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Texte intégral

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N. Daniault UBO Climat 1_ 1

UE libre UBO UE libre UBO

CLIMAT : CLIMAT : Pass

Passé é, pr , pré ésent, futur sent, futur

Chapitre 1

Quelques définitions et concepts fondamentaux

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L’é L ’énergie nergie

De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergie pour se nourrir, se mouvoir. Celle-ci existe sous plusieurs formes. Aujourd’hui, la technologie permet d’en produire en grande quantité, en utilisant toutes les ressources possibles (fossiles, eau, vent, soleil…).

À l’aube du XXIe siècle, l’énergie reste un enjeu majeur, tant au niveau politique, économique, scientifique qu’environnemental…

Parmi les diverses propriétés des objets matériels, l’énergie est l’une des plus importantes, mais aussi l’une des plus abstraites car elle n’est pas

directement tangible.

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L’é L ’énergie nergie

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L'énergie est un concept créé par l’homme pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques.

Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique:

Un moteur à explosion fonctionne grâce à une réaction chimique : la combustion (ou « explosion ») qui a lieu à l'intérieur d'un cylindre. La réaction du combustible

(l'essence) avec le comburant (l'oxygène de l'air) produit du gaz avec émission de chaleur et de lumière, ce qui se traduit par une augmentation de la température et de la pression dans le cylindre ; la différence de pression entre ce gaz et l'atmosphère de l'autre côté du piston déplace ce dernier, qui va, à travers une transmission mécanique, faire tourner les roues ainsi qu'un alternateur qui va produire de l'électricité. Au passage, il y aura des frottements mécaniques qui produiront un échauffement et une usure.

L’é L ’énergie nergie

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L’é L ’énergie nergie

Dans le sens commun l'énergiedésigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.

L'énergie est une quantité qui se conserve: L'énergie dans un système est donc d'office conservée, par principe, et si elle diminue, c'est qu'une partie en est sortie... ou qu'elle s'est transformée en quelque chose qu'il nous faut identifier : chaleur, mouvement, rayonnement, etc. ..

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Unités de mesure de l l’é ’énergie nergie

L’énergie est mesurée en unités du travail :

• • Joule: 1 J = travail effectué par une force de 1 N pour Joule déplacer un corps sur une distance de 1 m (W=F.l)

ou travail effectué pour arrêter une masse de 2 kg qui se déplace à une vitesse de 1 m s

—1

( Ec=1/2mv

2

)

ou travail fourni pour soulever une pomme d’une masse de 102g d’une hauteur de 1m (Ep=mgz avec =g=9,81m/s

2

).

• • Calorie: 1 Cal = quantité de chaleur nécessaire pour Calorie

augmenter la température de 1 g d’eau pure de 1 K, pour des conditions expérimentales choisies : niveau de la mer (pression 1 atm) et température normale (15°C).

1 Cal = 4,185 J

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Formes d d’é ’énergie nergie

Energie thermique

Energie thermique ou chaleur:forme d’énergie au même titre que le travail d’un système de forces au cours d’un déplacement. Il s’agit forcément d’un échange d’énergie entre plusieurs corps au cours d’un laps de temps déterminé. Cette forme d’énergie est associée à la température (qui mesure l’agitation désordonnée des molécules et des atomes) et à la phase (solide, liquide, vapeur) d’une substance.

Energie des ondes

Energie des ondes éélectromagnlectromagnéétiquestiques: transportée par les photons (lumière, ondes radio, rayons X et γ...) ou par des particules chargées (énergie électrique). Quand cette forme d’énergie atteint un corps ou une substance, la totalité ou une partie est convertie en énergie thermique.

Energies nucl

Energies nuclééaire/atomique/molaire/atomique/molééculaireculaire: Au niveau microscopique, l'énergie nucléaire est l'énergie associée à la force de cohésion des nucléons au sein du noyau des atomes.

Les transformations du noyau libérant cette énergie sont appelées réactions nucléaires.

Au niveau macroscopique, l'énergie nucléaire correspond, d'une part à l'énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire au sein des étoiles, d'autre part aux usages civils et militaires de l'énergie libérée lors des réactions de fission ou de fusion du noyau atomique.

É

Énergie cinnergie cinéétiquetique: l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement.

É

Énergie gravitationnellenergie gravitationnelle: énergie associée à la capacité de produire du travail par une variation de la position d’un corps par rapport au champ de gravitation (i.e.,changement d’altitude ou de hauteur).

Energie chimique

Energie chimique: énergie liée à la capacité de produire du travail par des interactions chimiques (en formant ou rompant des liens chimiques).

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La chaleur chaleur

La chaleur

La chaleur: flux d’énergie thermique entre des corps ou systèmes différents.

La chaleur s

La chaleur s’é’écoule des corps les plus chauds vers les corps les plus froidscoule des corps les plus chauds vers les corps les plus froids à travers les processus de conduction, convection et/ou rayonnement.

.

conduction Convection Rayonnement

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La temp tempé érature rature

La physique statistique montre que la températureest la manifestation, à l'échelle macroscopique, du mouvement des atomes et molécules. Elle est directement liée àl'énergie cinétique moyennedes constituants microscopiques de la matière.

Deux corps en contact ont tendance àégaliser leurs températures, par échange de chaleur(équilibre thermique). Les thermomètres fournissent une mesure de la température en utilisant des phénomènes comme la variation de la pression des gaz, ou la dilatation thermique de corps (thermomètre à mercure).

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Pourquoi parler d’énergie et de chaleur ?

Parce que l’équilibre de notre climat dépend essentiellement du bilan d’énergie entre le Soleil (notre source primordiale d’énergie) et le système climatique terrestre.

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Tous les sous-systèmes climatiques ont une source d’énergie qui alimente leur fonctionnement ou l’interaction entre les uns et les autres. Cette énergie provient soit de l l’é ’énergie gravitationnelle nergie gravitationnelle (moteur des marées par exemple) soit de

l

l’é ’énergie solaire nergie solaire.

L’énergie solaire, sous forme d’ondes électromagnétiques (rayons ultraviolets, visibles et infrarouges) traverse une distance d’environ 150 millions de kilomètres pour réchauffer la surface de notre planète et alimenter les sous-systèmes climatiques fluides (air, eau, glace) et la majeure partie de la biosphère.

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l l’é ’énergie gravitationnelle nergie gravitationnelle

En 1687 Newton émet une hypothèse géniale mais très risquée: la Lune tombe sur la Terre comme une pomme ou n'importe quel objet, mais la vitesse initiale de la Lune (perpendiculaire à la direction Terre Lune) fait que la trajectoire finale de la Lune est une courbe fermée autour de la Terre. Il a ainsi montré que deux effets apparemment très différents (la pesanteur et le mouvement des corps célestes) sont en fait le résultat d'une seule et même cause: la gravitation universelle, dont il énonce la loi (proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance).

La loi de la gravitation universelle de Newton est toujours utilisée pour calculer les effets de la gravitation dans des situations normales.

le champ gravitationnel créé par une masse M (en kg) située à une distance d (en m) est donné par :

g=6,67.10-11M/d2

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l’é l ’énergie gravitationnelle nergie gravitationnelle

La force d'attraction subie par une masse m (en kg) est alors:

F=mg

Notre poids sur terre P=mg0=mx9,81 N

Néanmoins, la loi de Newton n'est qu'une approximation d'une théorie plus fondamentale. En effet, au début du siècle, certains désaccords très faibles furent découverts entre des

observations astronomiques et les prédictions de cette loi.

De plus, cette loi suppose une interaction à distance instantanée, en désaccord total avec les lois de la relativité restreinte, énoncées en 1905 par Albert Einstein.

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l’é l ’énergie gravitationnelle nergie gravitationnelle

La manifestation la plus courante de la gravité est bien sûr la pesanteur, c'est à dire l'attraction entre la Terre et les objets qui sont à proximité.

A partir de la formule de Newton, on peut calculer le champ gravitationnel à la surface de la Terre, c'est à dire à une distance de 6400 km d'un objet de 6.1024kg. Le résultat est g=9,8 m.s-2, valeur bien connue qui permet de calculer le poids d'un objet à la surface de la Terre.

La pesanteur est un phénomène extrêmement important pour la vie courante:

Si la Terre n'attirait pas les corps matériels à elle, l'atmosphèrese serait depuis longtemps dissipéedans le vide interplanétaire. Et sans atmosphère, la vie ne serait pas apparue sur Terre... La Lune, beaucoup plus légère que la Terre ne produit pas un champ gravitationnel suffisant pour retenir les gaz, c'est pourquoi elle n'a pas d'atmosphère.

C'est aussi par contraction gravitationnelle que les étoiles se contractent suffisamment pour allumer en leur coeur des réactions nucléaires et donc de rayonner de l'énergie. C'est donc en partie grâce à la gravitation que le Soleil brille.

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l’é l ’énergie gravitationnelle nergie gravitationnelle

Une autre manifestation courante de la gravitation est évidemment le mouvement des étoiles et des planètes, et notamment le mouvement du système Terre Lune. La gravitation est responsable de ce mouvement mais aussi d'une conséquence très courante de cette liaison : les marées. La Terre n’est pas un référentiel d’inertie: il faut considérer que la Terre et la Lune tournent ensemble autour d'un point central, qui est le centre de masse du système Terre Lune (comme une haltère):

La Lune attire plus l'eau des océans du côté exposé à la Lune (force inversement

proportionnelle à la distance). Mais comme la Terre tourne autour du centre de gravité Terre Lune, la force centrifuge rejette l'eau des océans à l'opposé du côté exposé à la Lune. Ce sont ces deux phénomènes (attraction gravitationnelle de la Lune et force centrifuge) qui sont responsables des marées.

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La Pression La Pression

En physique, on définit la pression, notée p, comme le quotient d'une force (F) sur l'aire de la surface (S) sur laquelle elle s'applique :

p=F/S

Dans le système métrique international, l'unité de mesure de la pression est le pascal (Pa) : une pression de 1 pascal correspond à une force de 1 newton exercée sur une surface de 1 m2.

L'appareil de mesure de la pression est le manomètre. Pour la pression atmosphérique, on utilise le baromètre.

La pression atmosphérique correspond au poids de la colonne d’air située au dessus de notre tête par unité de surface soit en moyenne

Patm=105Pa = 1bar=1000hPa.

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La vie a très probablement trouvé son origine dans les sous systèmes climatiques fluides (air et eau). La vie puise des éléments chimiques de ces fluides et de la lithosphère (terre solide).

Les frontières entre sous-systèmes peuvent être assez floues : par exemple le sommet de l’atmosphère, qui se situe à une centaine de kilomètres de la surface terrestre, fusionne imperceptiblement avec l’espace interplanétaire. L’eau, l’air et, au niveau des régions polaires, la glace, s’étendent de quelques kilomètres au dessus de la surface terrestre.

Les flux de matière et d’énergie entre les sous-systèmes climatiques sont continus.

Concept d d’ ’interaction interaction

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Le syst

Le systè ème climatique me climatique pris dans son ensemble pris dans son ensemble

Les disciplines classiques comme la biologie, la météorologie, l’océanographie et la géologie, s’intéressent spécifiquement à l’étude des sous-systèmes climatiques, si bien que souvent les scientifiques ont divisé dans le passé, de manière un peu arbitraire, le système terrestre en compartiments correspondant à chaque discipline. Cette séparation d’un système complexe en sous- systèmes comporte le danger d’obscurcir certaines propriétés du système global.

Dans ce cours nous chercherons à discuter le plus possible du système climatique considéré dans sa globalité, et nous ferons intervenir (de manière assez descriptive) des concepts des diverses disciplines (physique, biologie et géologie) de manière à comprendre les processus qui régissent le climat de notre planète ainsi que son histoire.

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