Présenté par Eva Monteiro

1. Présenté par Eva Monteiro FORMATION EN MÉTÉOROLOGIE -2011 Adaptation du cours d’introduction à la météorologie (SCA2611) donné par Richard Harvey en 2010 à l’UQÀM

2. 2011 – Formation en météorologie ORIGINE ET COMPOSITION DE L’atmosphère TERRESTRE Références principales : Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, pp. 3-8 Ahrens 2009, MeteorologyToday, pp. 3-27

3. Mise en contexte • Le Soleil • Étoile ordinaire située en périphérie de notre Galaxie (la Voie Lactée) contenant quelques 200 milliards d’étoiles • Étoiles : boules de gaz d’hydrogène incandescent générant des quantités colossales d’énergie provenant de la fusion nucléaire de leur hydrogène en hélium dans le noyau • Le Soleil est prévu fournir cette énergie pour encore 5 milliards d’années, avant de s’éteindre. • Le Système solaire • Huit planètes majeures gravitant autour du Soleil • Astéroïdes, comètes, planètes naines (Pluton, etc.), poussières… • Formation : il y a 4,5 milliards d’années (c.-a-d. aux ⅔ de l’âge présent de l’Univers de 13,7 milliards d’années) par accrétion de matière interstellaire. La Terre est en quelque sorte un amas de poussières rocheuses et de gaz, agglutinés par gravité. SCA-2611 Introduction à la météorologie

4. Le soleil dans la Voie Lactée SCA-2611 Introduction à la météorologie

5. Mise en contexte • La Terre • 3e planète en distance, à ~150 millions de km du Soleil • 5e planète en taille (diamètre de ~12700km ) • Planète rocheuse comme Mercure, Vénus et Mars SCA-2611 Introduction à la météorologie

6. Comparaison des planètes telluriques Mars Mercure Venus Terre SCA-2611 Introduction à la météorologie

7. La Terre dans le système solaire SCA-2611 Introduction à la météorologie

8. Les atmosphère planétaires • Lors de la formation des planètes, les poussières et roches forment la partie solide sphérique et les gaz s’accumulent autour, puisque plus légers • L’atmosphère est conséquence naturelle de la formation des planètes • Seules les planètes les plus massives conservent leur atmosphère • Toutes les planètes majeures, sauf Mercure, en possèdent une SCA-2611 Introduction à la météorologie

9. Notre atmosphère • La Terre est entourée d’une mince pellicule de gaz appelée l’atmosphère • Principalement composée d’azote (N2) et d’oxygène (O2) • Épaisseur avoisinant la centaine de km (ligne de Kármán) • < 2% du rayon de la Terre – ~ 2-3 mm sur un globe de 30 mm • Poids total : 5 millions de milliards de tonnes ! • 5 000 000000000000 tonnes • Nous protège de : • Rayons X, UV du Soleil • Météorites • Écarts extrêmes de températures grâce à son effet de serre • Permet à la vie d’exister ! • Pour apprécier la Terre, regardons la Lune ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

10. L’atmosphère terrestre : un (très) mince cocon protecteur Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Meteotek08_atmosfera13.jpg SCA-2611 Introduction à la météorologie

11. La Lune : désolation totale SCA-2611 Introduction à la météorologie

12. L’histoire de l’atmosphère terrestre • Atmosphère primaire • Atmosphère secondaire • Atmosphère tertiaire SCA-2611 Introduction à la météorologie

13. Atmosphère primaire • Origine :dégazage volcanique après accrétion initiale et refroidissement • Gaz volcaniques • 80% vapeur d’eau (H2O) • 10% gaz carbonique (CO2) • 5% sulfure d’hydrogène (H2S) • 2-3% azote (N2) • Traces de monoxyde de carbone (CO), méthane (CH4), hydrogène (H2), autres gaz rares, etc. • Durant les premiers ~300 millions d’années de l’existence de la Terre (4,5 à 4,2 milliards d’années) Source :http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_sulfide SCA-2611 Introduction à la météorologie

14. Atmosphère secondaire • Séquestration des gaz volcaniques • Vapeur d’eau se condense en océans globaux (séquestration de H2O) à partir de ~4,2 milliards d’années • Océans couvrent déjà toute la Terre vers 3,8 milliards d’années • Puis,le gaz carbonique se dissout dans les jeunes océans (séquestration de CO2) • Azote (N2) devient prédominant (car chimiquement peu réactif) vers 3,5 milliards d’années (1 milliards d’années d’âge : ~¼ de l’âge présent de la Terre) SCA-2611 Introduction à la météorologie

15. Atmosphère tertiaire • La vie primitive (anoxique) apparaît à peine 500 millions d’années après la formation de la Terre • Puis, 500 millions d’années plus tard, des organismes plus complexes (les algues vertes) utilisent la photosynthèse comme source de nourriture • Trois conséquences majeures pour l’atmosphère • Accumulation d’oxygène libre (O2) dans l’atmosphère • Séquestration additionnelle de gaz carbonique (CO2) par la photosynthèse et enfouissement d’énormes quantités de carbone dans les organismes morts aux fonds des océans • Apparition d’une couche d’ozone capable de filtrer les rayons UV nocifs et permettant à la vie de foisonner sur les continents • Concentrations augmentent graduellement de moins de 1% jusqu`à ~20% aujourd’hui. • Résultat final : atmosphère majoritairement azotée et contenant une fraction importante d’oxygène. SCA-2611 Introduction à la météorologie

16. Le cocktail atmosphérique • Notre atmosphère est donc composée de plusieurs gaz • 78% d’azote (N2) • 21% d’oxygène (O2) • 0,93% Argon (Ar) • 0-4% vapeur d’eau (H20) • 0,039% (~390 ppm) de gaz carbonique (CO2) • 5-10 ppm d’ozone (O3) stratosphérique • 1-5 ppm d’ozone troposphérique (« smog ») • Elle contient aussi des particules en suspension • Aérosols naturels • Poussières, sable, sel de mer, fumée des feux de forêt, émissions volcaniques, nuages • Polluants sulfatés (SO2 – combustion incomplète de carburants fossiles) SCA-2611 Introduction à la météorologie

17. Météorologiquement parlant, les gaz en petite concentration sont les plus intéressants… • La vapeur d’eau (H20) • Le gaz carbonique (CO2) • L’ozone (O3) SCA-2611 Introduction à la météorologie

18. La vapeur d’eau • L’eau est présente sur la Terre dans ses trois phases • Solide (glaces et neige) • Liquide (lacs, mers, pluie) • Gazeuse (vapeur d’eau) • Conséquence fondamentale :cycle de l’eau (cycle hydrologique) • Vapeur d’eau :~60-70% de l’effet de serre naturel total sur la Terre • L’eau est partoutsur la Terre • N’est pas nécessaire pour l’existence de phénomènes météorologiques, mais elle les complexifiesubstantiellement. L’eau rend la météo terrestre beaucoup plus intéressante ! SCA-2611 Introduction à la météorologie

19. Le gaz carbonique • Environ 20-25% de l’effet de serre naturel total de la Terre • Concentrations ont augmenté depuis le XVIIIe siècle de 280ppm à 387ppm(rejets dûs à la combustion humaine de carburants fossiles) • Cette augmentation est la principale cause de l’effet de serre anthropique (donc, qui s’ajoute à l’effet de serre naturel) et du réchauffement planétaire depuis ~1950. SCA-2611 Introduction à la météorologie

20. L’ozone • La majorité de l’oxygène dans l’atmosphère existe sous forme d’oxygène moléculaire (O2) • Pour chaque million de molécules de O2, une vingtaine existe sous une forme plus exotique comprenant trois atomes d’oxygène : c’est l’ozone (O3) • Se forme lorsque l’oxygène moléculaire (O2) est en présence d’une source d’énergie suffisante pour dissocier la molécule en deux atomes individuels, qui se recombinent ensuite avec d’autres molécules O2 pour former de l’ozone. • Rayons UV du Soleil, décharges électriques SCA-2611 Introduction à la météorologie

21. L’ozone Les rayons UV du Soleil provoquent laformation d’une couche d’ozone (O3) dans la stratosphèreentre 10km et 50km d’altitude. Cette couche filtre complètement les rayons UV les plus nocifs pour la présence de vie hors de l’eau (UVC) et filtre substantiellement les UVB. L’ozone est aussi un gaz à effet de serre non-négligeable, mais minoritaire par rapport à la vapeur d’eau et le gaz carbonique. SCA-2611 Introduction à la météorologie

22. La structure verticale de l’atmosphère • L’atmosphère n’est pas uniforme • sa structure varie et dans l’horizontale, et dans la verticale • Cependant, les variations les plus marquées sont presque exclusivement observées dans la verticale • La structure verticale de l’atmosphère peut être décrite selon différentes variables physiques • la densité • la pression • la température • Notez que ces trois variables sont celles requises pour décrire tout gaz dans la nature SCA-2611 Introduction à la météorologie

23. La densité et la pression de l’air • Densité de l’air : masse d’air par unité de volume (kg par m3 d’air) • Pression : force totale due aux collisions des molécules d’air contre une surface unitaire donnée • Lagravité comprime l’atmosphère vers la surface de la Terre. Deux conséquences sur la structure verticale de l’atmosphère : • La densitéde l’air est maximale tout près du sol et diminue avec la hauteur • La pressionde l’air s’ajuste à tous les niveaux afin de soutenir son propre poids. La pression atmosphériqueest donc maximale au sol et diminue avec la hauteur. • En d’autres termes, la pression atmosphérique à un niveau donné est égale au poids de l’air au-dessus de ce niveau. Elle s’exprime en hPa (hectopascals) sur les cartes météorologiques (ancienne unité : le millibar – mb) SCA-2611 Introduction à la météorologie

24. Profil verticaux typiques de pression et de densité atmosphériques • La densité de l’air est proportionnelle au nombre de molécules d’air par unité de volume • La pression de l’air est le poids des molécules d’air aux niveaux supérieurs • 1 Pa est la force (poids) qui exerce la masse d’un kilogramme sur la surface de 1 m2. • Quelle est la masse d’une colonne d’air atmosphérique de base égale à 1 m2 qui exerce une pression de 101,3 kPa? 101,3 kPa Source : Ahrens, 2009 – MeteorologyToday SCA-2611 Introduction à la météorologie

25. Couches atmosphériques • La température de notre atmosphère varie de façon plus complexe dans la verticale que la pression et la densité • Le profil vertical typique de la température atmosphérique est utilisé pour définir quatre couches atmosphériques • La troposphère • La stratosphère • La mésosphère • La thermosphère SCA-2611 Introduction à la météorologie

26. Profil vertical moyen de la température dans l’atmosphère Thermosphère La température augmente et dépend de l'activité solaire. Mésosphère Pas grand chose à dire à part que la température diminue. Stratosphère La température augmente avec l'altitude car il y a de l'ozone qui absorbe une partie du rayonnement solaire. Troposphère La température décroît avec l'altitude car l'atmosphère est presque transparente au rayonnement solaire. C'est le domaine de la Météorologie. EXOSPHÈRE Aurore boréal Satellites, navettes spatiales 120 km Aurore boréal météorites THERMOSPHÈRE 85 km 50 km MÉSOSPHÈRE Couche d’ozone 10 km STRATOSPHÈRE TROPOSPHÈRE

27. La troposphère • La couche qui est en contact avec la surface terrestre • Épaisseurs typiques : 8km (pôles) – 18km (tropiques) • Comprend75-80% de la masse totale de l’atmosphère • Température diminue rapidement avec la hauteur (~6,5°C / km en moyenne) • 15°C en surface jusqu’à -50°C à 10km d’altitude • C’est la couche qui contient toute la météo que nous connaissons, et la quasi-totalité de la vapeur d’eau • Limite supérieure : la tropopause SCA-2611 Introduction à la météorologie

28. La stratosphère • Située entre 10km et 50km d’altitude • Beaucoup plus clémente météorologiquement parlant • Contient la couche d’ozonequi filtre les rayons UV solaires nocifs pour la vie • Température augmenteavec l’altitude de -50°C à 10km jusqu’à ~0°C à 50km • C’est une couche extrêmement sèche. • L’air y est déjà très raréfié • Limite supérieure : la stratopause SCA-2611 Introduction à la météorologie

29. La mésosphère • Couche située entre 50km et 80km • Domaine extrêmement raréfié, aux portes de l’espace • Températures diminuent de ~0°C à 50km jusqu’à -90°C à 80km • La mésopause est donc la région la plus froide de l’atmosphère terrestre • Limite supérieure : la mésopause SCA-2611 Introduction à la météorologie

30. La thermosphère • Limite inférieure de « l’espace » • Ligne de Karman : définie à 100 km d’altitude, c’est la porte officielle de l’espace (altitude à laquelle le vol balistique est plus efficace que le vol atmosphérique) • Domaine des satellites artificiels, de la navette spatiale et de la Station spatiale internationale. • La température augmente rapidement avec l’altitude, jusqu’à des centaines de °C à des centaines de km d’altitude. Cependant, la notion de température devient floue dans ce milieu extrêmement raréfié (une molécule d’air voyagera ~1km avant d’en frapper une autre) • La limite supérieure de la thermosphère est à environ 500km SCA-2611 Introduction à la météorologie

31. Vidéos • http://www.dailymotion.com/video/xb5rlc_superscience-atmosphere-13_tech • http://www.dailymotion.com/video/xb5sou_superscience-atmosphere-23_tech • http://www.dailymotion.com/video/xb5tuj_superscience-atmosphere-33_tech SCA-2611 Introduction à la météorologie

32. Grâce à notre atmosphère…toute la météo • Nuages, vents • Pluie, neige, grêle • Tempêtes hivernales • Orages • Ouragans • Tornades • Phénomènes optiques atmosphériques SCA-2611 Introduction à la météorologie