Cours8 : Dynamique de l'atmosphère et de l'océan

Le climat
Partie 1 : Atmosphère et Océans

Composition de l'air sec
(troposphère)
N2 = 78.1%
O2 = 20.9%
Ar = 0.9%
CO2 = 0.04% traces
1.Lacirculationatmosphérique
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

Troposphère
Stratosphère
Mésosphère
Tropopause
Stratopause
Mésopause
Photographie prise le 07/20/75, durant la mission US-URSS Apollo, à une altitude de 230 km@Nasa
Ionosphère
Atmosphère
~80 km

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.

T° baisse
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
Altitude(km)
1/2 masse atmosphère
dans les 5500 m,
Masse atmosphère : 5,13.10
18
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)
Environ 1000 km
(limite sup. atmosphère)

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

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
CirrostratusCirrus

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

Les stratocumulus et les stratus : entre le sol et 2 km d'altitude.
Stratocumulus
Stratus

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

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

Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?
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%
Énergie réfléchie
107 W/m²
235 W/m²
Énergie
solaire
Albédo = 0.3
Ce qui reste pour
chauffer la Terre
Effet de serre et bilan radiatif

1.Lacirculationatmosphérique Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?
Infrarouge
Ultraviolets+visible+Infrarouge

1.Lacirculationatmosphérique Comment obtenir une température atmosphérique
moyenne de 15°C ?

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

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

Pôle NordPôle Sud Équateur
TROPOSPHERE
STRATOSPHERE : plus chaude elle force les mouvements horizontaux troposphériques
8-18km
sol
Les cellules de convection atmosphérique
Absence
de rotation
http://www.climateprediction.net
www.ifremer.fr/
Quel est le moteur de la circulation
atmosphérique ?
 Système de convection simple avec des vents soufflant des pôles vers l’équateur
• 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

atmosphérique ?
• L’influence de la rotation de la Terre
 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)
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

Force de Coriolis dévie les masses allant
vers le sud vers la droite
CELLULE
s’arrête à
30° de
latitude
ALIZES
Force de Coriolis dévie les masses allant vers le nord vers la droite
atmosphérique ?
• Dévient les masses d’air
• Fragmentent les cellules de convection

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

Hémisphère Nord

@isitv.univ-tln.fr/~lecalve
Introduction2.Lacirculationocéanique
• Surface de la terre : 71% par des océans
• 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
• 97% de l’eau disponible sur Terre

composition moyenne d'une eau de mer : 35 g de sel par kg d'eau de mer
Est-ce que l’océan peut devenir plus salé ?
 Température et salinité, paramètres permettant de déterminer la densité
 Densité, paramètre fondamental dans la dynamique des océans
• 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
 Equilibre entre les sels amenés par les cours d’eau et ceux extraits (par ex.
évaporites)
2.Lacirculationocéanique

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

La circulation de surface
@educnet.edu
CARTOGRAPHIE DES COURANTS MARINS DE SURFACE
Comment se déplacent les masses d’eau ?2.Lacirculationocéanique
• 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)
Cf. TD

Distribution verticale de température – stratification des eaux
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
 L’océan est stratifié

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

3.InteractionsAtmosphère-Océan:exemples
El Niño-La Niña Southern Oscillations

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.

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

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.
Condition thermique.

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).

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 %

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.

Situation en
période normale
(janvier 1996)
46
Situation en
période El Niño
(janvier 1998).
El Niño Southern Oscillation.

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