Chap1 : structure thermique de l'atmosphère ● I - Température de surface des planètes du système solaire ● II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre.

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1 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère ● I - Température de surface des planètes du système solaire ● II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre ● III - Equilibre radiatif de la Terre ● généralités ● apport d'énergie du soleil (TD) ● bilan radiatif de la Terre et effet de serre ● impacte des nuages sur la température (TD)

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3 ● T à la surface du soleil = 6000 K => Soleil émet essentiellement de la lumière visible. ● T à la surface de la Terre = 300 K => Terre émet dans les IR

4 Comportement possible de l'atmosphère ● En fonction des longueurs d'onde (couleur) de lumière l'atmsophère peut : ● Etre transparente ● Absorber le rayonnement => T augmente ● Réfléchir les rayonnement => T baisse

5 Principaux facteurs qui vont controler la température ● Apport d'énergie du soleil ● L'albédo de l'atmosphère/sol ● % d'énergie abosrbé par l'atmosphère ● L'albédo = énergie solaire réfléchie /énergie solaire incidente ● Albédo = 1 pour une surface réfléchissant 100 % de l'énergie (glace,....) ● Albédo = 0 pour un corps noir qui abosrbe 100 % de l'énergie

6 GES

7 H2O CO2 N2O CH4 55% des GES 39% des GES 2% des GES qq j (troposphère) 50-200 ans 150 ans 10 ans Les gaz à effet de serre (GES) H2O CO2 N2O CH4 55% des GES 39% des GES 2% des GES qq j (troposphère) 50-200 ans 150 ans 10 ans

8 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère ● I - Température de surface des planètes du système solaire ● II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre ● III - Equilibre radiatif de la Terre ● généralités ● apport d'énergie du soleil (TD) ● bilan radiatif de la Terre et effet de serre ● impacte des nuages sur la température (TD)

9 Apport d'énergie du soleil ● Vu lors du TD1 : le soleil apporte en moyenne 340 W.m-2 au sommet de l'atmosphère

10 TD2

11 Quelle est l'énergie solaire totale reçue par la Terre ? ● Un réacteur nucléaire délivre ~ 1800 10 6 W ● La totalité de l'énergie solaire = Puissance fournié par 45 millions de réacteur nucléaires.

12 Consommation d'électricité en France ● Par habitant 7488 kWh = 2.08 10 3 W ● Total : 488 Twh = 0.13 10 12 W Combien de réacteurs nucléaires faudrait-il ?

13 ● Surface des alpes maritimes = 4200 km2 Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de 10% sans tenir compte de l'albédo Quelle surface de panneaux solaire avec un rendement de 10% avec un albédo de 0.3

14 Consommation mondiale d'électricité ● Total 18453 Twh = 5.1 TW ● Par habitant = ~850 W (4x moins qu'en France)

15 Consommation d'électricité par habitant en kW/h (selon la banque mondiale) http://donnees.banquemondiale.org/indicateur/EG.US E.ELEC.KH.PC

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17 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère ● I - Température de surface des planètes du système solaire ● II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre ● III - Equilibre radiatif de la Terre ● généralités ● apport d'énergie du soleil (TD) ● bilan radiatif de la Terre et effet de serre ● impacte des nuages sur la température (TD)

18 III-1 mécanisme de l'effet de serre

19 Effet de serre simplifié ● On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère ● L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 % opaque aux IR. ● Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet (équilibre) 100 100/2 100/4 Rayonnement en visible Rayonnement en IR Absorption - réchauffement, émission IR Etc... 100/8 100/16 100 200 SOL Quantité émise par le soleil II Effet de serre/ 1 principe

20 Effet de serre simplifié SOL Quantité émise par le soleil 100 200 Au niveau du sol : Sans serre et à l'équilibre, il en arrive 100 et en repart 100 Avec serre, à l'équilibre, il en arrive et en repart 200 II Effet de serre/ 1 principe

21 Bilan radiatif de l'atmosphère (hors effet de serre – suppose que les nuages n'émettent que vers le haut) ● rouge : la surface de la Terre a une température d'~300K => elle émet essentiellement de la lumière IR : 21 ● jaune : la température de surface du soleil est de ~6000K => Le soleil émet de la lumière entre les proches IR et les Uvs Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global

22 Bilan radiatif de l'atmosphère ● 30% de la lumière émise par le soleil est réfléchie. Elle repart dans l'espace ● 51% est absorbée par la surface, ● 19% est absorbé dans l'atmosphère. Dans la mésosphère, l'oxygène absorbe les rayonnement les + énergétique. Dans la stratosphère l'ozone absorbe les UV. Dans la troposhère la vapeur d'eau capte les proches IR. Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global

23 Absorbtion de la lumière émise par le soleil par l'atmosphère ● Mésosphère : l'oxygène absorbe les rayonnements les + énergétique (UV lointain) ● Stratosphère : l'ozone absorbe les UV ● Troposphère : la vapeur d'eau, nuages, absorbent les IR. Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global

24 Diffusion de la lumière émise par le soleil ● Les particules fines de l'atmosphère diffusent les rayonnements (bleu) dans toutes les directions. Une partie part vers l'espace, l'autre vers le sol. Ainsi le ciel est bleu. ● Troposphère : gouttelettes d'eau des nuages diffusent la lumière sur une large plage de longueur d'onde => nuages sont gris Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global

25 Emission d'IR par la Terre ● La surface de la Terre étant de 300 K elle émet dans les IR ● Flux de chaleur sensible : chaleur transmise par conduction vers la troposhère ● Chaleur latente : évaporation des océan puis la condensation des nuages revient à transférer de l'énergie du sol vers la troposhère Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /1 Bilan global

26 ● La Terre reçoit 100 et revoie : 30 +70 =100 ● L'atmosphère absorbe 3+16+15+7+23=64 et réémet 38+26= 64

27 En ajoutant l'effet de serre (simplifié) ● Le sol reçoit et réemet 51+64=115

28 Bilan complet mesuré

29 Chap1 : structure thermique de l'atmosphère ● I - Température de surface des planètes du système solaire ● II - Profil vertical moyen de l'atmosphère terrestre ● III - Equilibre radiatif de la Terre ● généralités ● apport d'énergie du soleil (TD) ● bilan radiatif de la Terre et effet de serre ● impacte des nuages sur la température (TD)

30 Role des nuages sur l'effet de serre et l'albédo

31 L'eau dans l'atmosphère ● L'essentiel de l'eau se trouve dans les nuages sous forme de vapeur, liquide ou de glace ● La présence d'eau diminue la densité de l'air ● => l'eau influence la dynamique de l'atmosphère Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités

32 Répartition du type de nuages en fonction de l'altitude MAXIMUM = 8 - 18 km Troposphère Stratosphère Dynamique de l'atmosphère/ II Bilan radiatif /2 Influence des nuages /a Généralités

33 CUMULONIMBUSCUMULUS ALTOSTRATUS CIRRUS

34 Nuage = eau solide/liquide ● Lorsque l'eau contenue dans l'atmosphère se refroidit elle forme des goutelettes qui vont s'agglomérer pour former un nuage ● => les nuages sont consitués de goutelettes d'eau liquide ou solide ● Les nuages ont deux effets contraires sur la température : ● => Ils ont un fort albédo ● => L'eau est un gaz à effet de serre

35 Concentration moyenne d'H20 dans l'atmosphère moyennée sur 4 ans

36 ● L'atmosphère contient plus d'H20 dans les zones chaudes => plus d'évaporation Concentration moyenne d'H20 dans l'atmosphère moyennée sur 4 ans

37 Forçage radiatif en hiver dans les courtes longueur d'onde du au nuage ● Au dessus des surfaces de faible albédo t.q l'eau et des forets, les nuages augmentent sensiblement l'albédo ● => plus d'énergie solaire réfléchie ● => moins d'énergie absorbé ● => contribue à refroidir la Terre = forçage radiatif négatif

38 Forçage radiatif en hiver dans les courtes longueur d'onde du au nuage ● Au dessus des surfaces d'albédo élevé t.q la glace ou les déserts les nuages ont moins d'impact ● => Il est difficile d'augmenter l'albédo d'une surface qui a déjà un albédo proche de 1 !

39 Bilan de l'influence des nuages sur le bilan radiatif de la Terre

40 ● Au dessus des surfaces de fortes albédo, désert + poles : effet de serre domine sur l'albédo, et les nuages réchauffent l'atmosphère. ● Au dessus des océans au hautes latitudes : nuages bas contribuant moins à l'effet de serre + forte augmentation de l'albédo => fort refroidissement de la Terre. ● Au dessus des tropiques : nuages de cirrus dans les hautes altitudes → fort effet de serre et augmentation de l'albédo=> forçage radiatif proche de 0 ● => CCL : nuages refroidissent la Terre !

41 ● Nuages de faibles altitude t.q les stratus, cumulus: faible effet de serre, mais albédo élevé (car + chaud). ● Cirrus hautes altitude : modifie peu l'albédo, fort effet de serre (car + froid) ● Nuages de fortes extensions verticales : bilans nuls ● Quel serait l'impacte du réchauffement climatique sur la répartition des nuages ??

42 Bilan du III – équilibre radiatif de la Terre ● Effet de serre due à certains éléments qui sont transparents à la lumière visible mais absorbent les IR ● Bilan radiatif de la Terre ● Nuages ont tendance à refroidir la Terre

43 Bilan du chapitre I : structure thermique de l'atmosphère ● Mesure et calcul de la température des planètes du système solaire ● Structure 1D de l'atmosphère (composition chimique, gradient adiabatique, formation de l'ozone,....) ● Mécanisme de l'effet de serre, bilan radiatif de la Terre, role des nuages