Physique et atmosphère Jean-Pierre Blanchet Peter Zwack Patrick Grenier Eva Monteiro

Physique et atmosphère

Introduction Pourquoi étudier l’atmosphère? L’agriculture La sécurité Les loisirs

Les décisions politiques et économiques Changements climatiques? Pluies acides? Disparition de l ’ozone stratosphérique?

Météorologie et Climatologie sciences multidisciplinaires UQÀM soleil cryosphère hydrosphère atmosphère nuages lithosphère biosphère Météorologie et Climatologie sciences multidisciplinaires UQÀM

Systèmes météorologiques

Nuages Les types de nuages? Comment se forment les nuages? Effets sur le climat Types de précipitation Comment se produit la précipitation?

Tempêtes et orages Enclume Tourelle

Tornades Keller

Ouragans Dora

Brise de mer

Prévisions atmosphériques Comment se font les prévisions? Pourquoi on parle de prévision probable ? Pourquoi, parfois, les prévisions sont « mauvaises» ?

Le climat planétaire

Changements climatiques ? Effet de serre

Phénomènes optiques

Le temps et le climat Le mouvement de la Terre combiné à l’énergie solaire produit une infinité de comportements de l’atmosphère... Le temps : état de l ’atmosphère à un moment et à point donnée Le climat : Information statistique, que nous aide à décrire une région ou une place.

Le temps et le climat... … sont définis par: La température de l ’air L ’humidité de l ’air Le type et quantité de nuages Le type et quantité de précipitation La pression exercée par l ’air La vitesse et direction du vent

Le temps (t) ou le climat (C) ? À Montréal, les étés sont chauds et humides C Présentement le ciel est complètement couvert t La température minimale observée le dernier hiver a été de -24 C t Le mois de janvier est notre mois le plus froid de l ’année C La température moyenne du mois de janvier à Montréal est de ... C

Épaisseur relative de l’atmosphère 99% de l ’atmosphère est contenue dans les premiers 30 Km au dessus de la surface de la planète Le rayon de la Terre est ... 6400 Km … alors la profondeur de l ’atmosphère est de 0.5 % du rayon de la Terre. Quelle est l ’épaisseur de l ’atmosphère dans un modèle de la planète ou le rayon de la Terre est de 1 mètre ? Pourquoi la Terre ne perd pas son atmosphère comme la Lune la perdu ?

Les débuts de notre univers Le Big Bang

Galaxies vues par le téléscope Hubble

Origine de l ’atmosphère Une histoire vielle de 5 milliards d'années ... Naissance de la Terre: atmosphère primitive: hydrogène + hélium Échappement des gaz légers: Dégazage des roches vapeur d ’eau, dioxyde de carbone et nitrogène

Origine de l ’atmosphère Atmosphère secondaire CO2 H2O H2 SO2 N2

Pourcentage par volume des gaz émis par les volcans d ’Hawaii

Origine de l ’atmosphère Spécificité de la Terre: l’eau liquide! Dissolution de CO2 dans l ’eau Absorption de UV solaires Apparition de la Vie Photosynthèse: CO2 + H2O + lumière = CH2O + O2 Respiration: CH2O + O2 = CO2 + H2O + énergie

Atmosphère actuelle Aujourd’hui… Apparition de l ’être humain Autres gaz: moins de 1%

Composition actuelle de l ’atmosphère

Atmosphère future ... Passage du Soleil à la phase Géante rouge Dans 4 à 5 milliards d ’années ... …mort de la Terre et de son atmosphère

Origine de l ’atmosphère: résumé L ’atmosphère primitive disparaît de la planète Atmosphère de type volcanique Formation des océans Dissolution du CO2, SO2 et disparition de H2 Apparition de la vie Formation de l ’atmosphère actuelle

Composition de l ’atmosphère actuelle Essentiellement variable dans le temps et dans l ’espace. Définition de l ’air sec Importance des autres composantes

Composition actuelle de l’atmosphère (gas permanents) Nitrogène N2 78,00 % Oxygène O2 21,00 % Argon Ar 0,93 %

Composition actuelle (composantes variables) Vapeur d’eau H2O 0 - 4 Dioxyde de carbone CO2 0,036 Méthane CH4 0,00017 Monoxyde d ’azote N2O 0,00003 Ozone O3 0,000004 Particules (aérosols) 0,000001

Composition actuelle de l’atmosphère

Physique et atmosphère Étude scientifique de l’atmosphère Pour pouvoir interpréter les phénomènes atmosphériques il faut connaître les «lois de la nature » régissant le comportement de l ’atmosphère

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

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

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

La dynamique Les trois lois de Newton Loi de l’inertie Conservation de la quantité de mouvement Loi de l’action et réaction

Dynamique Référentiel inertiel Force gravitationnelle Force centrifuge

Dynamique Accélération de la gravité Gravité apparente

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

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

Équation d ’état pour l’air atmosphérique 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.

Structure verticale de l’atmosphère terrestre Densité Pression Température

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

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

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

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 Éverest est de 30 C, quelle est la température au sommet de l’Éverest (9 km au dessus de la base) ?

La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

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???

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

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

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

Le profil selon la composition

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

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

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

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

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

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

Références http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/ http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/accueil.htm