• Réception du rayonnement solaire à la limite de l’atmosphère

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S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 33 S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 34

• Réception du rayonnement solaire à la limite de l’atmosphère

• Processus d’appauvrissent du rayonnement solaire par les différentes couches atmosphérique

– Réactions entre des parties spécifiques du spectre électromagnétique solaire et les divers gaz atmosphériques

– Concentration des gaz selon l’élévation

Transmission de l’énergie solaire au travers de l’atmosphère

S. Speich - N.Daniault UBO Climat 3_ 35

Appauvrissement du rayonnement

• 3 processus généraux

• Selon la longueur d’onde et les

caractéristiques physiques des gaz et des particules :

1)

Diffusion ou dispersion

par des composantes gazeuses et des particules solides et liquides 2)

Absorption

par des composantes gazeuses et des

particules solides et liquides

3)

Réflexion par les nuages

(particules et liquides et les aérosols -solides et liquides)

Spectres d’absorption

Rayonnement solaire reçu au sommet de l’atmosphère

Rayonnement émit par la

Terre

Vapeur d’eau CO

₂

Oxygène et Ozone

Azote

Tot. Atmosphère

Absorption des rayonnements solaire

et terrestre

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Spectres d’absorption

Seule une partie du spectre théorique de la Terre (appelé rayonnement du corps noir, en rouge sur le schéma) est réellement émise vers l'espace. Cette fraction, indiquée en bleu, est appelée la fenêtre atmosphérique. Le reste est absorbé par l’atmosphère (essentiellement par l'eau et le dioxyde de carbone).

(Image d'après Hamburger Bildungsserver)

Absorption du rayonnement terrestre

À ~ 88km d’altitude (thermosphère)

• Les rayons γet x sont en grande partie éliminés du spectre solaire

• Les rayons UV sont aussi éliminés en partie

• Vents solaires – rayons cosmiques aussi absorbés

L’absorption a lieu à l’intérieur de la ionosphère (80 à 400 Km) par processus de ionisation Absorptionpar les atomes et les molécules d’oxygène (O, O₂) et d’azote (N, N₂)

Chaque atomequi absorbe les rayons

γ

(gamma), x, UV et vents solaires libère un électron

devient un ionde charge électrique positive Propagation de courants électriques

Oxygène et Ozone Rayonnement solaire

reçu au sommet de l’atmosphère

Rayonnement émit par la

Terre

Vapeur d’eau CO2

Azote

Tot. Atmosphère

Absorption du rayonnement solaire

La couche d’ozone (O

₃

)

: ~15 à 50km (stratosphère) Permet l’absorption d’une bonne partie des rayons UV (0.10 à 0.40 µm) empêche les rayons UV dangereux (UVc et UVb) d’atteindre la surface

Formation d’ozone (O₃)

Rayons UV (0.12 à 0.20 mm) + O₂→ O + O O + O2→_O₃

– absorption presque complète des rayons 0.12 à 0.20 mm

– protection contre les rayons UV hasardeux

Destruction d’ozone (O₃)

Rayons UV (0.20 à 0.32 µm) + O₃→O₂+ O – absorption presque complète de UVc (0.20 à

0.28 mm)

– absorption partielle de UVb (0.28 à 0.32 mm)

• Formation et destruction de O₃ – processus simultanés

– Permet l’élimination des rayons UV dommageables

La couche d’ozone (O

₃

)

Les UV-c sont absorbés par l'O2 entre 40km et 60km. De cette photolyse il résulte des radicaux libres d'oxygène moléculaire O. Ils se combinent rapidement à des molécules d'O2 pour former O3.

L'Ozone absorbe les UV-b essentiellement au dessus de 20km pour donner un O Le plus souvent cet O se recombine avec O2 pour donner à nouveau O3, il y dégagement de chaleur et chauffage de l'atmosphère.

Il existe également la réaction O+O3→O2 +O2 (Ox) Absorption du

rayonnement solaire

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Ozone et effet de serre, quel rapport?

•L‘ozone (O3) est un gaz rare dont on trouve 90 % des molécules présentes dans l'atmosphère entre 12 et 50 km d'altitude (stratosphère), le reste se trouvant essentiellement en tant que polluant majeur à proximité des villes.

Ne pas confondre ozone stratosphérique (couche d’ozone, protectrice) et pollution locale à l’ozone (troposphérique, agressif).

•L'ozone stratosphérique forme une couche fondamentale : elle absorbe les rayonnements solaires les plus dangereux, en particulier les UVC et les UVB1. La plus grande partie de l'ozone du monde est produite au-dessus des tropiques et est distribuée aux quatre coins du monde par les vents.

•Les rayons solaires ainsi que les réactions chimiques naturelles contribuent à sa destruction graduelle, mais il y a habituellement une formation simultanée d'ozone suffisante pour combler les pertes. Le phénomène de la diminution de la couche d’ozone a vraisemblablement démarré au milieu des années 70, avec l’usage courant des CFC (réfrigérateurs).

•Les gouvernements ont décidé de mettre fin à la production des CFC dans le cadre du Protocole de Montréal qui est entré en vigueur le 1er janvier 1989.

Ozone et effet de serre, quel rapport?

L’ozone de haute altitude nous protège des UV : il nous est bénéfique

Les rayons UV arrêtés par la couche d’ozone sont très agressifs pour les cellules vivantes. Ils provoquent des cancers, et tuent les coraux. Sans la couche d’ozone, la vie ne pourrait supporter l’intensité solaire.

Les gaz à effet de serre naturels sont par ordre d’importance (en quantité): la vapeur d’eau, le gaz carbonique, le méthane, les oxydes d’azote, l’ozone.

L’ozone de basse altitude renforce l’effet de serre : il nous est donc nocif ; il est de plus très agressif (provoque des maladies

respiratoires comme l’asthme)

L’effet de serre est indispensable à la vie : sans lui, la température moyenne de la planète serait de –18°C, et toute l’eau serait gelée.

Absorption des rayons infra-rouges

Abondance de dioxyde de carbone (CO₂: 0.035) et de vapeur d’eau (H₂O: 0.2 à 1.8%) dans les basses couches atmosphériques (basse stratosphère, troposphère)

absorbeurs efficaces des rayons infra-rouges (0.7 à 20 µm)

Absorption du rayonnement terrestre

Spectre d’absorption du rayonnement solaire par l’atmosphère

spectre du rayonnement solaire au sommet de l spectre du rayspectre du rayonnement solaspectre du rayonnement solaonnement solaire au sommet de l’ire au niveau de la merire au niveau de la mer’atmosphatmosphèèrere

Absorption du rayonnement solaire ~ 15% en moyenne

10 à 15% pour un ciel dégagé

~ 30% pour un ciel nuageux

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Pour résumer

Distribution du rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère

Décembre Mars

Juin Septembre

Moyenne globale 342 Wm

Moyenne globale 342 Wm^-2^-²[= S[= S00/4]/4]

Décembre Mars

Juin Septembre

Moyenne globale

Moyenne globale 235 Wm^-2[(1-α)S/4]

Distribution du rayonnement net ondes courtes (solaire - réflexion/albédo)

au sommet de l’atmosphère

+ - -

La température terrestre est plus élevée

aux tropiques qu’aux pôles. Pourquoi ?

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Distribution du rayonnement solaire et de la température à la surface de notre

planète

Forme et mouvements de la Terre …

Dépend de la latitude Et des mouvements

Mouvements planétaires

2 mouvements fondamentaux

– La rotation de la Terre autour de l’axe des pôles – La révolution du barycentre du système Terre-Lune

autour du soleil

Révolution

L’axe de la terre à un moment donné de la révolution est toujours parallèle à sa position à n’importe quel autre moment.

Responsable des

saisons Le plan de l’équateur est incliné par rapport au plan de l’écliptique

Mouvements planétaires: révolution

Lors d’une révolution, l’axe des pôles garde toujours la même direction: l’axe de rotation de la terre n’est pas normal au plan de l’écliptique (plan de l’orbite)

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Mouvements planétaires: révolution

Révolution-saisons

Rotation de la terre autour de son axe polaire

– Une rotation complète en 24 heures

– À un moment donné, une moitié de la terre est face au soleil (jour) et l’autre moitié dans l’ombre (nuit) – Cercle lumineux – ligne de

démarcation

– La terre tourne d’Ouest en Est autour de l’axe des pôles

Excentricité de l’orbite

• Une mesure comparative de la distance entre le soleil et la terre à des différents moments de l’année

• Orbite de la terre – une ellipse

– Distance moyenne : 150 x 10

⁶

Km

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Deuxième loi de Képler

L'aire balayée par le segment Soleil Planète entre deux positions C et D est égale à l'aire balayée par ce segment entre deux positions A et B si la durée qui sépare les positions C et D est égale à la durée qui sépare les positions A et B : La vitesse d'une planète devient donc plus grande lorsque la planète se rapproche du soleil.

Périhélie

– Distance terre/soleil la plus rapprochée

(147.25 x 10⁶Km) – Actuellement le 3 janvier – I_o> 1382 W m^-2(~ 1,5%) – Température globale plus élevée

Aphélie

– Distance terre/soleil la plus éloignée

(152.1 x 10⁶Km) – Actuellement le 4 juillet – I_o< 1382 W m^-2(~ 5%)

– Température globale moins élevée (~ 4 ^oC)

Excentricité

• La durée de l’hiver boréal est plus courte (terre à la périhélie) que celle de l’hiver austral (loi de Kepler)

• Durant l’hiver boréal l’hémisphère nord (périhélie) reçoit plus d’énergie que n’en reçoit l’hémisphère sud (aphélie) durant l’hiver austral.

– notre hiver est adouci ! plus d'énergie reçue – notre été est affaibli ! moins d'énergie reçue

• Mais la température est aussi sensible à la

répartition des océans et des continents dans les deux hémisphères (l’océan se chauffe et refroidit moins vite que les continents)

La sphéricité de la terre

• La terre et la limite de l’atmosphère ont une forme sphérique

• L’angle d’incidence des rayons solaires varie selon la latitude

(la distance terre/soleil à différentes latitudes a peu d’influence)

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Angle d’incidence

• Latitude, où les rayons sont perpendiculaires (près de l’équateur), rayonnement plus intense par surface unitaire

• Latitude ou les rayons sont obliques (moyennes latitudes) rayonnement moins intense par surface unitaire

1 – La surface captant le rayonnement est plus petite, l’énergie est plus intense par unité de surface (100 Wm^-2).

2 – La surface captant le rayonnement est plus grande, l’énergie est moins intense par unité de surface (50 Wm^-2).

90°

60°

30°

100 W

100 W 1

2

Angle d’incidence

Angle d’incidence L’angle d’incidence des rayons solaires varie selon :

• La Latitude φ (

^o

N et

^o

S)

• La Déclinaison du soleil (δ) – position angulaire du soleil par rapport à l’équateur (+23.5

^o

à –23.5

^o

)

• L’heure de la journée (h) –

lever et coucher du soleil, midi

(maximum)

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Révolution-saisons

•Solstice d’été (hémisphère nord) – point subsolaire au tropique de cancer (23.5^oN) – 21 juin

•Solstice d’hiver (hémisphère nord) point subsolaire au tropique de capricorne – 21 décembre

•Équinoxes point subsolaire à l’équateur, cercle lumineux tangente les pôles

Solstices/équinoxes/longueur du jour

Décembre Mars

Juin Septembre

Moyenne globale 342 Wm Moyenne globale 342 Wm^-^-2²[= S[= S⁰⁰/4]/4]

D Déécem

bre, s olstice d cem

bre, s olstice d’’hiver bor

hiver boréé al, p al, péé

rihrihéélielie Juin, solstic

e d Juin, solstic

e d’é’éttéé bor borééale

, aph ale, aphéélie lie

Equinoxes Equinoxes

Les saisons (suite)

Distribution du rayonnement solaire incident au sommet de

l’atmosphère

Le rayonnement solaire incident au sommet de l’atmosphère est plus important sur les régions polaires car il n’y a pas de nuit pendant trois mois.

Le rayonnement est plus important pendant l’Eté Australe que l’Eté Boréale car la terre se trouve plus proche du Soleil (périhélie)