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Présenté par Eva Monteiro Adaptation du cours d’introduction à la météorologie (S donné par Richard Harvey en 2010 à l’UQÀM FORMATION EN MÉTÉOROLOGIE - 2011

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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 Presentation

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Page 1: Présenté par Eva Monteiro

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

Page 2: Présenté par Eva Monteiro

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

Page 3: Présenté par Eva Monteiro

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.

3SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 4: Présenté par Eva Monteiro

Le soleil dans la Voie Lactée

SCA-2611 Introduction à la météorologie 4

Page 5: Présenté par Eva Monteiro

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

5SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 6: Présenté par Eva Monteiro

Comparaison des planètes telluriques

SCA-2611 Introduction à la météorologie 6

Mercure

Venus

Mars

Terre

Page 7: Présenté par Eva Monteiro

La Terre dans le système solaire

SCA-2611 Introduction à la météorologie 7

Page 8: Présenté par Eva Monteiro

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

SCA-2611 Introduction à la météorologie 8

Page 9: Présenté par Eva Monteiro

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 !

SCA-2611 Introduction à la météorologie 9

Page 10: Présenté par Eva Monteiro

L’atmosphère terrestre : un (très) mince cocon protecteur

SCA-2611 Introduction à la météorologie 10

Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Meteotek08_atmosfera13.jpg

Page 11: Présenté par Eva Monteiro

La Lune : désolation totale

SCA-2611 Introduction à la météorologie 11

Page 12: Présenté par Eva Monteiro

L’histoire de l’atmosphère terrestre

Atmosphère primaire

Atmosphère secondaire

Atmosphère tertiaire

12SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 13: Présenté par Eva Monteiro

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)

SCA-2611 Introduction à la météorologie 13

Source :http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_sulfide

Page 14: Présenté par Eva Monteiro

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)

SCA-2611 Introduction à la météorologie 14

Page 15: Présenté par Eva Monteiro

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.

SCA-2611 Introduction à la météorologie 15

Page 16: Présenté par Eva Monteiro

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)

16SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 17: Présenté par Eva Monteiro

Météorologiquement parlant, les gaz en petite concentration sont les plus intéressants…

La vapeur d’eau (H20)

Le gaz carbonique (CO2)

L’ozone (O3)

17SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 18: Présenté par Eva Monteiro

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 !

SCA-2611 Introduction à la météorologie 18

Page 19: Présenté par Eva Monteiro

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.

SCA-2611 Introduction à la météorologie 19

Page 20: Présenté par Eva Monteiro

L’ozone

20SCA-2611 Introduction à la météorologie

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

Page 21: Présenté par Eva Monteiro

L’ozone

21SCA-2611 Introduction à la météorologie

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.

Page 22: Présenté par Eva Monteiro

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

22SCA-2611 Introduction à la météorologie

Page 23: Présenté par Eva Monteiro

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)

SCA-2611 Introduction à la météorologie 23

Page 24: Présenté par Eva Monteiro

Profil verticaux typiques de pression et de densité atmosphériques

SCA-2611 Introduction à la météorologie 24

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?

Page 25: Présenté par Eva Monteiro

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

SCA-2611 Introduction à la météorologie 25

Page 26: Présenté par Eva Monteiro

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.

Page 27: Présenté par Eva Monteiro

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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Page 28: Présenté par Eva Monteiro

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

SCA-2611 Introduction à la météorologie 28

Page 29: Présenté par Eva Monteiro

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

SCA-2611 Introduction à la météorologie 29

Page 30: Présenté par Eva Monteiro

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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Page 32: Présenté par Eva Monteiro

Grâce à notre atmosphère…toute la météo Nuages, vents Pluie, neige, grêle Tempêtes hivernales Orages Ouragans Tornades Phénomènes optiques atmosphériques

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