Bases scientifiques du changement climatique

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Bases scientifiques du changement climatique
2 Bilan radiatif de la Terre. Effet de serre
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Rayonnement solaire
Sous quelle forme lénergie parvient-elle du
Soleil à la Terre?
Sous forme de rayonnements électromagnétiques lum
ière visible (40 ), rayons infrarouge et
ultraviolets invisibles (60)
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Rayonnement solaire
De quelle partie du Soleil le rayonnement
émane-t-il?
Le rayonnement est émis par la couche interne de
latmosphère solaire, appelée photosphère.
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
1 m2 perpendiculaire aux rayons reçoit 1368 W/m2
constante solaire
Quelle est la puissance reçue en moyenne par 1 m2
de la surface terrestre?
La Terre reçoit un flux moyen de 342 W/m2
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
La constante solaire varie avec la luminosité du
soleil des fluctuations de 0,4 sont
dus aux variations de la rotation du soleil
(quelques jours) 0,1 sont dus aux
variations de l'activité solaire (cycle de 11
ans), et avec la distance Soleil-Terre1410 W/m2
le 3 janvier, 1320 W/m2 le 3 juillet
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
En quelles régions fait-il le plus froid?
Pourquoi?
Globalement il fait dautant plus froid sur Terre
que les rayons tombent plus obliquement sur la
surface terrestre. Records de température -89C
en Antarctique et 58C en Lybie
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
Le rayonnement du Soleil correspond à celui dun
corps noir portée à la température de 5800 K.
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
Le rayonnement diffusé par latmosphère donne au
ciel sa couleur bleue.
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
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Rayonnement solaire reçu par la Terre
Le rayonnement visible est peu absorbé par
latmosphère pendant le jour il fait clair!
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Rayonnement solaire réfléchi par la Terre
Comment latmosphère, plutôt transparente au
rayonnement solaire est-elle chauffée?
La surface terrestre est visible de lespace
elle réfléchit (diffuse) donc une partie du
rayonnement quelle reçoit. Globalement la Terre
(solatmosphère) réfléchit 30 de lénergie
incidente les autres 70 étant absorbés.
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Echauffement de latmosphère
Latmosphère est encore chauffée par effet de
serre, et par convection!
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Echauffement de latmosphère par convection
Lair humide chauffé au contact du sol monte et
se refroidit la vapeur deau se condense avec
libération de chaleur latente de vaporisation.
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Echauffement de latmosphère par effet de serre
Pour en savoir plus sur le rayonnement
électromagnétique...
Rayonnement mesurée au-dessus du Sahara
Latmosphère absorbe en partie le rayonnement
thermique terrestre..., et séchauffe..., et
émet aussi un rayonnement thermique.
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En présence datmosphère
Théorie de la relativité dEinstein
Rayonnement solaire
Leffet de serre naturel
Testez votre compréhension...
Rayonnement mesurée au-dessus du Sahara
Comment latmosphère, plutôt transparente au
rayonnement solaire est-elle chauffée?
Stabilité et instabilité verticale de latmosphère
Le rayonnement diffusé par latmosphère donne au
ciel sa couleur bleue.
Flux solaire puissance reçue par 1 m2 en
incidence normale Constante solaire flux à la
distance moyenne Soleil-Terre 1368 W/m2 Flux
moyen reçu par le sommet de latmosphère 342
W/m2
Quel sera la trajectoire des photons à proximité
dune étoile à fort champ de gravitation?
Pour en savoir plus sur leffet de serre
atmosphérique...
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Leffet de serre régulateur climatique
Depuis plus d'un milliard d'années, grâce à
l'effet de serre, la température sur Terre a été
telle que 1) l'eau s'y trouve à l'état liquide,
2) ses fluctuations n'ont jamais dépassé 10C
dans les deux sens.
Ainsi la vie a pu se développer sur Terre.
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Leffet de serre régulateur climatique
L'effet de serre est un phénomène naturel mettant
en jeu l'interaction entre les rayonnements
électromagnétiques et la matière.
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Effet de serre
Quelle en est la proportion réfléchie par la
Terre?
La Terre reçoit un flux énergétique moyen de 342
W/m2.
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Effet de serre Albédo de la Terre
En absence datmosphère
Quelle est l'intensité du rayonnement infrarouge
émis par la Terre?
30 du flux incident sont directement réfléchis
vers l'espace l'albédo de la Terre est de 0,3
ou 30. 70 sont absorbés la Terre s'échauffe.
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Effet de serre Équilibre thermique de la Terre
En absence datmosphère
En cas déquilibre thermique, les flux entrant et
sortant ont même intensité! 240 W/m2
correspondent à une température de 255 K
-18C. Ce serait la température moyenne sur Terre
en absence d'effet de serre!
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Effet de serre
En présence datmosphère
L'atmosphère absorbe une partie du rayonnement
infrarouge terrestre. Elle thermalise cette
énergie et émet elle-même un rayonnement
infrarouge, en partie vers l'espace et en partie
vers le sol. Le sol reçoit donc deux
rayonnements il s'échauffe au-delà de -18C!
A léquilibre thermique, les bilans des flux
énergétiques des 3 systèmes sol, atmosphère,
Terre doivent être équilibrés!
Quelle est l'intensité du rayonnement infrarouge
partant vers l'espace?
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Effet de serre
En présence datmosphère
Il doit y avoir 240 W/m2 partant vers
lespace. Les calculs combinés aux observations
ont montré que les deux flux infrarouges restants
doivent être de 495 W/m2 respectivement de 325
W/m2. Or aux 495 W/m2 correspondrait une
température de 33C!!!
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Effet de serre
En présence datmosphère
Or, le transfert d'énergie du sol vers
l'atmosphère se fait également sous forme d'un
flux de chaleur latente (105 W/m2) le sol német
donc que 390 W/m2 ce qui équivaut à une
température de 15C!
L'atmosphère a piégé 150 W/m2 par effet de serre!
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Rayonnement solaire et échauffement de
latmosphère. Effet de serre naturel
Testez votre compréhension...
1) Pourquoi fait-il en général plus froid la nuit
que le jour?
2) A quel moment dune nuit claire le minimum de
température est-il atteint?
3) A quel moment dune journée ensoleillée le
maximum de température est-il atteint?
4) Pourquoi fait-il le plus froid les nuits
claires ?
5) Pourquoi le refroidissement nocturne est-il
particulièrement important lorsque le sol est
couvert de neige?
6) Pourquoi le refroidissement nocturne est-il
particulièrement important dans les déserts?
7) Que veut dire  Latmosphère a piégé 150 W/m2
par effet de serre ?
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Augmentation des concentrations des gaz à effet
de serre
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Augmentation des concentrations des gaz à effet
de serre
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Effet de serre anthropique. Forçage radiatif
Augmentation de la concentration des gaz à effet
de serre due aux activités humaines
Intensification de leffet de serre effet de
serre anthropique Intensification du flux
infrarouge dirigé vers le bas Forçage radiatif
Bilan radiatif déséquilibré Le sol et la basse
atmosphère séchauffent de plus en plus
Comment léquilibre thermique pourra-t-il se
réinstaller?
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Effet de serre anthropique. Forçage radiatif
Léquilibre sinstalle le sol séchauffe et émet
un flux infrarouge plus puissant
Les flux infrarouges émis par latmosphère
deviennent également plus puissants le flux
dirigé vers lespace retrouve sa valeur
initiale avec une température du sol plus élevée
Doublement de la concentration du CO2 ? forçage
radiatif de 4 W/m2 Forçage actuel dû à tous les
gaz à effet de serre 2,6 W/m2
Animation effet de serre anthropique
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Effet de serre anthropique. Forçage radiatif
Il faudra étudier les cycles biogéochimiques des
différents gaz à effet de serre!
Quelles sont les sources les mécanismes de
transport et les puits des différents gaz à effet
de serre?
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Cycle géochimique du carbone
Animation Cycle du carbone
CaSiO3    2 CO2    H2O ? Ca2   2 HCO3-   SiO2
(1) Ca2   2 HCO3- ? CaCO3    H2O    CO2
(2) CaSiO3    CO2 ? CaCO3    SiO2
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Cycle biologique du carbone
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Cycle biogéochimique du carbone
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Sources du méthane
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Sources du méthane
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Disparition du méthane
Le méthane disparaît en réagissant avec le
radical OH suivant un mécanisme trèps
complexe. La réaction est lente. La durée de vie
moyenne du méthane dans latmosphère est de 12
ans.
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Effet de serre anthropique. Cycles du C et du CH4
Testez votre compréhension...
1) Quest-ce quon entend par  effet de serre
anthropique ?
2) Montrer que la température de la surface
terrestre varie aussi longtemps que le bilan
radiatif de la Terre nest pas équilibré.
3) Commenter laffirmation  Laugmentation de
la concentration des gaz à effet de serre due aux
activités humaines produit un forçage radiatif de
2,5 W/m2 .
4) Décrire le cycle biogéochimique du carbone.
5) Quelles sont les sources du méthane
atmosphérique et quels sont les mécanismes de
disparition de ce méthane?
Fin de la 2e partie
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Température et rayonnement électromagnétique
La température est une mesure de l'aptitude d'un
système de particules en mouvement à fournir de
l'énergie thermique à un objet. Elle reflète, non
la somme de l'énergie cinétique désordonnée
totale, mais sa valeur moyenne par particule.
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Température et rayonnement électromagnétique
Tout corps dont la température absolue T est
supérieure à 0 K émet un rayonnement
électromagnétique, appelé rayonnement thermique,
caractérisé par une gamme de longueurs d'onde
continue et large.
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Température et rayonnement électromagnétique
L'intensité d'un rayonnement est l'énergie
rayonnée par seconde et par m2. C'est donc la
puissance par m2 s'exprimant en W/m2. A
température constante, l'intensité I du
rayonnement thermique correspondant à une
certaine longueur d'onde l dépend de l.
Que devient l'allure de If(l) lorsque la
température augmente?
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Température et rayonnement électromagnétique
A température croissante, l'intensité totale du
rayonnement croît d'après la loi de
Stefan-Boltzmann Itot sT4 (T température en
K, s constante), et le maximum d'émission est
décalé vers les longueurs d'onde plus
petites d'après la loi de Wien lmaxT constante.
Quel est le rayonnement d'un corps à température
ambiante?
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Température et rayonnement électromagnétique
A température ambiante, les corps émettent dans
le domaine de l'infrarouge. Les photos prises en
infrarouge sont essentiellement des cartes de
température (des couleurs plus proches du rouge
représentant des rayonnements plus intenses et
donc des températures plus élevées).
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Température et rayonnement électromagnétique
A fur et à mesure que la température augmente,
l'émission du rayonnement thermique se décale de
plus en plus vers la bande du spectre visible.
(émission de lumière par la braise ou par une
lampe à incandescence!)
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Rayonnement solaire
Le rayonnement du Soleil correspond à une
température de 5800 K. Le maximum de l'intensité
rayonnée a lieu pour le bleu et le vert. La
moitié de l'intensité totale se situe dans
l'infra-rouge.
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Rayonnement terrestre
La température moyenne sur Terre est de 288 K. La
Terre émet uniquement dans l'infra-rouge
Que veut dire "un corps est opaque/transparent au
rayonnement"?
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Absorption dun rayonnement
Un corps opaque à un rayonnement absorbe ce
rayonnement l'énergie absorbée sert à augmenter
l'agitation thermique du corps, donc à
l'échauffer. On dit que le corps thermalise le
rayonnement absorbée! Et l'intensité du
rayonnement thermique émis par le corps augmente.
Quelle condition doit être remplie à l'équilibre
thermique?
A l'équilibre thermique, l'intensité du
rayonnement absorbée est égale à celle du
rayonnement thermique émis!
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Absorption dun rayonnement
Retour au rayonnement solaire reçu par la Terre...
Un corps transparent à un rayonnement n'absorbe
pas ce rayonnement. Son agitation thermique ne
peut pas augmenter. Comme le corps émet du
rayonnement thermique il se refroidit et
lintensité de son rayonnement thermique va
diminuer.