Caractéristiques de l’atmosphère

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1 Caractéristiques de l’atmosphère
Fluide composé de plusieurs gaz dont l’état est défini par : - sa température - sa densité - son état de mouvement

2 Air atmosphérique Air sec Air humide Nitrogène Oxygène Argon
Air sec + vapeur d’eau

3 La physique appliquée à l ’atmosphère
Choix du modèle du système atmosphérique  L ’air sec: mélange de gaz parfaits  Milieu continu  L ’air humide: l ’air sec + la vapeur d ’eau L ’atmosphère est une machine thermique: Les mouvements atmosphériques sont possibles par la conversion de l ’énergie solaire en d ’autres formes d ’énergie

4 Les « lois de la nature »  Conservation de la quantité de mouvement
 Conservation de la masse  Conservation de l’énergie

5 Branches de la physique utilisées dans l ’étude des phénomènes atmosphériques
 La dynamique   La thermodynamique   L’électromagnétisme 

6 La dynamique Les trois lois de Newton Loi de l’inertie
tout corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne et uniforme, à moins que des forces n’agissent sur lui. Conservation de la quantité de mouvement La force nette agissant sur une particule de masse m produit une accélération a = (F)/m de même direction que la forces nette. Loi de l’action et réaction La force exercée sur un corps A par un corps B est égale et opposée à la force exercée sur B par A

7 Dynamique Référentiel inertiel : Forces :
Référentiel dans lequel les lois de Newton son valables Forces : Force de gravité Force de pression Force de frottement Forces d’inertie Centrifuge Coriolis

8 Forces dans l’atmosphère : gravité
Force gravitationnelle Au niveau de la mer :

9 Forces dans l’atmosphère : gravité
Accélération de la gravité Gravité apparente

10 Forces dans l’atmosphère : gravité
Selon notre référentiel, la force de gravité a une seule composante non nulle : la composante selon la verticale locale qui coïncide avec l’axe des z et a une valeur négative La force de gravité est légèrement plus élevée au pôles qu’à l’équateur. Raisons ??? La différence entre et est inférieure à 1%

11 Forces dans l’atmosphère : Coriolis
Cette force apparaît dans nos équations de mouvement quand le référentiel choisi est en rotation et le corps est en mouvement. Or le vent est de l’air que se déplace par rapport à un référentiel solidaire de la surface terrestre et la Terre en rotation. On reviendra plus tard à cette force.

12 Forces dans l’atmosphère : le frottement
Les molécules des corps rentrent en collision souvent. Au moment de la collision il y a échange de quantité de mouvement. Les molécules que se déplacent à des vitesses plus élevées ralentissent et les plus lentes accélèrent. En général, un corps qui est en contact avec un corps qui se déplace à vitesse différente accélère ou ralenti. Il a donc une force. C’est la force de frottement.

13 Forces dans l’atmosphère : le frottement
Dans l’atmosphère, la force de frottement est plutôt le résultat des tourbillons d’air qui échangent leur quantité de mouvement. C’est la force de frottement turbulente. La surface terrestre subit une accélération, pendant que l’air au dessus ralentit. Si la surface est mobile (surface d’un lac, d’un océan) cette force est à l’origine des vagues et des courants océaniques.

14 Forces dans l’atmosphère : le frottement
La force de frottement dans l’atmosphère dépend des tourbillons atmosphériques. Ces tourbillons sont très intenses les jours de soleil et sont moins intenses pendant la nuit. La force de frottement varie pendant la journée. Elle suit à peu près le cycle du soleil. La force de frottement est important seulement dans une couche d’épaisseur 1 km, proche de la surface. Pourquoi?

15 Thermodynamique La loi des gaz parfaits
Définition de pression d ’un gaz Définition thermodynamique de température Définition de mole

16 Pression

17 Théorie cinétique des gaz
Postulats: Un gaz idéal est formé de particules infinitésimales qui n’interagissent autrement que par collision Leur volume est négligeable Les particules sont en constant mouvement Les particules n ’exercent aucune force mutuellement L ’énergie cinétique moyenne d ’un groupe de particules de gaz proportionnelle à la température exprimée en kelvins

18 Pression Force appliquée à la parois par 1 molécule
N molécules Force appliquée à la parois par 1 molécule Pression sur la parois

19 Température Théorie cinétique des gaz Loi des gaz parfaits (empirique)

20 Énergie interne Énergie cinétique moyenne d’une molécule de gaz :
Énergie interne totale du gaz parfait:

21 Équation d ’état un gaz parfait
masse molaire = masse de NA molécules (une mole) NA est le nombre d’Avogadro = 6,

22 Équation d ’état pour l’air atmosphérique sec
Soit p la pression, d la densité et Td la température de l ’air sec. À l ’équilibre les trois variables thermodynamiques sont reliées par l ’équation.

23 Équation d ’état pour l’air atmosphérique humide
Air humide = air sec + vapeur d’eau où Pression de l’air humide Température virtuelle

24 Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Densité Pression Température

25 Profil vertical de la température
Selon vous comment varie la température avec la hauteur?

26 Structure verticale de l’atmosphère terrestre
La troposphère La stratosphère La mésosphère la thermosphère l’exosphère

27 La troposphère Le sommet de la troposphère s ’appelle tropopause et
sépare la troposphère de la stratosphère. C ’est dans la troposphère que tous les le phénomènes atmosphériques sont observés Couche essentiellement instable Le taux de décroissement de la température est, en moyenne, de 6.5 °C / km (gradient vertical de la température). Le courant jet se situe au sommet de cette couche Cette couche est plus épaisse l ’été que l ’hiver La hauteur de la tropopause est proportionnelle à la température moyenne de la troposphère

28 La troposphère (taux de refroidissement vertical)
Le taux de refroidissement vertical moyen dans la troposphère est de 6.5 C/km. Si la température à la base du Mt Everest est de 30 C, quelle est la température au sommet de l’Everest (9 km au dessus de la base) ?

29 La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

30 La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

31 La stratosphère S ’étend de la tropopause jusqu ’à plus au moins 50 km
Contient la couche d ’ozone (maximum de concentration entre 20 et 30 km) La température augmente avec la hauteur Pourquoi la température augmente avec la hauteur dans la stratosphère???

32 La mésosphère La température diminue avec l ’altitude ???

33 La thermosphère La température augmente avec l ’altitude ???

34 Question Si l ’ozone n ’existait pas dans l ’atmosphère
quelle serait, selon vous, le profil de température de 0 à 80 km

35 Le profil selon la composition

36 Profil vertical de la densité
Quelle est la définition de la densité ? Quelle est la densité d ’étudiants dans la salle ?

37 Profil vertical de la densité
La densité de l ’air décroît avec l ’altitude Molécules d’air Densité de l’air Pourquoi il y a plus de molécules proche de la surface qu ’en hauteur? pression d ’air basse haute

38 Profil vertical de la pression
Quelle est la définition de la pression ? Quelle est la pression que j ’exerce sur le plancher en restant debout sur mes deux pieds? Dimensions de mon pied: 22 x 9 cm mon poids: 50 kg

39 Profil vertical de la pression
Sommet de l’atmosphère Unités de pression 1 Pa (pascal) = N/m2 1 mb = 100 Pa = 1 hPa Niveau de la mer 1 m 1 m

40 Profil vertical de la pression
La colonne d ’air, de base 1 m2, au dessus du niveau de la mer a un poids approximatif de 10 5 N. Quelle est la masse d’air correspondante ? La masse de la colonne d ’air au dessus du niveau de 500 mb Quelle est la masse d ’air, par m2, comprise entre les niveaux de pression de 700 hPa et 500 hPa

41 Profil vertical de la pression
Molécules d’air Densité de l’air pression d ’air basse haute

42 Références http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/