Physique et atmosphère

Présentation au sujet: "Physique et atmosphère"— Transcription de la présentation:

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

2 Physique et atmosphère

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

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

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

6 Systèmes météorologiques

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

8 Tempêtes et orages Enclume Tourelle

9 Tornades Keller

10 Ouragans Dora

11 Brise de mer

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

13 Le climat planétaire

14 Changements climatiques ?
Effet de serre

15 Phénomènes optiques

16 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.

17 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

18 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

19 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 ?

20 Les débuts de notre univers
Le Big Bang

21 Galaxies vues par le téléscope Hubble

22 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

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

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

25 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

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

27 Composition actuelle de l ’atmosphère

28 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

29 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

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

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

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

33 Composition actuelle de l’atmosphère

34 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

35 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

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

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

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

39 Dynamique Référentiel inertiel Force gravitationnelle Force centrifuge

40 Dynamique Accélération de la gravité Gravité apparente

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

42 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

43 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.

44 Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Densité Pression Température

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

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

47 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

48 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) ?

49 La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

50 La troposphère Exercice : trouver la troposphère ...

51 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???

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

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

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

55 Le profil selon la composition

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

57 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

58 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

59 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

60 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

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

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