présenté par eva monteiro
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Présenté par Eva Monteiro. FORMATION EN MÉTÉOROLOGIE -2011. Adaptation du cours d’introduction à la météorologie (SCA2611) donné par Richard Harvey en 2010 à l’UQÀM. 2011 – Formation en météorologie. ORIGINE ET COMPOSITION DE L’atmosphère TERRESTRE. Références principales : - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Présenté par Eva Monteiro
Adaptation du cours d’introduction à la météorologie (SCA2611) donné par Richard Harvey en 2010 à l’UQÀM
FORMATION EN MÉTÉOROLOGIE -2011
ORIGINE ET COMPOSITION DE L’ATMOSPHÈRE
TERRESTRE
2011 – Formation en météorologie
Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, pp. 3-8Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 3-27
Mise en contexte Le Soleil
Étoile ordinaire située en périphérie de notre Galaxie (la Voie Lactée) contenant quelques 200 milliards d’étoiles
Étoiles : boules de gaz d’hydrogène incandescent générant des quantités colossales d’énergie provenant de la fusion nucléaire de leur hydrogène en hélium dans le noyau
Le Soleil est prévu fournir cette énergie pour encore 5 milliards d’années, avant de s’éteindre.
Le Système solaire Huit planètes majeures gravitant autour du Soleil Astéroïdes, comètes, planètes naines (Pluton, etc.), poussières… Formation : il y a 4,5 milliards d’années (c.-a-d. aux ⅔ de l’âge présent de
l’Univers de 13,7 milliards d’années) par accrétion de matière interstellaire. La Terre est en quelque sorte un amas de poussières rocheuses et de gaz, agglutinés par gravité.
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Le soleil dans la Voie Lactée
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Mise en contexte
La Terre3e planète en distance, à ~150
millions de km du Soleil
5e planète en taille (diamètre de ~12700km )
Planète rocheuse comme Mercure, Vénus et Mars
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Comparaison des planètes telluriques
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Mercure
Venus
Mars
Terre
La Terre dans le système solaire
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Les atmosphère planétaires
Lors de la formation des planètes, les poussières et roches forment la partie solide sphérique et les gaz s’accumulent autour, puisque plus légers
L’atmosphère est conséquence naturelle de la formation des planètes
Seules les planètes les plus massives conservent leur atmosphère
Toutes les planètes majeures, sauf Mercure, en possèdent une
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Notre atmosphère
La Terre est entourée d’une mince pellicule de gaz appelée l’atmosphère
Principalement composée d’azote (N2) et d’oxygène (O2) Épaisseur avoisinant la centaine de km (ligne de Kármán)
< 2% du rayon de la Terre – ~ 2-3 mm sur un globe de 30 mm Poids total : 5 millions de milliards de tonnes !
5 000 000 000 000 000 tonnes Nous protège de :
Rayons X, UV du Soleil Météorites Écarts extrêmes de températures grâce à son effet de serre
Permet à la vie d’exister ! Pour apprécier la Terre, regardons la Lune !
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L’atmosphère terrestre : un (très) mince cocon protecteur
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Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Meteotek08_atmosfera13.jpg
La Lune : désolation totale
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L’histoire de l’atmosphère terrestre
Atmosphère primaire
Atmosphère secondaire
Atmosphère tertiaire
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Atmosphère primaire
Origine : dégazage volcanique après accrétion initiale et refroidissementGaz volcaniques ○ 80% vapeur d’eau (H2O)○ 10% gaz carbonique (CO2)○ 5% sulfure d’hydrogène (H2S)○ 2-3% azote (N2)○ Traces de monoxyde de carbone (CO), méthane (CH4),
hydrogène (H2), autres gaz rares, etc.Durant les premiers ~300 millions d’années de
l’existence de la Terre (4,5 à 4,2 milliards d’années)
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Source :http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_sulfide
Atmosphère secondaire
Séquestration des gaz volcaniques Vapeur d’eau se condense en océans globaux
(séquestration de H2O) à partir de ~4,2 milliards d’annéesOcéans couvrent déjà toute la Terre vers 3,8 milliards
d’annéesPuis, le gaz carbonique se dissout dans les jeunes océans
(séquestration de CO2)
Azote (N2) devient prédominant (car chimiquement peu réactif) vers 3,5 milliards d’années (1 milliards d’années d’âge : ~¼ de l’âge présent de la Terre)
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Atmosphère tertiaire La vie primitive (anoxique) apparaît à peine 500 millions d’années après la
formation de la Terre Puis, 500 millions d’années plus tard, des organismes plus complexes (les
algues vertes) utilisent la photosynthèse comme source de nourriture Trois conséquences majeures pour l’atmosphère
Accumulation d’oxygène libre (O2) dans l’atmosphère Séquestration additionnelle de gaz carbonique (CO2) par la photosynthèse et
enfouissement d’énormes quantités de carbone dans les organismes morts aux fonds des océans
Apparition d’une couche d’ozone capable de filtrer les rayons UV nocifs et permettant à la vie de foisonner sur les continents
Concentrations augmentent graduellement de moins de 1% jusqu`à ~20% aujourd’hui.
Résultat final : atmosphère majoritairement azotée et contenant une fraction importante d’oxygène.
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Le cocktail atmosphérique
Notre atmosphère est donc composée de plusieurs gaz 78% d’azote (N2) 21% d’oxygène (O2) 0,93% Argon (Ar) 0-4% vapeur d’eau (H20) 0,039% (~390 ppm) de gaz carbonique (CO2) 5-10 ppm d’ozone (O3) stratosphérique 1-5 ppm d’ozone troposphérique (« smog »)
Elle contient aussi des particules en suspension Aérosols naturels
○ Poussières, sable, sel de mer, fumée des feux de forêt, émissions volcaniques, nuages
Polluants sulfatés (SO2 – combustion incomplète de carburants fossiles)
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Météorologiquement parlant, les gaz en petite concentration sont les plus intéressants…
La vapeur d’eau (H20)
Le gaz carbonique (CO2)
L’ozone (O3)
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La vapeur d’eau
L’eau est présente sur la Terre dans ses trois phases Solide (glaces et neige) Liquide (lacs, mers, pluie) Gazeuse (vapeur d’eau)
Conséquence fondamentale : cycle de l’eau (cycle hydrologique)
Vapeur d’eau : ~60-70% de l’effet de serre naturel total sur la Terre
L’eau est partout sur la Terre N’est pas nécessaire pour l’existence de phénomènes
météorologiques, mais elle les complexifie substantiellement. L’eau rend la météo terrestre beaucoup plus intéressante !
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Le gaz carbonique
Environ 20-25% de l’effet de serre naturel total de la Terre
Concentrations ont augmenté depuis le XVIIIe siècle de 280ppm à 387ppm (rejets dûs à la combustion humaine de carburants fossiles)
Cette augmentation est la principale cause de l’effet de serre anthropique (donc, qui s’ajoute à l’effet de serre naturel) et du réchauffement planétaire depuis ~1950.
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L’ozone
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La majorité de l’oxygène dans l’atmosphère existe sous forme d’oxygène moléculaire (O2)
Pour chaque million de molécules de O2, une vingtaine existe sous une forme plus exotique comprenant trois atomes d’oxygène : c’est l’ozone (O3)
Se forme lorsque l’oxygène moléculaire (O2) est en présence d’une source d’énergie suffisante pour dissocier la molécule en deux atomes individuels, qui se recombinent ensuite avec d’autres molécules O2 pour former de l’ozone.Rayons UV du Soleil, décharges électriques
L’ozone
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Les rayons UV du Soleil provoquent la formation d’une couche d’ozone (O3) dans la stratosphère entre 10km et 50km d’altitude.
Cette couche filtre complètement les rayons UV les plus nocifs pour la présence de vie hors de l’eau (UVC) et filtre substantiellement les UVB.
L’ozone est aussi un gaz à effet de serre non-négligeable, mais minoritaire par rapport à la vapeur d’eau et le gaz carbonique.
La structure verticale de l’atmosphère
L’atmosphère n’est pas uniforme sa structure varie et dans l’horizontale, et dans la verticale Cependant, les variations les plus marquées sont presque
exclusivement observées dans la verticale La structure verticale de l’atmosphère peut être décrite
selon différentes variables physiques la densité la pression la température
Notez que ces trois variables sont celles requises pour décrire tout gaz dans la nature
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La densité et la pression de l’air
Densité de l’air : masse d’air par unité de volume (kg par m3 d’air) Pression : force totale due aux collisions des molécules d’air contre
une surface unitaire donnée La gravité comprime l’atmosphère vers la surface de la Terre. Deux
conséquences sur la structure verticale de l’atmosphère : La densité de l’air est maximale tout près du sol et diminue avec la
hauteur La pression de l’air s’ajuste à tous les niveaux afin de soutenir son
propre poids. La pression atmosphérique est donc maximale au sol et diminue avec la hauteur.
En d’autres termes, la pression atmosphérique à un niveau donné est égale au poids de l’air au-dessus de ce niveau. Elle s’exprime en hPa (hectopascals) sur les cartes météorologiques (ancienne unité : le millibar – mb)
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Profil verticaux typiques de pression et de densité atmosphériques
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Source : Ahrens, 2009 – Meteorology Today
101,3 kPa
•La densité de l’air est proportionnelle au nombre de molécules d’air par unité de volume• La pression de l’air est le poids des molécules d’air aux niveaux supérieurs
• 1 Pa est la force (poids) qui exerce la masse d’un kilogramme sur la surface de 1 m2. • Quelle est la masse d’une colonne d’air atmosphérique de base égale à 1 m2 qui exerce une pression de 101,3 kPa?
Couches atmosphériques
La température de notre atmosphère varie de façon plus complexe dans la verticale que la pression et la densité
Le profil vertical typique de la température atmosphérique est utilisé pour définir quatre couches atmosphériques La troposphère La stratosphère La mésosphère La thermosphère
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Profil vertical moyen de la température dans l’atmosphère
TRO
POSP
HÈRE
MÉSOSPHÈRE
STRATOSPHÈRE
THER
MO
SPHÈ
RE
10 k
m50
km
120
km85
km
EXO
SPHÈ
RE
Couche d’ozone
Aurore boréalmétéorites
Aurore boréalSatellites, navettes spatiales
ThermosphèreLa température augmente et dépend de l'activité solaire.
MésosphèrePas grand chose à dire à part que la température diminue.
StratosphèreLa température augmente avec l'altitude car il y a de l'ozone qui absorbe une partie du rayonnement solaire.
Troposphère La température décroît avec l'altitude car l'atmosphère est presque transparente au rayonnement solaire. C'est le domaine de la Météorologie.
La troposphère La couche qui est en contact avec la surface terrestre Épaisseurs typiques : 8km (pôles) – 18km (tropiques) Comprend 75-80% de la masse totale de l’atmosphère Température diminue rapidement avec la hauteur
(~6,5°C / km en moyenne) 15°C en surface jusqu’à -50°C à 10km d’altitude
C’est la couche qui contient toute la météo que nous connaissons, et la quasi-totalité de la vapeur d’eau
Limite supérieure : la tropopause
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La stratosphère Située entre 10km et 50km d’altitude Beaucoup plus clémente météorologiquement parlant Contient la couche d’ozone qui filtre les rayons UV
solaires nocifs pour la vie Température augmente avec l’altitude de -50°C à 10km
jusqu’à ~0°C à 50km C’est une couche extrêmement sèche. L’air y est déjà très raréfié Limite supérieure : la stratopause
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La mésosphère Couche située entre 50km et 80km Domaine extrêmement raréfié, aux portes de l’espace Températures diminuent de ~0°C à 50km jusqu’à -90°C
à 80km La mésopause est donc la région la plus froide de
l’atmosphère terrestre Limite supérieure : la mésopause
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La thermosphère Limite inférieure de « l’espace »
Ligne de Karman : définie à 100 km d’altitude, c’est la porte officielle de l’espace (altitude à laquelle le vol balistique est plus efficace que le vol atmosphérique)
Domaine des satellites artificiels, de la navette spatiale et de la Station spatiale internationale.
La température augmente rapidement avec l’altitude, jusqu’à des centaines de °C à des centaines de km d’altitude. Cependant, la notion de température devient floue dans ce milieu extrêmement raréfié (une molécule d’air voyagera ~1km avant d’en frapper une autre)
La limite supérieure de la thermosphère est à environ 500km
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Vidéos
http://www.dailymotion.com/video/xb5rlc_superscience-atmosphere-13_tech
http://www.dailymotion.com/video/xb5sou_superscience-atmosphere-23_tech
http://www.dailymotion.com/video/xb5tuj_superscience-atmosphere-33_tech
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Grâce à notre atmosphère…toute la météo Nuages, vents Pluie, neige, grêle Tempêtes hivernales Orages Ouragans Tornades Phénomènes optiques atmosphériques
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