Dynamique de l'atmosphère et des océans Laurent Stehly

Plan du cours Physique de base Dynamique de l'atmosphère à l'heure actuelle Origine et évolution de l'atmosphère Dynamique des océans Evolution de l'atmosphère et des océans à l'échelle des temps géologiques

Physique de base I- Force s'éxerçant dans un fluide Une particule fluide accélère que si des forces s'éxercent sur elle: FEM = force électromagnétique Noyau : FEM et Coriolis dominent Manteau : FEM et coriolis sont nuls Oceans , atmosphère : Archimède et Coriolis sont les forces les + importantes.

I-1 Descrption des forces : pression Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-1 Descrption des forces : pression Dans un fluide, les particules se déplacent aléatoirement: La pression est la force résultante des collisions avec les particules fluides s'éxerçant sur une surface Elle dépend de la densité et de l'énergie cinétique des particules (ie la température)

Que se passe t-il si la pression varie dans l'espace ?

Que se passe t-il si la pression varie dans l'espace ? Si il y'a un gradient de pression, un volume subirait une pression plus importante sur certaines faces que sur d'autres => Cela induit une force qui mettra le volume en mouvement => Un gradient de pression induit une force : Force de pression = gradient (P) Fz= dP/dz

Interprétation en terme d'énergie

Interprétation en terme d'énergie Dans les zones ou la pression est plus élevé, l'énergie interne d'un élément de volume est plus élevé (+de particules et/ou température plus élevé) => Les forces de pression induisent des mouvement des zones ou l'énergie est la plus élevé vers les zones ou l'énergie est la plus faible => Ce mécanisme homogénéise l'énergie d'un système

Fluide au repos : équilibre entre force de gravité et de pression

I-1 Descrption des forces : pression Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-1 Descrption des forces : pression Si la pression est la meme partout, la force résultante est nulle. En revanche si il y'a une variation de pression, il en résulte une force A l'équilibre les forces de pressions est de gravité s'équilibre:

I-2 Force de pression : Archimède Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-2 Force de pression : Archimède On suppose que le fluide est au repos On remplace une particule fluide par une particule plus dense. Quelle est la force qui va s'appliquer sur elle ?

I-2 Force de pression : Archimède Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-2 Force de pression : Archimède On imagine que le fluide est au repos : Sur l'axe vertical on a donc : Remplaçons la particule par une particule de densité un peu différente. La force qu'elle subie s'écrit :

I-2 Force de pression : Archimède Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-2 Force de pression : Archimède => une variation de densité par rapport à l'état au repos engendre une force : la pousée d'Archimède La densité dépend de : La température et la salinité dans l'océan. De la température et de la composition chimique dans l'atmosphère, le manteau et le noyau terrestre.

I-3 Description des forces : viscosité Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-3 Description des forces : viscosité Une fois que le fluide se met en mouvement les forces de frottement tendent à empecher le mouvement. Les forces de frottement sont propotionnelles à la viscosité du fluide. Le nombre de Rayleigh est le rapport entre la poussé d'Archimède et les forces empechant la convection

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide I-4 : Force de Coriolis La force de coriolis n'existe que dans les référentielles non galiléen en rotation. Elle ne peut pas mettre un fluide en mouvement (i.e elle ne travaille pas). En revanche elle influence les trajectoires des particules fluides. Son intensité est proportionelle à la vitesse du fluide

Vu depuis un référentiel en rotation la trajectoire est courbe: Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide Dans un reférentiel galiléen, en l'absence de force, le vecteur vitesse ne change pas la trajectoire est une droite Vu depuis un référentiel en rotation la trajectoire est courbe:

Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide

La force de Coriolis courbe les trajectoires Physique de base/ I Description des forces s'exerçant dans un fluide La force de Coriolis courbe les trajectoires

Résumé : Composition chimique + la température => densité Densité + température => pression Force de pression, coriolis, viscosité => écoulement Ecoulement modifie à son tour la température, et la pression. => Les forces en présence, apport de chaleur, composition chimique controle la dynamique des enveloppes terrestres.

II-1 La convection dans les différentes enveloppes : noyau Physique de base/ II La convection dans les différentes enveloppes II-1 La convection dans les différentes enveloppes : noyau Différence température et de chimie due à la cristallisation du noyau interne => poussée d'Archimède => convection vigoureuse La force de coriolis structure l'écoulement en spirale

II-2 Convection dans le manteau Physique de base/ II La convection dans les différentes enveloppes II-2 Convection dans le manteau Désintégration d'éléments radioactifs + chauffage du noyau + subduction => variation température => poussé d'Archimède => convection En revanche les mouvements sont lents => pas de force de coriolis

Atmosphère Température dépend : énergie solaire, gaz effet de serre, ozone, évaporation des océans La densité dépend de : vapeur d'eau (nuage), température Les forces dominantes sont les forces de pression et Coriolis.