Quelles sont les forces qui régissent les lois physique de notre univers?








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date de publication03.05.2017
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Dynamique des enveloppes terrestres

Partie 1 : Introduction

La voie lactée :

• environ 250 milliards d'étoiles

• la voie lactée de la Terre est assez étendue!

Quelles sont les forces qui régissent les lois physique de notre univers?

• La gravité

• La force électro-magnétique (régit les électrons et les protons)

• La force nucléaire forte

• La force nucléaire faible

→ ce sont les 4 forces qui régissent notre univers

pourquoi avons nous un Soleil unique et des planètes?

• À cause du hasard!

• Les planètes du système solaire viennent de la nébuleuse proto-solaire

• Il y a 4,6 Ma la gravité joue un rôle d'agrégation de la matière : Le Soleil naît

• 1) la rotation du système solaire est nulle ou très faible :

• quelle est la force principale qui contrôle le mouvement des planètes autour du Soleil ?

• Pourquoi toutes les planètes du système solaire sont dans un plan écliptique?

• 2) Si le moment angulaire du S.S est faible. La matière se condense en un disque relativement plat. Cf schéma!

• 3) Si le moment angulaire est fort. La matière se condense en un système de double étoile.

• Au moment de sa formation, la Terre emmagasine de l'énergie.

Évolution de notre système solaire : migration de la matière en un disque relativement plat

• la nébuleuse proto-solaire voit sa vitesse de rotation augmentée + augmentation des chocs

• créations d'anneaux de matières et de corps (les planètésimaux)

• la collision des planètésimaux entraîne un phénomène d'accrétion, et donc les planètes naissent. Le phénomène d'accrétion s'accompagne d'une augmentation de la température. Zonation thermique dans les anneaux.

• Le phénomène d'accrétion s'acompagne d'une augmentation de la température. Il y a une zonation théorique des anneaux.

• La chaleure va vouloir sortir => Dégasage par une mer de lave, cela va mettre en place une atmosphère. La désintégration radioactive se produit dans la planète et va participer à l'augmentation de la chaleure interne.

Organisation de notre système solaire:

• les planètes telluriques : Mercure, Venus, Terre, Mars

• les planètes géantes (ou gazeuses) : Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune

• et le reste : Pluton et une barrière d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter

Le plus grand volcan : Mont Olympe (Mars) = 24km

Vénus = Planète soeur de la Terre mais avec des T° différentes. Il y a une tectonique des plaques. Il y en a eu sur Mars mais maintenant l'énergie thermique interne est trop faible.

L'avenir de notre système solaire :

• a très long terme → la mort du Soleil

• a moyen terme → la Terre aura brûlé toute son énergie interne

• a court terme → l'homme est une espèce particulière qui n'évolue plus dans les conditions naturelles de la planète Terre.

La Terre et sa structure :

⁃ La Terre est une planète thermiquement active

⁃ la densité de la Terre diminue avec la profondeur : stratification en densité => Formation d'un noyau. L'atmosphère est formé avant le noyau car le dégazage a lieu avant le refroidissement.

⁃ L'atmosphère est différencié avec des océans et des continents. Il y a un couplage atmosphère/Biosphère.

⁃ Quelle va être la première conséquence structurelle du refroidissement de la Terre?En se refroidissant la Terre va se différencier en atmosphère (océan et continent) et en géosphère

Origine de l'atmosphère : Dû au dégazage

⁃ l'atmosphère terrestre actuelle est essentiellement composée d'azote, d'oxygène et d'hydrogène, chlore, soufre et carbone...

⁃ Elle est resté sur la Terre car elle possède un champ de gravité : g = (G.M)/r²

⁃ Pour vaincre ce champ, une particule doit avoir une vitesse telle que son énergie cinétique soit supérieure à la force d'attraction terrestre : Vlib = √(2GM/r)

⁃ Sur Terre : Vlib = 11,2 km/s > Mars > Mercure > Lune.

⁃ La vitesse vient de :

• la température : V² = (2kT)/m (k=constante, m=masse, T=température), la vitesse moyenne de vibration des molécules est en moyenne comprise entre 3 et 5 km/s

• les isotopes des gaz rares (hélium, argon, néon, xénon) ont provoqué la création de l'atmosphère

• l'atmosphère terrestre ne provient pas de la nébuleuse solaire primitive, mais de l'intérieur de la Terre, avec un dégazage.

La géosphère : ce terme regroupe l'ensemble des enveloppes « solides » de la planète Terre (croûte, manteau, noyau) avec une densité croissante vers le centre, au centre de la planète le principal élément est le fer.

Les minéraux terrestres : dans quel état thermique la Terre était lors de la différenciation ?

• accrétion hétérogène : implique une condensation des éléments lourds en priorité. Donc synthèse thermique « froid »

• ou

• accrétion homogène : implique un système Haute-Température. Phénomène de différenciation. On est dans ce cas la pour la Terre.

⁃ La Terre primitive s’est formée par condensation et accrétion des gaz et poussières de la nébuleuse protosolaire: Elle a donc la même composition chimique que le soleil à l’exception des gaz (planètes telluriques trop peu massives). Le soleil outre hydrogène et hélium, contient essentiellement Si, O, Mg, Fe, S, Al et Ca : Composition des météorites chondritiques.

⁃ La nature des éléments constituants les planètes dépendent :

⁃ de la chimie de la nébuleuse (gaz)

⁃ de la T° (distance / Proto-étoile)

⁃ Les silicates: La base de la structure minérale des roches du globe terrestre

→ La composition des minéraux sur Terre n’est donc pas un hasard....

Différentes densités : 1 : eau ; 2-3-4 : Sédimentaires ; 5-6 : Minerais (Fer = 7)

On détermine les densités via la masse volumique

Modèle thermiques et pression :

Noyau = Graine (int) + Partie extérieure. Le noyau c'est formé avant la croûte (exp du lait)

L’accrétion homogène :

La différenciation du manteau et naissance de la croûte : Suite à la formation du noyau, le manteau va à son tour se différencier en 2 zones :

• Un manteau inférieur (=mésophère) silicaté et relativement homogène.

• Un manteau supérieur (=asténosphère) zoné et une croûte (partie superficielle, ~ 30km d'épaisseur), c'est le plus silicaté des 2.

• Inf + Sup = 3000 km

• Les plus vieux fragments de croûte continentale sont datés de 3,8 Milliards d'années.

• Le noyau a un rayon = à 3400 km

• Lithosphère = partie rigide de la Terre où il peut y avoir des cassures



LVZ : low velocity zone.

Viscosité : - de la glace : 1011 m²s-1

- de l'eau : 10-6 m²s-1

- du miel : 103 m²s-1

- du manteau : 1018 – 1021 m²s-1

La croûte :

• Dans le langage courant, le rivage sépare le continent de l’océan. Mais, du point de vue géologique, la frontière océan-continent est située sous la mer, à la limite entre deux types de croûtes terrestres

• La croûte continentale, généralement émergée, mais submergée en bordure des continents par :

• La croûte océanique, qui forme le plancher de l’océan profond.

• La limite entre ces deux sortes de croûte est imposée par le mouvement des plaques tectoniques.



1. La croûte continentale : (environ 30km de profondeur)

⁃ le sable : exemple le quartz :

⁃ Minéral incolore la plupart du temps (Cristal de roche). Peut présenter de nombreuses colorations (ex: Amethyste, Quartz rose...).

⁃ Elément constitutif des roches éruptives (Granites), sédimentaires (Grès, Quartzites) et métamorphiques (Gneiss)

⁃ le calcaire : par exemple LES FELDSPATHS: Calco-sodiques ou PLAGIOCLASES: Alcalins ou ORTHOCLASES :

⁃ Minéral blanc opaque la plupart du temps. Peut présenter des colorations rosées, jaunâtres ou verdâtres lui donnant un aspect « sale ».

⁃ Éclat vitreux le différenciant du quartz translucide.

⁃ Élément constitutif des roches éruptives (Granites), sédimentaires (Grès, Quartzites) et métamorphiques (Gneiss).

⁃ L'argile comme les micas :

⁃ Minéraux hexagonaux, en lamelles (aspect feuilleté).

⁃ Élément constitutif des roches éruptives (Granites) et métamorphiques (Gneiss).

⁃ Mica blanc ou Muscovite : Minéral blanchâtre la plupart du temps. Peut présenter des colorations grisâtres ou jaunâtres.

⁃ Mica noir ou Biotite : Minéral brun foncé à noir la plupart du temps. Peut présenter une teinte vert sombre.

QUARTZ + FELDSPATH + MICAS GRANITE

Le granite est issu d'un métamorphisme à partir de sable

1. La croûte océanique (envrion 10km): est elle à l'interface avec l'hydrosphère, elle est donc riche en hydroxydes (OH) et les minéraux hydratés pourront y être stables.

⁃ les pyroxènes : comme l'Augite (Clinopyroxène) ou l'Hyperstène (Orthopyroxène)

⁃ Minéraux vert foncé ou noir. Eclat vitreux.

⁃ Prismes trapus ou allongés (aspect plus lamellaire pour l’orthopyroxène)

⁃ Élément constitutif des roches volcaniques

⁃ Les amphiboles comme l'Hornblende et l'Actinote :

⁃ Minéraux vert foncé ou noir. Éclat vitreux. Difficiles a différencier des pyroxènes macroscopiquement

⁃ Prismes trapus ou allongés (aspect plus lamellaire pour l’orthopyroxène)

⁃ Élément constitutif des roches volcaniques

⁃ Se différencient des pyroxènes par la présence d’un groupement OH (minéraux hydratés)

FELDSPATHS + AMPHIBOLES + PYROXENES GABBRO

1. Le manteau lithosphérique :

⁃ L'olivine : Minéral vert jaunâtre à vert bouteille. Éclat vitreux, légèrement gras. Élément constitutif des gabbros, basaltes et roches du manteau.

⁃ → OLIVINE + PYROXENES + Minéral Alumineux → PERIDOTITE

Changement du minéral contenant de l'Aluminium en fonction de la profondeur :

Le noyau : il est constitué de Fe et Ni (+ S en faibles proportions)

Partie 2 : La Terre

La Terre est constituée de 2 parties :

• L'atmosphère : structure gazeuse

• La géosphère : structure solide

L'atmosphère peut présenter de très grandes variabilités observables par l'homme comme par exemple les ouragans, les tempêtes, les tornades et les cyclones.

Mvt atmosphérique = mvt d'origine thermique dû au climat

Climatologie = étude des variations de températures à la surface du globe

Si l'on regarde la Terre de l'espace on peut observer des continents et des océans.

Le volcanisme :

Les aurores boréales = intéractions particules solaire / le champs magnétique

L'énergie thermique :

L'énergie thermique provient :

• d'un apport thermique interne :

◦ L ’énergie d ’accrétion

◦ L ’énergie de différenciation => svt exothermique

◦ L ’énergie radioactive

• d'un apport thermique externe : le Soleil

Flux moyen de chaleur sur la Terre :

Flux spatialement hétérogène avec un fort gradient ; rouge = dorsale océanique, lieu de manifestations volcaniques ; vert = faible flux, continent et surtt centre des plaques

La désintégration radioactive est la source d ’énergie principale. Les concentrations en éléments radioactifs ne sont pas uniformes dans la Terre. La production de chaleur interne par la radioactivité est un mécanisme durable car la période des éléments producteurs est au minimum de 700 Ma.

La chaleur libérée pour les différentes enveloppes terrestres (en 1012 W) :

Élément

Croûte Continentale

Croûte océanique

Manteau

Noyau

Total (UTHK W.kg-1)

3,9.10-10

1,7 .10-10

0,053 .10-10

7,0.10-15

Masse (kg)

1,38.1022

6,90.1021

3,70.1024

2,32.1024

Chaleur libérée (W)

5,11

1,16

19,1

0,02

La redistribution des éléments au cours de leur désintégration et le refroidissement de notre planète Conduisent à la différenciation de la planète et donc à la Stratification en densité de la planète. La Terre perd de la chaleur au profit de l’extérieur.

Les modes de transport de l’énergie thermique :

• Le transport par rayonnement thermique

• Le transport conductif

• Le transport convectif.

1. La chaleur s’écoule des parties les plus chaudes vers les parties les plus froides.

2. Le flux de chaleur est la quantité de chaleur, en Joule, traversant l’unité de surface par unité de temps (J.s-1.m-2 = W.m-2 )

Le rayonnement thermique : tout solide est le siège de vibrations thermiques et donc d’une énergie interne. Une partie de cette énergie est véhiculée (transportée) sous forme d’ondes électromagnétiques. Le rayonnement thermique est la seule façon de transférer de la

chaleur sans contact. Φ = σ.T4.S

Le flux de chaleur par unité de surface en provenance du Soleil et arrivant au sommet de l’atmosphère pour l’ensemble de la Terre est de 340 W.m-2. Le rayonnement incident est caractérisé par des longueurs d’onde courtes : 0,1 à 10 μm.

1 m 100μm 0.7μm 0.4μm 10-2μm 10-5μm 10-7μm

Domaine Radio

Infrarouge

Optique

Ultra-violet

Rayons X

Gamma

La Terre absorbe de la chaleur incidente, mais en perd aussi du fait qu’elle possède de l’énergie thermique interne (source radioactive). Cette restitution se fait par émission infrarouge. Conduction et convection sont également utilisées.

La conduction thermique (J-B. Fourier, 1822) : La chaleur se propage des zones chaudes vers les zones froides. Le mécanisme physique qui est à la base de la diffusion thermique (ou conduction) est associé à la vibration du réseau cristallin. Chaque corps est caractérisé par un paramètre physique, la conductivité Thermique, k. Elle mesure l ’efficacité à conduire la chaleur. Ce mode de transport s ’observe préférentiellement dans le solide et ne nécessite aucun déplacement de la matière.

Matière

Conductivité thermique

k (W.m-1.K-1)

Eau

6

Argent

418

Bois

0,1

Granite

27

Basalte

22

Calcaire

24,8

Péridotite

3,1

On utilise parfois un autre paramètre pour traduire cette capacité à diffuser la chaleur : la diffusivité (κ) → κ = k / (ρ.Cp) en m2.s-1 proportionnelle a la conductivité et rapporté a la masse volumique

Pour une croûte de 20 km d ’épaisseur, le temps caractéristique pour qu’un flux de chaleur introduit à la base induise un effet à la surface sera : t ≈ ΔL2 / κ = (400.106) / (7,8.10−7) ≈ 16 Ma

La résolution de l’équation de la chaleur pour un transport purement conductif suivant la profondeur ‘z’ et sans source de chaleur interne s’écrit : (∂2T)/(∂z2) = 0 → T = a.z + b + Conditions limites

Question : Dans ce cadre : quelle est la valeur de la Température au centre de la Terre si on considère que la température en surface est Ts = 15° C et que la densité de flux de chaleur moyen est de 70 mw/m2 ? Indication : la densité de flux de chaleur s’écrit : ∂T/∂z

La convection (Bénard, 1900; Rayleigh, 1916) : Si la diffusion thermique n’est pas efficace pour évacuer la chaleur interne, la température interne augmente et un autre mode se met en place : la convection. On a alors modification des caractéristiques mécaniques du corps. La matière chaude se met en mouvement et assure directement le transport de la chaleur vers le milieu le plus froid : Le régime devient convectif.

Dans une cavité chauffée par le dessous, une particule de fluide ne s’élèvera dans le champ de gravité que si la force d’Archimède est supérieure aux forces visqueuse et de diffusion thermique.

Le rapport de ces forces est égale à un nombre sans dimension : le nombre de Rayleigh

Ra = (αρgΔT.H3) / κμ avec μ : viscosité dynamique, g : gravité, ρ : masse volumique.

Il existe un Ra critique à partir duquel la force d ’Archimède est suffisamment forte pour qu’un mouvement de matière apparaisse.

La convection s’établit dès que le nombre de Rayleigh Ra >> Rac. En dessous de cette valeur, il n’y a pas de mouvement, le transfert thermique est purement conductif.

Les caractéristiques physico-chimiques du manteau :

On a calculé Rac = 1700

1. Dans l'ensemble du manteau terrestre

• α = 3.10-5 K-1,

• k = 3 W.m-1.K-1

• ν = 3.1017 m2.s-1

• C = 103 J. kg-1.K-1 Ra = 5.108

• κ = k/ρCp = 10-6 m2.s-1

• g = 10 m.s-2

• d = 2,9.106 m

1. Dans le manteau supérieur : d = 670 km → Ra = 5.105

Les mesures de la température :

Profondeur

Température

Lieu

30 km

700 °C

base de croûte Continentale

70 km

1000° C

100 km

1350° C

base de lithosphère

670 km

1600° C

limite manteau Inférieur / Supérieur

2900 km

4700° - 5500° C

limite manteau / noyau

5100 km

5500° - 7200° C

limite noyau / graine

6380 km

6600° ± 1000° C

centre de la Terre

Convection dans le manteau :

Question : Les plaques lithosphériques traversent-elles la discontinuité physico-chimique à 670 km ?

Si elles traversent on peut admettre qu'il n'y a qu'un seul cellule de convection localement. Cependant on observe des endroits avec 2 cellules (Japon) et d'autres avec 1 cellule (Amérique). On en conclu que la Terre a un système à 2 cellule mais du fait de la dynamique en surface, elle peut localement avoir des types de convection à 1 cellule qui durera autant de tps que la plaque met pour se réchauffer.

Les couplages internes :

1. La convection terrestre est-elle à l’origine du déplacement des plaques tectoniques ?Les plaques se déplacent sous l’effet de forces. Deux origines existent :

• le champ de pesanteur qui agit sur la lithosphère en fonction des variations de masse volumique qui y existent.

• Les mouvements de convection mantellique qui agissent sur la lithosphère du fait du couplage thermomécanique qui peut exister avec l ’asthénosphère.

• On distingue ainsi des forces motrices et des forces de résistance qui sont entraîné par les cellules de convection (couplage visqueux), par glissement gravitaire et par traction gravitaire par la partie plongeante de la plaque

1. Le noyau :

Le Champ Magnétique de la Terre :

• un dipôle géocentré : on peut dire que 90% du C. M. T (?) actuel peut être représenté par un dipôle, les 10% restant forme ce que l’on appelle un champ non-dipôlaire. L’axe de ce dipôle est incliné de 11,9° par rapport à l’axe des pôles Géographiques.

• Le champ géomagnétique évolue continuellement dans le temps et dans l’espace :

• les fluctuations d’origine interne :

▪ Variations séculaires (100 ans et un peu +).

▪ Les excursions géomagnétiques (durée du phénomène ≈ 4 000 ans)

▪ Les inversions géomagnétiques (durée du phénomène ≈ 20 000 ans)

• Les fluctuations d’origine externe (solaire) : Fluctuations journalières, mensuelles, annuelles.

• L’interaction entre le vent solaire et le CMT conduit à la déformation de la Magnétosphère : Les particules solaires interagissent avec les lignes de champ magnétique par L ’intermédiaire de la Force de Lorentz : F (vecteur)= q.v(v) H(v). Les orages magnétiques résultent de cette interaction. Les aurores polaires sont les témoins de ces collisions entre les particules solaires et le CMT (émission de photons).

L ’origine du champ géomagnétique : Le champ principal est d’origine interne. Il trouve sa source dans les mouvements de matière situés dans la partie liquide du noyau et cela pour plusieurs réponse :

• Le noyau est constitué de Fer à 80 % (+ S, Ni, O, Si)

• Il est structuré en 2 parties : une graine solide et une enveloppe liquide. La graine cristallise au dépend de la partie liquide.

• Cette cristallisation s’accompagne de mouvements de matière.

• Les températures élevées dans le noyau (4000° - 5000° C) peuvent maintenir le métal du noyau à l’état fondu malgré les fortes P° qui y règnent (environ 200 GPa) (Ra ~1025)

Quelle est la nature des forces capables de générer et maintenir les mouvements de matière du noyau ?

• Les gradients thermiques qui génèrent des mouvements de convection.

• Les gradients de concentration qui résultent de la cristallisation de la graine au dépend du noyau liquide.

• La rotation de la Terre. Elle a pour conséquence de structurer l’écoulement, mais pas de l’entretenir.

L’ensemble de ces mouvements crée le C.M.T par combinaison d’un effet dynamo et d’un effet électroaimant :

• L ’effet dynamo crée un courant électrique par induction au sein d’un conducteur se déplaçant en présence d’un champ magnétique produit par un aimant permanent.

• Un électroaimant génère un champ magnétique à partir d’un courant circulant dans un conducteur..

La combinaison des deux effets permet de produire et d’entretenir un Champ Magnétique Terrestre (Larmor, 1919).

Question : Existe-t-il un couplage Noyau - Manteau ? Mais comment le phénomène d’inversion peut-il alors se produire ?

On a qu'une hypothèse : Les plaques froides vont descendre sur le noyau et l'énergie interne de celui-ci ne pourra plus être évacuer et va devenir supérieur aux forces de Coriolis => Le champs magnétique va devenir nul. Ensuite la couverture va céder et il va y avoir formation de point chaud et les mouvements vont se réogarniser, soit dans le même sens, soit dans le sens inverse.

Les relations entre noyau et le manteau :

La couche D’’ a une épaisseur est comprise

entre 100 et 300 km et est caractérisée par une

variation importante de la T°, et de la Pression. Sa topographie semble varier beaucoup.

Conclusion : Ce qu’il faut retenir c’est que la dynamique interne de la Terre est contrôlée par son refroidissement et donc par les modes de transport de l’énergie thermique mais à des conséquences géophysiques : le volcanisme, le mouvement des plaques lithosphériques (donc indirectement les séismes, les chaînes de montagne), le champ magnétique terrestre et des variations du champ de gravité terrestre

Le couplage Interne – Externe :

Il est évident que les différentes structures de la géosphère interagissent ensemble, on peut exclure le couplage entre la dynamique interne et la dynamique externe (atmosphère, océan, climat). La présence d’un relief qui résulte de la tectonique des plaques (et donc de la convection mantellique,…) influence sur le déplacement des masses atmosphériques ou océaniques et donc sur le climat.

Le Bilan énergétique terrestre :

• Que reçoit la Terre : 100

• Que renvoie la Terre : 20+10+70 = 100

• Que reçoit et absorbe le sol : 50+100=150

• Que réémet le sol : 120+30=150

• Que reçoit et absorbe l'atmosphère : 20+120+30 = 170

• Que réémet l'atmosphère : 100+70=170

A L’EQUILIBRE : T° moyenne de la Terre = 13°C (résulte des échanges entre l'atmosphère et le sol sinon on aurait -18°C)

Il existe un déséquilibre entre l'énergie émise et celle qui réémise (on a pas 100% émis = 100% reçus)

Le bilan radiatif :

• Le rayonnement incident venant du Soleil est caractérisé par des longueurs d’ondes courtes :

◦ 42,4 % dans le visible

◦ 48,4 % dans l’infrarouge (les infrarouges restent piégé dans l'atmosphère car il ne peut pas en sortir)

• Les gaz et les particules de l’atmosphère qui ont absorbé une part du rayonnement solaire émettent en retour de l’énergie dans les longueurs d’onde de l’infrarouge. Ca va fournir plus d'énergie que ça en a reçu. Cette quantité de rayonnement dépend de celle du CO2, vapeur d’eau...

• La surface du sol absorbe une partie de l’énergie incidente, s‘échauffe et émet en retour un rayonnement infrarouge vers l’atmosphère.

• Sur les 340 W/m2 qui arrive :

• réflexion : 100 W/m2

• Absorption atmosphérique : 80 W/m2

• arrive au niveau du sol : 160 W/m2

• Effet de Serre : capacité à emmagasiner de la chaleur mais aussi de la diffuser.

Ces deux effets font que la surface de la Terre reçoit plus d’énergie que le Soleil n’en envoie réellement. La température moyenne en surface est de ce fait supérieure à la température théorique d’équilibre avec celle de l’espace. La température de surface devrait être de -18°C alors que la T° moyenne du globe est de +13° C. cela est du à l'effet de Serre.

Conclusion : La Terre devrait s’échauffer, ce qui n’est pas le cas. On a donc des processus qui dissipe l’énergie : Conduction, convection, évaporation de l’eau (échange continu entre les changement de phase de l'O2).

• Ce sont ces phénomènes (conduction, convection, évaporation) qui vont être à l’origine des mouvements de l’atmosphère (le vent) et à la base du climat terrestre.

• Ce sont ces processus qui vont permettre d’équilibrer le bilan énergétique externe de la Terre

• La combinaison du processus d’évaporation de l’eau et de la gravité constitue la base du cycle de l’eau.

N.B : 6400 km d'épaisseur pour la Terre dont 50 km d'épaisseur pour l'atmosphère

La circulation atmosphérique :

L’atmosphère est un fluide mince (troposphère + stratosphère : 50 km). Donc au premier ordre les mouvements de l’atmosphère sont horizontaux. Or, un écoulement plan est sensible au premier ordre qu’à la rotation du Plan autour de la verticale locale.

La différence de rotation locale entre les différents points du globe conduit :

• une région de faible rotation centrée sur l’équateur

• deux régions de forte rotation aux pôles Nord et Sud.

La circulation tropicale est caractérisée par un « rouleau » de part et d’autre de l’équateur météorologique : la cellule de Haddley. → →

Influence de la force de Coriolis : F = 2m V ∧ Ω

Dans les régions équatoriales l’air échauffé au contact des eaux océaniques s’élève rapidement et verticalement. Cet air chargé de grande quantité de vapeur d’eau va se condenser et donner des précipitations importantes : Zone de Convergence Intertropicale.

Variation diurne du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre : On suit au fil de la journée le réchauffement des continents. On observe la signature de la zone de convergence intertropicale riche en nuages et située près de l'équateur. Cette bande apparaît plus claire, le sommet des nuages étant plus froid que les surfaces océaniques et continentales. Aux latitudes plus élevées (Nord et Sud), la circulation est principalement

Sous la forme d’ondes et de tourbillons.

La circulation atmosphérique globale :

Ainsi, l’échauffement plus important des zones équatoriales par rapport aux zones polaires est à l’origine d’une circulation générale lentes des masses d’air. L’effet locale de la rotation terrestre va engendré une structuration de la circulation en 3 cellules dans chaque hémisphère.

L’air ascendant à l’équateur et aux latitudes d’environ 60° N et S génère des basses pressions.

L’air descendant aux latitudes d’environ 30° N et S et aux pôles correspond aux zones de hautes pressions.

Près du sol, l’air s’écoule des HP vers les BP, avec une déviation vers la droite dans l’HN et vers la gauche

dans l’HS due à la force de Coriolis.

La circulation atmosphérique s’organise ainsi pour réduire les contrastes entre régions excédentaires et déficitaires en énergie.

L’hydrosphère : La circulation océanique :

La Terre est la seule planète du système solaire qui possède une température de surface qui permette à l’eau d’y exister sous trois formes : solide, liquide et gazeuse. L’estimation de la quantité d’eau sur la Terre est difficile. Suivant les estimations, il semble que les eaux océaniques représentent 65,4 % de l’eau totale présente sur Terre.

La vitesse de renouvellement est très différente suivant les réservoirs.

• Océans : 3172 ans,

• Atmosphère : 5 mois,

• Rivières et lacs : 5,6 ans

• Eau interstitielle : 8250 ans

La circulation océanique :

L’océan est le siège de nombreux mouvements dont la source provient des actions conjuguées de l’énergie solaire, du vent, de la rotation de la Terre et de l’attraction lunaire. Par ailleurs, du fait que l’axe de rotation de la terre ne soit pas perpendiculaire à l’écliptique fait que l’ensoleillement n’est pas régulier à la surface de la Terre. Les eaux s’échauffent à l’équateur, se dilatent et ont tendance à s’écouler vers les pôles. Au niveau des pôles, les masses d’eau froide s’alourdissent et s’enfoncent sous les masses d’eau plus chaude.

L’océan, une immense « machine thermique » : La majeure partie de la chaleur solaire reçue par notre planète est emmagasinée dans les océans. Ils constituent donc un très grand réservoir de chaleur : impact sur le climat. Les régions équatoriales reçoivent davantage de chaleur que les régions polaires. D’où une circulation océanique qui transporte de la chaleur de l’équateur vers les pôles où elle est échangée avec l’atmosphère.

Circulation profonde : Dans les zones intertropicales la température de l’atmosphère, et donc des eaux de surface de l’océan, est élevée . L’eau s’évapore, et ce déficit est compensé par la remontée d’eaux profondes : circulation des Upwellings. Cette circulation assure le transfert entre les masses océaniques profondes et celles de surface. Les courants marins peuvent également être entretenus ou créés par la variation de salinité entre la surface et le fond de l’océan.

Circulation de surface : Les mouvements de masses d’air entre BP et HP engendrent des courants de surface qui sous l’effet des forces de Coriolis tourne dans le sens horaire dans l’HN et dans le sens anti-horaire dans l’HS. Exemple : Le Gulf Stream (courant chaud) naît dans la zone intertropicale, vient réchauffer les eaux côtières européennes tandis que celui du Pérou, d’origine antarctique, vient refroidir les eaux côtières sud-américaines. Cette seconde circulation est donc de surface. Elle assure les transferts entre les eaux de hautes et de basses latitudes. Par ailleurs, autour de l’Antarctique, les vents d'ouest dominants et réguliers, induisent un courant circum-polaire.

D’une manière générale on distingue :

• Les courants de surface dont la profondeur n’excède pas 100 m et dont le moteur principal est le vent.

• Les courants profonds qui résultent de la plongée des eaux froides denses et salées issues de l’Atlantique nord ou de l’Antarctique.

• Les upwellings équatoriaux provoqués par la remontée d’eau froide destinée à compenser les effets de l’évaporation.

• Les upwellings côtiers dus aux vents soufflant parallèlement à la côte ou à des courants côtiers.

• Climat et Circulation océanique s’influencent mutuellement : Cette interaction se fait au travers d’un couplage mécanique et thermique. L’océan jour le rôle fondamental d’échangeur de température et de régulateur du climat. Réciproquement, la variation de certains paramètres atmosphériques (pression ou température) peut agir sur la pellicule superficielle des océans et par rétroactions sur les phénomènes climatiques

Une conséquence ce couplage : El Nino : Le phénomène El Nino est un phénomène qui appartient d'abord au Pacifique. Il a une influence marquée sur les masses continentales péri-Pacifique, mais aussi quelques influences sur les autres régions du globe. Il met bien en évidence l'interaction atmosphère-océan.

En temps Normal :

• La surface de la mer est plus élevée à l’ouest, en Asie, qu’à l’est, le long des côtes sud- américaines.

• Les alizés repoussent les eaux de surface du Pacifique vers l’Australie et les Philippines, créant à l’ouest du Pacifique un réservoir d’eau chaude.

• En traversant l’océan, ces vents se chargent d’humidité, qu’ils libèrent sous forme de fortes pluies sur ce réservoir d’eau chaude.

• A l’autre extrémité, le long des côtes du Chili et du Pérou, des eaux froides, riches en sels nutritifs, remontent à la surface (phénomène appelé “upwelling”) et favorisent, entre autres, la multiplication des anchois.

Si la pression près de l’Indonésie se met à augmenter et celle près de l’Amérique du sud diminue, les alizés commencent à perdre de leur vigueur dans le centre et l’ouest du Pacifique, voire disparaître.

• La zone des précipitations et des cyclones se déplace également vers l’est, provoquant des pluies abondantes et inondations sur la côte ouest de l’Amérique du Sud et les îles du centre du Pacifique.

• La thermocline se redresse. Les eaux froides ne peuvent plus remonter le long des côtes du Chili et du Pérou (absence d’“upwelling”). Les eaux restent chaudes et avec la disparition des sels nutritifs, les espèces marines se raréfient brutalement.

La Nina : La surface de la mer est encore plus élevée à l'ouest qu'à l'est. La pente de la thermocline s'accentue aussi, s'enfonçant à l'ouest et se relevant encore plus à l'est.

1. Il y a renforcement des alizés qui, en réduisant le réservoir d’eau chaude, créent des conditions plus froides que la normale dans le Pacifique Tropical. Le climat est plus sec au large des côtes américaines.

2. La zone des précipitations se positionne plus à l’ouest, avec des pluies abondantes sur l’Indonésie.

3. Il y a intensification de l’upwelling le long de la côte ouest de l’Amérique du Sud; les anchois prolifèrent.

El Nino : Il est alors très difficile de dire qui, du vent ou de la mer, a initié ce phénomène, ni qui le fera se renverser. C'est un jeu d'action-réaction. Les alizés redeviendront plus forts entraînant les eaux chaudes de surface vers l'ouest et les eaux froides des profondeurs remonteront le long de l'équateur vers l'est; c'est "La Nina" (la fille) ou "El Viejo" (le vieillard).

En simplifiant, on peut dire qu'El Nino résulte d'un dérèglement atmosphérique qu'on arrive mal à expliquer et qui revient périodiquement. Si l’atmosphère et l’océan étaient immobiles, le contraste de température entre les régions de hautes latitudes et de basses latitudes serait beaucoup plus fort.

Les échanges thermiques entre la géosphère et l’atmosphère + L’influence du Soleil → règlent le climat et le déroulement de la vie sur Terre

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