Exercices TD1

Correction question 5 Effet de serre La température dans 100 ans après une augmentation de 0,4%/an ? Augmentation sur 100 ans : (1,004)100 = 1,49 et non 0,4%*100. Soit x un nombre. Après une augmentation de t %, la nouvelle valeur de x est : X1 = X0 * (1 + t/100) X2 = x1 * (1 + t/100) … Xn = xn-1 * (1 + t/100) = x0. (1 + t/100)^n D’où : Augmentation de 49 % sur 100 ans Actuellement effet de serre du CO2 = 50 W.m-2 Effet de serre du CO2 au bout de 100 ans : 0,49 * 50 = 24,5 W.m-2 On reprend le bilan d’énergie à la surface de la Terre : Ec(1-α)+RIR + ΔECO2 = σ T1004 T100 = [(240 + 150 + 24,5) / 5,67 . 10-8]1/4 = 292,4 K ∆T = T100-Tactuel = 292,4 – 288,15 = 4,25 K

Masse atomique du CO2 : (12+2*16) = 44 La masse totale de carbone dans l’atmosphère est de 760 Gt C en 1990 (figure 3). Déterminez la masse de CO2 dans l’atmosphère ? On donne les poids atomiques suivants : carbone = 12 ; oxygène = 16 760 Gt C = 760 109 x 106 gC Masse atomique du CO2 : (12+2*16) = 44 D’ où masse CO2 dans l’atmosphère : 44/12 * 760 109 x 106 = 2,78 1018 g CO2 1 individu -> 1 tonneC/an 6 milliards (109) -> 6 x 109 * 106 * 44/12 = 2,2 1016 g CO2 .an-1 La teneur de CO2 (ppmv) correspondant à la population est : 355 ppmv x 2,2 1016/2,79 1018 = 2,8 ppmv Soit une augmentation annuelle de la teneur atmosphérique en CO2 liée à la production humaine : 0,14*(2,2.1016 /2,2.1018)= 1%

L’augmentation globale annuelle serait approximativement de 2,8 / 355 = 0,79 % par an. Attention, cette augmentation suppose que tout le CO2 s’accumule dans l’atmosphère, ce qui n’est pas le cas. Une fraction est absorbée par les océans et une autre prise par la biosphère terrestre et les sols, mais ces flux nets sont soumis à de larges incertitudes VCO2 produit / individu / jour = m/M * R * T /P nCO2= (106/365) / 44 = 62,3 mol.ind-1.j-1 VCO2 = 62,3 * 8,31 * (15+273)/ 101325 VCO2 = 1,5 m3/ind./jour

Calcul du volume V de CO2 produit par la population par jour, sachant que cela correspond à 3,67 106 g CO2. personne-1 an-1 , soit 10 055 g CO2 jour-1.personne-1 . Comme 1 mole de CO2 pèse 44 g , alors il y a : 10055 / 44 = 228,5 moles de CO2. pV = nRT => V = nRT / p = (228,5 x 8,31 x 288,15) / 101325 = 5.4 m3 jour-1.personne-1 Soit à l’échelle globale : 1,18 1013 m3.an-1   Que représente ce volume par rapport au volume de CO2 de l’atmosphère ? X = 2,79 1018 gCO2 => X = 2,79 1018 / 44 = 6,34 1016 moles de CO2 qui occupent un volume de : V = (6,18 1016 x 8,31 x 288,15) / 101325 = 1.50 1015 m3 En un siècle au rythme de 1 t C.an-1, si tout le CO2 produit par l’homme s’accumule dans l’atmosphère, on aura presque doublé le volume de CO2 avec un apport de 1,18 1015 m3 supplémentaires.

TD2 : Océans : densité des masses d’eau, Gulf Stream, El Nino.

1. A. Densité des masses d’eau : Diagrammes σt (figure 1) Tracer les profils Température = f(z) et Salinité = f(z). Qu’en déduisez-vous ? Décroissance continue de la température en fonction de la profondeur Augmentation de la salinité alors que la profondeur augmente

1. A. Densité des masses d’eau : Diagrammes σt (figure 1) Sur le graphique, on observe une décroissance continue de la température en fonction de la profondeur Colonne d’eau stable si on ne considère que la température Si on regarde le profil de salinité, augmentation de celle-ci entre 1 et 2 km alors que la profondeur augmente Possibilité que la colonne d’eau soit déstabilisée car les eaux sont moins salées donc moins denses

colonne stable (densité augmente avec la profondeur) 1) Densité de masses d’eau: diagrammes σt  Tracé du profil sur le diagramme σt -0,15 -0,3 -0,8 -1,4 -2 -4 -5 17 35.9 0-2 km: colonne stable (densité augmente avec la profondeur) 2-4 km colonne instable 4-5 km densité constante

1. C. Densité des masses d’eau D’après le diagramme t réalisé à la question précédente, donnez la répartition en profondeur de ces masses d’eaux. Quel est approximativement le degré de mélange des EAF ? Les EAF sont les plus profondes, à plus de 6 km. Les EPNA sont situées vers 2 km de profondeur et les EAI vers 1 km de profondeur. Au vu de la salinité, les EAF seraient composées de deux tiers d’EPNA et d’un tiers d’EAI.

Pour trouver la contribution des EAF par exemple : 1. D. Densité des masses d’eau Estimez les proportions du mélange des EAP, EPNA et EAI correspondant à cette eau. 14 % 52 % 2.45 0.6 1.05 0.4 1.15 1.15 34 % Pour trouver la contribution des EAF par exemple : 0.6/ (0.6+1.15) = 34 %

1. Densité des masses d’eau La circulation méridienne des masses d’eau de l’océan Atlantique (M représente les eaux de la Méditerranée)

2. Le Gulf Stream La vitesse des courants de surface varie de quelques centimètres par seconde à plus de 2 m par seconde pour le Gulf Stream le long des côtes de la Floride (Gulf Stream le 11 janvier 2005).

2. A. Le Gulf Stream  Transfert d’eau chaude vers le N-E Figure 2 Rouge-orange : 24 à 28°C Jaune-vert : 17 à 23°C Bleu : 10 à 16°C Violet : 2 à 9 °C  Transfert d’eau chaude vers le N-E Figure 2 Figure 3

2. Le Gulf Stream Question 1 : La circulation océanique profonde est gouvernée actuellement par le plongement d'eaux froides et sur-salées aux hautes latitudes. Aux hautes latitudes, la congélation de l'eau douce en surface de l'océan, ou encore la formation de la banquise, provoque une augmentation de la salinité de l'eau de mer sous-jacente. A ce phénomène, qui prend place dans les régions polaires, s'associe des températures très basses de l'eau. Les eaux de surface deviennent denses et tendent à plonger, à 3000 m de profondeur environ. Ces mouvements sont à l'origine d'une circulation océanique globale, ou circulation thermo-haline. L'eau superficielle chaude et de faible salinité qui remonte dans l'Atlantique nord, s'évapore, se refroidit, gèle partiellement, se sur-sale, plonge et alimente la masse d'Eau Profonde Nord Atlantique (EPNA). Celle-ci se répand vers 3000m dans l'Atlantique sud en une circulation profonde, froide et salée que surmontent l'Eau Antarctique de Fond (EAF). Cette eau diffuse ensuite dans l'océan indien et dans l'océan pacifique, où un réchauffement et baisse de salinité

2. Le Gulf Stream Question 2 : Différence de température entre Bordeaux et le Canada ? La circulation thermohaline globale est gouvernée par les modifications de température et de salinité des eaux océaniques.

2. Le Gulf Stream Question 3 : calculez le transport d'eau effectué par le Gulf Stream le long des côtes de Floride: Sv = 106 m3.s-1 l = 100 km V = 50 cm/s e = 500m Transport (m3.s-1): l x v x e ! Unités 100.103 x 50.10-2 x 500 = 25 Sv Amazone : 300 000 m3/s à son max. Débit total de tous les fleuves et rivières de la planète : 1Sv.

3. Le phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation) A/ ROLE DE L'OCEAN DANS LA REGULATION DU CLIMAT L'océan mémorise les conditions atmosphériques par la température et la salinité des eaux de surface mise au contact de l'atmosphère. Le temps de réponse et la conservation de l'information dépendent de la latitude.   Dans les basses latitudes, temps de réponse court : oscillation du système air-océan  sur une période de 2 à 10 ans environ : phénomène El Niño.   En situation  normale dans la zone équatoriale du Pacifique, les alizés soufflant de l'Est entraînent les eaux superficielles chaudes vers l'Ouest tandis que les eaux froides profondes remontent au niveau des côtes du Pérou.  Les eaux chaudes de surface (29°C sur 100 m d'épaisseur) chauffent l'atmosphère: l'air monte, son humidité se condense en forte précipitations; les basses pressions produites entretiennent le flux des alizés. Le système s'auto-entretient et paraît stable.  La situation La Niña est une accentuation de la situation normale (alizés plus fortes, eaux chaudes plus à l’Ouest, …). En situation El Niño: si les alizés faiblissent, l'eau chaude équatoriale reflue vers l'Est et le contraste thermique entre l'Ouest et l'Est faiblit. L'upwelling s'arrête. Les pluies se déplacent vers l'Est. Les hautes pressions tropicales diminuent et les alizés faiblissent encore plus. Le phénomène s'amplifie de lui-même. Les alizés peuvent s'inverser et souffler alors vers l'Est. Les côtes du Pérou perdent leurs poissons et la pêche est sinistrée. Cette situation dure un an ou plus.

3. A. Le phénomène ENSO

3) El Niño Southern Oscillation LT102 3) El Niño Southern Oscillation Vents d’Est forts Forte différence de pression entre l’est et l’ouest Vents d’Est (alizés) faibles – nuls dans le Pacifique ouest

3. A. Le phénomène ENSO Subsidence de l’air sur le Pérou = zone anticyclonique au niveau de la mer Ascendance de l’air au-dessus de l’Indonésie car convection due aux eaux chaudes = zone dépressionnaire au niveau de la mer → Circulation de Walker Alizés maritimes soufflent du SE vers le NW Eaux chaudes superficielles des côtes du Pérou balayées vers l’Indonésie par les vents (alizés + vents de surface convergeant vers basses pressions) = remontée à l’Est et abaissement à l’Ouest de la thermocline Abaissement du niveau de la mer comblé par remontées d’eaux froides riches en CO2 (fort développement planctonique) = upwelling Conditions normales de circulation océanique et atmosphérique dans le Pacifique (D’après NOAA/PMEL/TAO)

3. A. Le phénomène ENSO Conditions « la Niña » Renforcement des alizés Transport plus important de masses d’eau chaudes vers l’Indonésie/Australie Enfoncement de la thermocline plus grand à l’Ouest et élévation plus importante à l’Est Upwelling transporte des masses d’eau froide plus importantes : eaux plus riches en nutriments Conditions climatiques renforcées : situations convectives plus importantes à l’Est, sécheresse plus importante au-dessus du Pérou. Conditions « la Niña »

3. A. Le phénomène ENSO Anomalie chaude sur le Pacifique Central : déplacement de la cellule de Walker du Pacifique Convergence des vents vers la zone dépressionnaire (Pacifique Central) Affaiblissement des alizés L’eau chaude accumulée à l’Ouest va s’écouler vers l’Est : abaissement de la thermocline à l’Est → arrêt de l’upwelling Inversion des conditions climatiques : pluies importantes au niveau du Pérou et sécheresse au niveau de l’Australie/Indonésie Conditions « El Niño »

La Niña: baisse de température LT102 3) El Niño Southern Oscillation: anomalies de température La Niña: baisse de température El Niño: augmentation de la température, accentuée à l’Est du Pacifique

3) El Niño Southern Oscillation: températures & pressions LT102 3) El Niño Southern Oscillation: températures & pressions Cartes de température de surface El Niño Dec 1997 La Niña Dec 1998 Cartes de pression Tahiti Darwin Janv-Mars 1998 (El Niño) Janv-Mars 1989 (La Niña)

3. A. Le phénomène ENSO Pluies diluviennes au Pérou pendant El Niño Sécheresse en Australie pendant El Niño Photo : Alfredo Bianco Photo DR

3. B. Le phénomène ENSO

3. Le phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation)