans la première partie du programme de seconde intitulée « La planète Terre et son environnement » prévue en 8 semaines. Le début de cette partie correspond surtout à une approche planétologique (« La Terre, planète du système solaire ») visant à dégager les particularités de la Terre dans le système solaire. Cette comparaison conduit à découvrir l’atmosphère de la Terre. Il convient alors de préciser l’organisation de l’atmosphère, avec son implication dans l’effet de serre (valeur originale de la température à la surface du globe terrestre). L’atmosphère est ensuite abordée sous l’angle de sa dynamique propre avec l’étude des mouvements atmosphériques. La recherche d’une explication conduit alors à envisager l’inégale répartition du flux solaire incident, avec des différences latitudinales et saisonnières du bilan radiatif à la surface de la Terre. Enfin l’atmosphère est également étudiée dans le cadre de couplages avec les autres enveloppes externes :

- couplage mécanique avec l’hydrosphère dont les courants superficiels sont entraînés par les vents ;

- couplages chimiques, comme par exemple dans les cycles du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau et du dioxygène.

On observera que ces thèmes sont l’occasion de sensibiliser les élèves à certains enjeux s’inscrivant dans le cadre de l’EDD. Il conviendra donc :

- de définir l’atmosphère et de préciser ses particularités, avec leurs conséquences. - de caractériser les mouvements (mise en évidence, mesure de vitesses) de cette

enveloppe fluide, en précisant leur origine et en les intégrant dans des situations climatiques.

- d’envisager les échanges chimiques qu’entretient l’atmosphère avec les autres enveloppes. Cette étude sera l’occasion de faire apparaître l’impact des activités humaines sur l’évolution de l’atmosphère avec leurs conséquences éventuelles.

Introduction: On peut introduire cette leçon à partir de questions actuellement débattues dans les médias et la communauté scientifique : le réchauffement climatique, l’augmentation des gaz à effet de serre, le trou d’ozone, les données sur la pollution au dessus des agglomérations … et motiver la recherche de démarches explicatives, c'est-à-dire la construction d’un savoir organisé qui permette de replacer ces différents sujets les uns par rapport aux autres, à leurs vraies places, avec leur importance relative, et si cela s’y prête, dans un rapport de causalité.

Problématique : Comment est organisée l’enveloppe la plus externe de la Terre ?

Comment contribue-t-elle aux caractères de notre environnement ?

Quels rapports entretient-elle avec les autres enveloppes superficielles de la Terre ?

Quel(s) impact(s) nos activités peuvent elles avoir sur cette enveloppe, et par conséquent sur notre environnement global ?

Proposition d’un plan

I – Structure et composition de l’atmosphère, effets sur les caractéristiques environnementales

1 - Mise en évidence, structure et composition de l’atmosphère - Étude comparée d’observations des planètes depuis l’espace : certaines dont on ne voit pas la surface rocheuse, d’autres dont les surfaces sont toujours dégagées…

--> présence d’une enveloppe fluide

- Composition de l’atmosphère (comparaison avec des atmosphères des planètes à enveloppes fluides) : les particularités de l’atmosphère terrestre : pauvre en CO2, riche en O2

- Observation de l’atmosphère depuis l’espace idée de stratification déduite des différences de couleurs ; données de distribution verticale de O3, H2O, T°C, permettant de caractériser physiquement et/ou chimiquement ces « strates ».

--> Caractéristiques physico-chimiques de l’atmosphère : exemple de notions construites :

L’existence de masses nuageuses enroulées en spirales et dissimulant à certains endroits la surface de la Terre laisse supposer la présence d’une atmosphère sur la Terre. La composition de l’atmosphère terrestre étudiée par le biais de ballons-sondes révèle qu’elle est constituée de diazote, de dioxyde de carbone, de vapeur d’eau et de dioxygène ; par rapport à celles des autres planètes telluriques (sauf Mercure qui n’a pas d’atmosphère , l’atmosphère terrestre se singularise par sa forte teneur en O2 et sa très faible teneur en CO2. L’atmosphère de la Terre est stratifiée : les valeurs des teneurs en O3 et la température permettent de définir des couches superposées et notamment de différencier une troposphère au contact de la surface de la Terre, d’une stratosphère au dessus d’une limite située vers 10 km d’altitude (tropopause).

2 - Les effets de l’atmosphère sur les caractéristiques de l’environnement a. un filtre vis-à-vis de certains rayonnements solaires - analyse de spectres d’absorption des gaz atmosphériques dans le domaine des infra-

rouges, et dans celui des UV

b. un effet de serre - analyse de données concernant la température au sol des planètes avec atmosphère et

de celles sans atmosphère (ou de leur(s) satellite(s) naturel(s)).

--> environnement compatible avec le développement de la vie à la surface de la Terre « solide »…

Notions construites : Certains gaz atmosphériques agissent sur le rayonnement solaire :

- L’ozone situé de la stratosphère absorbe une partie du rayonnement solaire ; - le CO2 et la vapeur d’eau absorbent une partie des rayonnements infrarouges émis

par le sol échauffé ; les gaz dont la température s’est élevée du fait de cette absorption émettent à leur tour un rayonnement infrarouge dont une partie est dirigée vers le sol : c’est l’effet de serre.

La présence d’une atmosphère est donc un des facteurs intervenant à côté de l’énergie solaire incidente pour rendre compte de la valeur de la température au sol de la Terre. II – Une enveloppe en mouvement 1 / Mise en évidence de mouvements atmosphériques Supports pédagogiques :

- carte de dispersion de polluants : évolution d’un nuage radioactif, - animation satellitale montrant le déplacement d’une perturbation, carte des vents

Mise en évidence des déplacements (au niveau de la troposphère, de la stratosphère). Évaluation des ordres de grandeur pour la vitesse ; Exemple de notions construites à partir des supports documentaires : Existence de mouvements horizontaux et verticaux des masses dans la troposphère (de 0 à 15 km d’altitude. Leur vitesse moyenne va du mètre à la dizaine de mètres par seconde. La dispersion de polluants, tel le dioxyde de soufre émis par le volcan Pinatubo, révèle également l’existence de mouvements horizontaux des masses d’air dans la stratosphère à une vitesse de l’ordre de 20 mètres par seconde. Les vents sont les mouvements de l’atmosphère les plus perceptibles ; il en existe aussi bien dans la troposphère que dans la stratosphère et leurs vitesses sont de l’ordre du mètre à la dizaine de mètres par seconde. Les courants atmosphériques dispersent à la surface du globe les polluants rejetés vers l’atmosphère. 2 / Organisation des mouvements atmosphériques

a. des mouvements horizontaux des masses d’air : origine et direction des vents de surface - étude de situations météo avec champs de pression et vents associés : ceci permet

de suggérer que les vents sont d’autant plus forts que les gradients de pression sont élevés …et que les vents sont déviés dans leur tendance à circuler des HP vers les BP

- étude sur une carte globale des vents avec distribution des champs de pression dans les deux hémisphères : vérification des hypothèses directionnelles

- modèle analogique de l’effet Coriolis b. des mouvements verticaux des masses d’air

- modèle analogique

- associer la zone dépressionnaire intertropicale et son positionnement saisonnier à la zone qui reçoit le max. d’énergie solaire : échauffement maximal des basses couches

c. des mouvements en boucle à l’échelle de la troposphère - à présenter sous forme d’un schéma, - + évoquer les courants jets dans la stratosphère. -

De l’équateur à chacun des pôles, la circulation atmosphérique s’organise en trois grands systèmes de cellules. Des différences de température organisent les mouvements verticaux des masses d’air tandis que des différences de pression sont responsables des mouvements horizontaux ; l’air se déplace des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Mais ces mouvements de l’air sont déviés par une force liée à la rotation de la Terre, la force de Coriolis. L’air chaud et humide qui s’élève au-dessus des régions équatoriales redescend vers les latitudes plus élevées alors que l’air polaire froid et sec s’écoule vers les régions tempérées. Ces régions tempérées sont alors le siège d’échanges thermiques, l’air polaire se réchauffant au contact de l’air tropical avant de remonter vers les pôles. Les principaux régimes de vents sont les vents d’Est polaires, les vents d’Ouest dans les zones de latitude moyenne et les alizés dans les zones tropicales. La rotation de la Terre induit une déviation des mouvements horizontaux de la troposphère et une circulation horizontale de la stratosphère. 3 / Origine des mouvements atmosphériques Comparaison du bilan radiatif (énergie reçue, émise) en fonction des latitudes. Transport d’énergie. Variations du bilan radiatif au cours des saisons. Notions construites : Les mouvements convectifs de la troposphère sont dus à une inégale répartition de l’énergie solaire incidente au globe. Les trois grands systèmes de cellules transfèrent l’énergie de l’Équateur aux pôles.

III - Une enveloppe en interaction avec les autres enveloppes externes

1 / Un couplage mécanique avec l’hydrosphère a – mise en évidence supports didactiques :

- Carte générale des vents, montrant les principales directions des vents dans les grandes zones du globe (alizés, vents d’Ouest, ...).

- Cartes des courants océaniques faisant apparaître l’existence de : - courants de surface avec courants chauds et froids. - courants profonds. - Cartes montrant - la propagation d’une pollution maritime en surface (marées noires). - la propagation d’une pollution dans les eaux océaniques profondes (exemple :

suivi du tritium d’origine nucléaire dans les eaux profondes atlantiques).

- Comparaison des cartes des circulations générales atmosphérique et océanique pour envisager les couplages entre les courants océaniques de surface et la circulation atmosphérique, les vents entraînant la surface de l’eau. - Estimation de l’ordre de grandeur des vitesses des courants atmosphériques et océaniques. b – les courants océaniques et leur relation avec l’atmosphère notions construites : La circulation océanique est représentée par des courants de surface, chauds ou froids et des courants profonds. Certaines zones sont le siège de courants ascendants (par exemple, bordures occidentales de certains continents). La distribution des vents et de courants océaniques de surface montre qu’en surface, atmosphère et hydrosphère sont couplées, les vents étant un moteur des courants de surface. Les vents entraînent lentement les eaux océaniques superficielles dont les mouvements sont également influencés par l’effet « Coriolis ». Les vitesses des différents courants sont très différentes (courants atmosphériques de l’ordre de la dizaine de m.s-1 ; courants océaniques de surface de quelques centimètres par seconde à plus de 2 m pour le Gulf Stream ; quelques millimètres par seconde pour les courants profonds). - Perturbation du couplage : El Nino

2 / Des couplages chimiques avec l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère Exemples dans le cadre du cycle du CO2

notions construites : L’atmosphère est un réservoir de CO2, O2 et H2O en interactions avec d’autres réservoirs de ces composés situés dans la biosphère, l’hydrosphère et la lithosphère. Des échanges ont lieu entre ces réservoirs et s’inscrivent globalement dans des cycles biogéochimiques comme le cycle du carbone (ou du CO2 pour coller plus au programme), de l’eau ou du dioxygène.

3 / Évolution de l’atmosphère au cours des temps géologiques a. L’évolution de l’atmosphère au cours de l’histoire de la Terre

- Données sur l’évolution chimique de l’atmosphère terrestre depuis 4,5 Ga, sur le timing de formation des océans, et de précipitation des carbonates sous forme de roches. Exemple de notion construite : En supposant que le C contenu actuellement dans les océans et la lithosphère se situait initialement dans l’atmosphère, son taux en CO2 était beaucoup plus élevé qu’actuellement et proche de 98,5%. Depuis la formation de la Terre, son atmosphère s’est appauvrie en CO2. Sa dissolution dans les océans, puis son piégeage dans des roches de la lithosphère ont contribué à cette diminution ; dans une moindre mesure, l’augmentation de la concentration en O2 de l’atmosphère a pu contribuer par dilution à l’abaissement de la concentration en CO2. Depuis sa formation, l’atmosphère s’est globalement appauvrie en CO2 du fait du stockage de carbone qui s’est opéré dans les océans et dans la lithosphère : l’effet de serre a donc diminué.

b. L’évolution cyclique au cours des 420 000 dernières années - Données sur l’évolution de la composition des glaces du Groenland et de l’Antarctique

Exemple de notion construite : La composition atmosphérique en CO2 déduite de l’étude de carottes de glace, a fluctué périodiquement depuis 420000 ans, comme la température moyenne à la surface du globe terrestre déduite de l’analyse de ces mêmes glaces

c. L’évolution récente liée aux activités humaines - Étude de courbes de teneur en CO2 de l’atmosphère et de T°C de surface.

Exemple de notion construite : La concentration en CO2 et de la température moyenne de la surface du globe terrestre ont évolué parallèlement depuis 1850. L’augmentation de la teneur en CO2 de l’atmosphère peut influencer la température moyenne du globe par renforcement de l’effet de serre. Analyse de bilans « carbone » pour le CO2 anthropique de l’atmosphère ; présentation des pompe biologique et pompe océanique. Exemple de notion construite : Les échanges entre l’atmosphère et les océans d’une part, l’atmosphère et la biosphère d’autre part atténuent l’augmentation de la teneur en CO2 consécutive aux activités humaines. Malgré les prélèvements qu’opèrent les végétaux et l’océan sur le CO2 issu des activités humaines, la teneur en CO2 de l’atmosphère augmente fortement et est responsable d’un effet de serre additionnel susceptible de modifier à court terme les climats.

Conclusion : Une enveloppe animée d’une géodynamique externe entretenant de nombreux échanges avec les autres enveloppes superficielles et chimiquement vulnérable, avec des répercussions plus ou moins importantes sur les climats, et donc la vie sur Terre.

Des idées de conclusions :

- Changement climatique : scénarios actuels de modification de l’atmosphère et des effets climatiques induits… Copenhague, Kyoto .

- Effet des autres gaz…CH4 notamment beaucoup plus actif en termes d’effet de serre avec donc un effet à court terme à ne pas négliger.

- Energies renouvelables : énergie éolienne, ... Exercice intégré : Objectif : mettre en évidence le rôle des mouvements atmosphériques et océaniques dans la redistribution d’énergie à la surface du globe. Enoncé : mettre en relation ces différentes données afin de concilier inégalité latitudinale du bilan radiatif , stabilité temporelle des climats , et asymétrie climatique des côtes océaniques aux moyennes latitudes comme par exemple entre Montréal( moyenne de janvier -10°C) et Bordeaux (moyenne de janvier +4°C).

Documents :

1. Bilan radiatif entre les hautes et les basses latitudes

2. Transport d’énergie entre les hautes et les basses latitudes

3. Températures des eaux superficielles dans l’Atlantique Nord déduites des mesures d’intensité des radiations infrarouges effectuées par les radiomètres embarqués par le satellite Terra Photographie satellitale NOAA du Gulf Stream , en fausses couleurs.

Bilan cognitif Les courants marins et atmosphériques transfèrent l’énergie solaire absorbée à la surface du globe de l’équateur vers les pôles et depuis ces derniers jusque vers les fonds océaniques : ils

GULF STREAM

Amérique du Nord

atténuent le déséquilibre énergétique entre les zones à bilan radiatif positif (entre 45°nord et 45°sud) et celles à bilan radiatif négatif. Autre exemple d’exercice : objectifs cognitifs : - Le couplage atmosphère – océan et ses perturbations. objectifs méthodologiques :

- Mettre en relation des informations et formuler des hypothèses explicatives. supports didactiques : - Cartes des pressions atmosphériques et des vents en dehors et au cours d’un événement El Nino - État de la surface de l’océan Pacifique observée par satellite en dehors et au cours d’un événement El Nino. - Deux schémas explicatifs montrant la situation atmosphérique et la situation océanique en dehors et au cours d’un événement El Nino.

Direction du questionnement : - Retrouver sur les différents documents, les arguments justifiant les représentations des schémas proposés.

Un événement El Nino est caractérisé par un affaiblissement du régime des alizés (lié à une oscillation du régime des pressions atmosphériques au-dessus du Pacifique Ouest (oscillation australe). Les courants équatoriaux se trouvent ralentis et les eaux chaudes, habituellement maintenues dans la zone Ouest du Pacifique, peuvent alors s’écouler vers l’Est.

(Les remontées d’eaux profondes au niveau des côtes péruviennes cessent. Ces modifications ont des conséquences importantes sur le climat de l’Indonésie, qui devient très sec, et sur celui du Pérou, alors marqué par une humidité excessive. L’arrêt des remontées d’eaux froides riches en substances nutritives réduit les quantités de plancton près des côtes péruviennes, et par suite, les populations de poissons et d’oiseaux.)