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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. - PowerPoint PPT Presentation
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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?
soleil
lithosphère
cryosphère
hydrosphère
atmosphère
nuages
biosphère
Météorologie et Climatologiesciences multidisciplinaires UQÀMUQÀM
Systèmes météorologiques
Nuages
Comment se forment les nuages?
Les types de nuages?
Effets sur le climat
Types de précipitation
Comment se produit la précipitation?
Tempêtes et oragesEnclume
Tourelle
Tornades
Keller
Ouragans
Dora
Brise de mer
Prévisions atmosphériques
Comment se font les prévisions?
Pourquoi, parfois, les prévisions sont « mauvaises» ?
Pourquoi on parle de prévision probable ?
Le climat planétaire
Changements climatiques ?
Effet de serre
Phénomènes optiques
Le temps et le climat
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 mouvement de la Terre combiné à l’énergie solaire produit une infinité de comportements de l’atmosphère...
Le temps et le climat...
… sont définis par:
La vitesse et direction du vent
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
Le temps (t) ou le climat (C) ?
À Montréal, les étés sont chauds et humides
Présentement le ciel est complètement couvert
La température minimale observée le dernier hivera été de -24 C
Le mois de janvier est notre mois le plus froid del ’année
La température moyenne du mois de janvier à Montréalest de ...
t
C
C
C
t
Épaisseur relative de l’atmosphère
99% de l ’atmosphère est contenue dans les premiers30 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 ’atmosphèredans un modèle de la planète ou le rayon de la Terreest 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 letéléscope 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 rochesvapeur d ’eau, dioxyde de carbone et nitrogène
Origine de l ’atmosphère
Atmosphère secondaire
CO2H2O
N2
SO2
H2
Tableau 1-1
Gaz PourcentageVapeur d’eau (H2O) 79,3Dioxyde de carbone (CO2) 11.6Dioxyde de soufre(SO2) 6,5Nitrogène (N2) 1,3Hydrogène (H2) 0,9Autres 0,7
Source: Anthes 1992
Pourcentage par volume des gaz émis par les volcans d ’Hawaii
Origine de l ’atmosphère
Apparition de la Vie
Spécificité de la Terre: l’eau liquide!
Dissolution de CO2 dans l ’eauAbsorption de UV solaires
Photosynthèse: CO2 + H2O + lumière = CH2O + O2
Respiration: CH2O + O2 = CO2 + H2O + énergie
Atmosphère actuelle
Aujourd’hui…
Apparition de l ’être humain
Atmosphère actuelle
78% N2 21% O20.9 % A
Autres gaz: moins de 1%
Composition actuelle de l ’atmosphère
Tableau 1-2
Composition volumétrique de l'air.Nom du gaz Pourcentage présentAzote (N2) 78 %Oxygène (O2) 21 %Argon (A) 0,93 %Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 %Néon (Ne) 0,0018 %Krypton (Kr) 0,000114 %Hydrogène (H) 0,00005 %Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %Xénon (Xe) 0,0000087 %Ozone (O3) 0 - 0,000001 %
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 volcaniqueFormation des océansDissolution du CO2, SO2 et
disparition de H2
Apparition de la vieFormation 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 - 4Dioxyde de carbone CO2 0,036Méthane CH4 0,00017Monoxyde d ’azote N2O 0,00003Ozone O3 0,000004Particules (aérosols) 0,000001
Composition actuelle de l’atmosphère
Tableau 1-2
Composition volumétrique de l'air.Nom du gaz Pourcentage présentAzote (N2) 78 %Oxygène (O2) 21 %Argon (A) 0,93 %Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %Dioxyde de carbone (CO2) 0,033 %Néon (Ne) 0,0018 %Krypton (Kr) 0,000114 %Hydrogène (H) 0,00005 %Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %Xénon (Xe) 0,0000087 %Ozone (O3) 0 - 0,000001 %
Physique et atmosphèreÉtude 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
2
GMm rF
r r
Dynamique
Accélération de la gravité
Gravité apparente
gFgm
*0 centrifugeg g c
Thermodynamique
La loi des gaz parfaits
Définition de pression d ’un gaz Définition thermodynamique de
température Définition de mole
*pV nR T
Théorie cinétique des gaz
Postulats: Un gaz idéal est formé de particules
infinitésimales qui n’interagissent autrement que par collisionLeur volume est négligeableLes particules sont en constant mouvementLes particules n ’exercent aucune force
mutuellementL ’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.
d dp R T
Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Densité
Pression
Température
Selon vous comment varie la température avec la hauteur?
Profil vertical de la température
Structure verticale de l’atmosphère terrestre
La troposphèreLa stratosphèreLa mésosphèrela thermosphèrel’exosphère
La troposphère
Le sommet de la troposphère s ’appelle tropopause etsépare la troposphère de la stratosphère.
C ’est dans la troposphère que tous les le phénomènesatmosphériques 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 troposphèreExercice : trouver la troposphère ...
La troposphèreExercice : 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 avecla 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 ’atmosphèrequelle serait, selon vous, le profil de températurede 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
pression d ’air
basse haute
Pourquoi il y a plus demolécules proche dela surface qu ’en hauteur?
Profil vertical de la pression
Quelle est la définition de la pression ?
Quelle est la pressionque j ’exerce sur le plancheren restant debout sur mes deux pieds?
Dimensions de mon pied: 22 x 9 cmmon poids: 50 kg
Profil vertical de la pression
1 m1 mNiveau de la mer
Sommet de l’atmosphère
Unités de pression
1 Pa (pascal) = N/m2
1 mb = 100 Pa = 1 hPa
Profil vertical de la pression
La colonne d ’air, de base 1 m2, au dessusdu niveau de la mer a un poidsapproximatif de 10 5 N. Quelleest la masse d’air correspondante ?
La masse de la colonne d ’air au dessus du niveaude 500 mb
Quelle est la masse d ’air, par m2, comprise entre lesniveaux de pression de 700 hPa et 500 hPa
Profil vertical de la pression
basse haute
pression d ’air
Molécules d’air
Densité de l’air
Références
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/
http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/accueil.htm
