Cours de première année de Sciences de la Terre de Lyon. Le climat et l'atmosphère.

1. Le climat
Partie 1 : Atmosphère et Océans

2. Quel composant est le plus abondant dans
l’atmosphère ?
A. O2
B. N2
C. CO2
D. CO

3. Composition de l'air sec
(troposphère)
Ar = 0.9%
CO2 = 0.04% traces
O2 = 20.9%
N2 = 78.1%
1. La circulation atmosphérique
Structure et composition de l’atmosphère
L’eau dans l’atmosphère
3 états (gaz, solide, liquide)
Teneurs variables
0,1% en Sibérie
5% dans les régions maritimes équatoriales

4. Mésosphère
Stratosphère
Troposphère
Mésopause
Tropopause
Stratopause
~80 km
Photographie prise le 07/20/75, durant la mission US-@Nasa URSS Apollo, à une altitude de 230 km
1. La circulation atmosphérique
Structure et composition de l’atmosphère
Ionosphère
Atmosphère

5. Vues prises depuis la Navette Spatiale (NASA), orbite base (400 km.).
Couché de Soleil, 8/11/91, Atlantis.
Vénus.
Depuis l’espace :
la couleur rouge de la troposphère =
absorption des courtes longueurs
d'onde par la vapeur d'eau.
Dans la stratosphère le dégradé du
blanc vers le bleu est lié à la variation
de la pression.
Des nuages orageux avec leurs cirrus s'étalent contre la
tropopause, qui apparaît en gris-vert.
Les aérosols du Pinatubo, à la base de stratosphère apparaissent
dans la couche noire.
1. La circulation atmosphérique

6. T° baisse
Environ 1000 km
(limite sup. atmosphère)
Raréfaction
des
molécules
d'air
9/10 masse atmosphère
dans les 18 km
-56°C
-5°C
0°C
-90°C
http://www-geoazur.unice.fr/SCTERRE/cours_en_ligne/index.html
1. La circulation atmosphérique
Altitude (km)
Structure et composition de l’atmosphère
1/2 masse atmosphère
dans les 5500 m,
Masse atmosphère : 5,13.1018 kg
(un millionième masse terrestre) (au delà les molécules peuvent s’échapper vers
l’espace sans que les chocs avec les autres
molécules ne les renvoient dans l’atmosphère)

7. Le suffixe nimbus (nimbo-) désigne les nuages produisant des précipitations.
Les limites entre étages varient entre les régions équatoriale et polaire.
1. La circulation atmosphérique

8. Les cirrus, cirrocumulus et cirrostratus :
- localisés entre 5 et 13 km d'altitude sous nos latitudes ;
- constitués de cristaux de glace.
- marqueurs de la tropopause.
Cirrus
Cirrocumulus
Cirrus Cirrostratus
1. La circulation atmosphérique

9. Les altocumulus et altostratus : 2 à 7 km d'altitude. Ils sont constitués
essentiellement de gouttelettes d'eau.
Altocumulus
Altostratus
1. La circulation atmosphérique

10. Les stratocumulus et les stratus : entre le sol et 2 km d'altitude.
Stratocumulus
Stratus
1. La circulation atmosphérique

11. Les nimbostratus, cumulus et cumulonimbus : nuages à développement vertical
qui peuvent occuper plusieurs étages en même temps.
Nimbostratus
Cumulus
Cumulonimbus
1. La circulation atmosphérique

12. Cumulonimbus.
Les cirrus sont souvent issus du
sommet de ces tours convectives
qui plafonnent à la tropopause.
Les cumulonimbus sont le siège de
forts mouvements convectifs qui
homogénéisent la troposphère.
NASA.
Des nuages orageux avec leurs cirrus, dont les
sommets sont en forme d'enclumes...
1. La circulation atmosphérique

13. D’où vient l’énergie qui chauffe
l’atmosphère ?
A. Du sol
B. De l’océan
C. Des nuages
D. Du soleil

14. Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?
Énergie réfléchie
107 W/m²
235 W/m²
Longueurs d'onde constituant le rayonnement solaire
température 6 000 K
domaine
ultraviolet
inférieure à 0,3
μm (violet-bleu)
domaine visible
de 0,3 μm (violet-bleu)
à 0,7 μm
(rouge)
domaine
infrarouge
au delà de 0,7 μm
(rouge)
10% 40% 50%
1. La circulation atmosphérique
Énergie
solaire
Albédo = 0.3
Ce qui reste pour
chauffer la Terre
Effet de serre et bilan radiatif

16. Effet de serre et bilan radiatif
1. La circulation atmosphérique
Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?
Ultraviolets+visible+Infrarouge
Infrarouge

17. Effet de serre et bilan radiatif
1. La circulation atmosphérique
Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?

18. Ifremer.
Ifremer.
Déséquilibre de l’apport d’énergie solaire
• Angle d’incidence des rayons solaires
• Gradient de température à la surface du Globe
1. La circulation atmosphérique

19. Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
Transport
Le déséquilibre thermique à la surface du globe
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
Transferts assurés par les deux fluides terrestres
(courants océaniques et atmosphériques)
1. La circulation atmosphérique

20. Quelle est l’origine des mouvements
atmosphériques ?
A. la chaleur du sol
B. l’incidence des
rayons solaires
C. la circulation
océaniques
D. la rotation de la
Terre
E. les marées lunaires

21. Les cellules de convection atmosphérique
STRATOSPHERE : plus chaude elle force les mouvements horizontaux troposphériques
TROPOSPHERE
Pôle Sud Équateur Pôle Nord
8-18 km
sol
Absence
de rotation
http://www.climateprediction.net
www.ifremer.fr/
Quel est le moteur de la circulation
atmosphérique ?
1. La circulation atmosphérique
• Aux basses latitudes, l’air chaud et humide s’élève : zone de basse pression
• Aux pôles l’air refroidit et plus dense créer une zone de haute pression
 Système de convection simple avec des vents soufflant des pôles vers l’équateur

22. Quel est le moteur de la circulation
atmosphérique ?
1. La circulation atmosphérique
Les cellules de convection atmosphérique
• L’influence de la rotation de la Terre
point de vue d'un observateur
extérieur (immobile)
une bille s'éloigne en ligne droite
depuis le centre d'un disque en
rotation vers la bordure
point de vue d’un observateur ayant le
même référentiel (en rotation)
la bille se déplace le long d'un arc de
cercle
 La rotation de la Terre se traduit par les Forces de Coriolis
(perpendiculaires à l'axe de rotation du référentiel et au vecteur de la vitesse du
corps en mouvement)

23. Quel est le moteur de la circulation
atmosphérique ?
Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la droite
Force de Coriolis dévie les masses allant
vers le sud vers la droite
CELLULE
s’arrête à
30° de
latitude
ALIZES
1. La circulation atmosphérique
Les cellules de convection atmosphérique
• Dévient les masses d’air
• Fragmentent les cellules de convection

24. Quel est le moteur de la circulation atmosphérique ?
Les cellules de convection atmosphérique
Campy & Macaire (2003) – Géologie de la surface, Dunod
1. La circulation atmosphérique
 3 cellules de convection troposphériques
 Distribution zonale des climats

25. 1. La circulation atmosphérique

26. 1. La circulation atmosphérique

27. Hémisphère Nord
1. La circulation atmosphérique

28. 1. La circulation atmosphérique
?

29. C’est
A. Un cyclone
B. Un anticyclone

30. @isitv.univ-tln.fr/~lecalve
Introduction
2. La circulation océanique
• Surface de la terre : 71% par des océans
• 97% de l’eau disponible sur Terre
• Répartition des terres et des mers inégale (antipodale) – à toute bosse correspond un creux
• Masses terrestres concentrées dans l'hémisphère nord (Hémisphère nord : 61% de
mer, hémisphère sud : 81 % de mer)
• Profondeur moyenne des océans : 3800 m (pellicule très mince ~1/1700 rayon de la Terre)
• 300 fois la masse de l’atmosphère
•1200 fois la capacité de stockage de chaleur de l’atmosphère

31. Est-ce que l’océan peut devenir plus salé ?
• La concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu
• Mais la proportion des composants les plus importants reste à peu près constante
 Prouve un mélange des eaux océaniques
composition moyenne d'une eau de mer : 35 g de sel par kg d'eau de mer
 Equilibre entre les sels amenés par les cours d’eau et ceux extraits (par ex.
évaporites)
 Température et salinité, paramètres permettant de déterminer la densité
 Densité, paramètre fondamental dans la dynamique des océans
@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
2. La circulation océanique

32. Comment se déplacent les masses d’eau ?
La circulation de surface
Carte des vents Carte des courants de surface
• Rôle des vents
 L’action des vents se fait sentir jusqu’à 800 m de profondeur
• Rôle de la force de Coriolis : Gyres anticycloniques et cycloniques
 Les courants décrivent de grands mouvements tournants appelés " gyres "
• Rôle des continents
2. La circulation océanique

33. Comment se déplacent les masses d’eau ?
La circulation de surface
CARTOGRAPHIE DES COURANTS MARINS DE SURFACE
@educnet.edu
2. La circulation océanique
Cf. TD
• Rôle des vents : Alizés (courants équatoriaux), vents d’ouest (courant circumpolaire)
Vitesse moyenne courants de surface : quelques cm/s (~2 m/s Gulf Stream au large de la Floride)

34. 2. La circulation océanique

35. Comment se déplacent les masses d’eau ?
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
 L’océan est stratifié
Distribution verticale de température – stratification des eaux
@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
La circulation profonde
Couche de surface (ou couche de mélange) : 50 à 200 m (températures ~ celles de surface
Couche thermocline : 200 à 1000 m (température décroît avec la profondeur)
Couche profonde : jusqu'au fond, caractérisée par des températures faibles et homogènes
2. La circulation océanique

36. Comment se déplacent les masses d’eau ?
Pomerol et al. (2005) – Éléments de Géologie, Dunod
La circulation thermohaline
Circulation océanique globale, profonde, liée à la température et à la salinité des masses d'eau
Une molécule d'eau fait le circuit entier en environ 1000 ans
Vitesse moyenne courants profonds : ~mm/s
2. La circulation océanique

38. Votre personnage préféré
A. Prof Jack
B. Sam
C. Laura
D. Président Blake
E. Vorsteen
F. Kirsten Dunst

40. En combien de temps le changement climatique aura-t-il
lieu ?
A. 10 jours
B. 1 an
C. 10 ans
D. 100 ans
E. Plus que ça

41. Si la circulation océanique change, la
température en France va
A. Augmenter
B. Diminuer
C. Ni l’un ni l’autre

42. Le niveau de l’eau a-t-il déjà
commencé de monter ?
A. Oui
B. Non
C. Je ne sais pas

43. Un nouvel âge de glace est-il possible ?
A. Oui
B. Non
C. Je n’en ai aucune
idée

44. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples
El Niño-La Niña Southern Oscillations

45. Average rain rate in January 2000 measured by the Tropical Rain Measuring Mission satellite. From Tropical Rain Measuring
Mission office at the NASA Goddard Space Flight Center.
Average rain rate in January 1998, an El Niño year, measured by the Tropical Rain Measuring Mission satellite. Notice that the
rain has shifted from the western Pacific and eastern Indian ocean to the central Pacific.
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

46. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

47. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

48. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

49. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

50. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

51. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

52. 3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

53. Si les vents atteignent au moins 33 m/s, on l'appelle alors :
- (1) Ouragan dans l'Atlantique Nord, l'Océan Pacifique Nord-Est, à l'est de la
ligne de changement de date (aux Caraïbes : hu ra kan qui a donné le terme
anglais hurricane et le terme français ouragan) ;
- (2) Typhon dans l'Océan Pacifique Nord-Ouest, à l'ouest de la ligne de
changement de date (Chine : taï fong, Japon : taï fu) ;
- (3) Cyclones
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

54. Condition thermique.
Les cyclones se forment à la fin de l'été, lorsque la température de surface
des eaux océaniques devient supérieure à 26°C sur une épaisseur minimale
de 50 m. Si l'eau est trop froide, le cyclone ne peut pas se former ou, s'il était
déjà formé préalablement, il s'affaiblit puis finit par perdre ses caractéristiques
cycloniques tropicales. En pénétrant sur terre, son énergie tend rapidement à
décroître.
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

55. Condition géographique.
Etre suffisamment éloigné de l'Équateur (5°, soit 550 km) de façon à ce que la
force de Coriolis ne soit pas nulle (Equateur) ou trop faible (de 0 à 5° de latitude).
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

56. Condition hygrométrique.
Une forte humidité est indispensable à la formation des cumulonimbus.
La formation d'un cyclone est impossible pour une humidité inférieure à 40 %,
fréquente lorsqu'elle est supérieure à 70 %
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

57. Lorsque le cyclone passe au dessus
d'une zone continentale, il perd sa
source d'humidité et de chaleur et les
frottements avec la surface
continentale ralentissent sa course.
Lorsque les eaux océaniques ne
fournissent plus assez de chaleur et
d'humidité à l'atmosphère, l'intensité
du cyclone diminue.
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples

58. Situation en
période normale
(janvier 1996)
58
Situation en
période El Niño
(janvier 1998).
El Niño Southern Oscillation.
3. Interactions Atmosphère-Océan : exemples