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Couche Limite Atmosphérique Echange à linterface terre-atmosphère Jean-Martial Cohard

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Présentation au sujet: "Couche Limite Atmosphérique Echange à linterface terre-atmosphère Jean-Martial Cohard"— Transcription de la présentation:

1 Couche Limite Atmosphérique Echange à linterface terre-atmosphère Jean-Martial Cohard

2 Plan de Cours Couche Limite Atmosphérique Echange à lInterface Terre-Atmosphère I- Etude de latmosphère : choix déchelle II- Les conditions limites et forçages III-La CLA moteur des échanges IV-Notion de Turbulence V-Description mathématique de la CLA VI-Théorie des similitudes VII-Mesure des Flux

3 I- Etude de latmosphère : choix déchelle R T 6400 km h atm 130 km Latmosphère :une mince couche de fluide sur la terre

4 I- Etude de latmosphère : choix déchelle 1 mois1 jour1 heure1 mn1 s Ondes stationnaires Ondes très longues Dépression extra-tropicale Anticyclones km 2000 km 200 km 20 km 2 km 200 m 20 m Ondes baroclines Fronts Ouragans Jets de basses couches Ondes de relief Orages Vents locaux Tornades Nuages convectifs Couches limites Panaches Frottement Échelle ClimatologiqueÉchelle synoptiqueMéso échelle Micro-échelle Macro échelle Méso échelle Micro échelle

5 0°-50°-100° 10 2 mb 10 3 mb 10 mb 1 mb mb mb mb mb I- Etude de latmosphère : choix déchelle Exosphère Thermosphère Mesosphère Stratosphère Troposphère 11 km 50 km 85 km 500 km Sol Tropopause Stratopause Mésopause

6 I- Etude de latmosphère : choix déchelle Couche de surface Couche dekman 20 m 1000 m Couche dentrainement : équilibre des forces de pression et de la force de coriolis Force dinertie négligée Approximation de Boussinesq Force dinertie et de Coriolis négligée Flux de quantité de mouvement Approximation de Boussinesq Force dinertie négligée Flux de quantité de mouvement non négligés

7 II- Bilan énergétique à la surface R s : Rayonnement Incident (0,3-2 m) Rayonnement Réfléchi par latm : a.R g : Rayonnement Réfléchi par la terre R a : Rayonnement émis par latm : IR W/m 2 R t : Rayonnement émis par la terre : IR Rayonnement diffus : R g W/m 2 LeH G R g (1-a) + R a – R t = H + LE + G

8 II- Bilan énergétique à la surface Le R g (1-a) + R a – R t = H + LE + G Le

9 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Rappel Lémittance E (ou pouvoir émissif total) est le flux dénergie par unité de surface émis par un corps dans toutes les directions dun demi-espace (2 [sr]). Lémittance est une grandeur hémisphérique : d " = d /d dA n E = 2 d " = 2 I.cos.d E = E d [W/m 2 ] Lintensité de rayonnement I, est le flux dénergie d émis dans une direction de lespace par unité dangle solide d, par unité de surface normale à la direction de propagation dA.cos et par unité de longueur donde d I = d / (dA.cos d d ) [W/m 2.sr.m] La radiance G est le flux dénergie par unité de surface reçu par un corps dans toutes les directions dun demi-espace (2 [sr]). La radiance est une grandeur hémisphérique : G = 2 dq i " = 2 I i.cos.d G = G d [W/m 2 ]

10 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement solaire (Rs) h: constante de Planck 6.6x Js k: constante de Boltzmann 1.4x J/K c 0 : vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide Lorsque les rayons du soleil heurtent la surface de l'atmosphère terrestre à 1.5x10 11 m de distance, ils sont parallele et transportent un flux de 1353W/m 2. L'irradiation solaire est : G soleil = 1353 f cos f excentricité de lorbite:

11 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement de la terre (Rt) E b = T 4 W/m 2 = 5.67x10 -8 W/m 2 K 4.

12 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement Rayonnement global Le rayonnement global est la somme Du rayonnement solaire incident et du rayonnement diffus R g = R s + R d Rayonnement net Cest le bilan radiatif du sol R n = (1-a)R g + R a - R t R s : Rayonnement Incident (0,3-2 m) Rayonnement diffus : a. R g : Rayonnement Réfléchi par la terre R a : Rayonnement émis par latm : IR R t : Rayonnement émis par la terre : IR RgRg

13 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Exercice R Sol = 0, km T Sol = 5800 °K R T = 6400 km T T = ?? °K d Sol-T = 1, km 1) Calculer lénergie rayonnée par le soleil (corp noir) par m 2 de surface et lénergie totale. On donne = 5, ) Calculer lénergie solaire reçu par la terre par m 2 de surface. Calculer alors lénergie moyenne qui arrive au sommet de latmosphère. 3) Faire le bilan thermique de la terre. On supposera la Température uniforme dans le système terre/atmosphère. On donne pour la terre un albedo de 0,33. 4) La température moyenne observée est de 33° supérieur à celle calculée précédemment. Expliquer cette différence. 5) On suppose maintenant que latmosphère est une couche séparée de la terre de température T atm. Celle-ci est transparente au rayonnement visible et possède une émissivité atm dans linfra rouge. Le rayonnement non absorbé par latmosphère est diffusé et ne retourne jamais vers sa source. Exprimer de nouveau léquilibre thermique du système terre/atmosphère et calculer la valeur de atm moyen pour une température de surface T T = 288° K.

14 II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Exercice Le flux moyen de rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre est égal à 390 W.m -2 et Le flux moyen quelle reçoit de latmosphère est égal à 330 W.m -2 a) Déterminer les températures radiatives apparentes auxquelles ces flux correspondent b) En supposant que tous les autres flux restent inchangés, quelles variations de la température moyenne de la surface terrestre entraînerait des accroissements de 1% et 2% du rayonnement atmosphérique moyen. On donne = 5, et = 1 R a : Rayonnement émis par latm : IR 330 W/m 2 R t : Rayonnement émis par la terre : IR 390 W/m 2

15 II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol En général pour les sols: 0.1 < α < 0.3 Selon Ritchie (1972) :α = α s + (0.25 -α s ) LAI α : albédo dun sol couvert de végétaux αs αs : albédo dun sol nu (α s env. 0.1) LAI : Leaf Area Index (0 < LAI < 4) l'image "canal visible" prise le 1er Janvier 1999 à 12h00 GMT par le satellite géostationnaire Météosat 7

16 II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Dakar

17 II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Niger

18 II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Lac Tchad

19 II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Nil

20 II- Bilan énergétique à la surface : flux de chaleur dans le sol (G) Ts G.Cp.dT/dt =. 2 T Loi de Fourier : G =. T/ z T s = T m + 0,5 T sin t-t m ) T(z,t) = T m + 0,5 T e -z/zd sin[ t-t m )-z/z d ]; z d = ( /(2. / Cp)) -1/2 z=2,5 cm z=15 cm z=30 cm T = 25° T = 10° T = 2° t

21 II- Bilan énergétique à la surface : flux de chaleur dans le sol (G) Ts T z2 T z1 Measurement at 10cm Fourier serie at 10cm Measurement at 20cm Fourier sol. at 20cm Fourier serie at 0cm Température dans le sol à différentes profondeurs T z2 T z1 Dev. série de Fourier

22 Valeurs de la capacité thermique volumique des composants du sol 10 6 J. m -3. K -1 < Cp < J. m -3 Habituellement dans les sols: Sol secSol saturé II- Bilan énergétique à la surface : caractéristiques du sol

23 évaporation transpiration ET Potentielle : Toujours assez deau Couvert homogène ET Réelle (

24 II- Bilan énergétique à la surface : flux de chaleur sensible (H) Ts H Rapport de Bowen = H / Le


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