Les interactions des radiations solaires avec l’atmosphère

Les interactions des radiations solaires avec l’atmosphère

• Les interactions radiations solaires-Terre• la structure de l’atmosphère • l’effet de serre • les ultraviolets et l’ozone• la propagation des ondes électromagnétiques et les phénomènes lumineux

Les 3 ceintures de Van Allen : un filtre pour les particules cosmiques

atomes lourds cosmiques ionisés (nouvelle)

électrons solairesprotons solaires

lignes du champ magnétique

Le champ magnétique terrestre: un déflecteur des particules cosmiques

Le phénomène des auroresLe phénomène des aurores

Le flux incident des radiations solaires à la surface de la Terre : un premier bilan

• la variable «géométrie»• l’orbite elliptique de la trajectoire de la Terre autour du Soleil

• la Terre une sphère, et l’inclinaison du rayonnement en fonction de la latitude du lieu

• un facteur de synergie, l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre

• l’épaisseur traversée relative de l’atmosphère , et la variation en fonction de l’heure de la journée et les saisons (inclinaison de l’axe de rotation)

Le flux solaire incident sur Terre

absorption principalement due à la vapeur d’eau

Le CO2 absorbe dans la bande de 2,8 à 4,3 m

41% 51%8%

La constante solaire (flux de radiations incident à l’extérieur de l’atmosphère): C = 1396 W/m²

L’obliquité de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan écliptique

Plan de l’écliptique

équateur terrestre

= 230,5Cas de la Terre à la périhélie

L’obliquité à l’origine des saisons

P0 (W/m²)

L’hiver à MontréalL’hiver à Montréal

équateur

N

S

périhélie

Montréal

= 460 (latitude) + 23,50 (inclinaison de l’axe de rotation)

= 69,50

= 69,50 ; Pmontréal = 0,35 P0

= 900 ; P = P0

Montréal : ville nordique

P0 (W/m²)

L’été à MontréalL’été à Montréal

équateur

N

S

aphélie

Montréal

= 460 (latitude) - 23,50 (inclinaison de l’axe de rotation)

= 22,50

= 22,50 ; Pmontréal = 0,92 P0

= 900 ; P = P0

Montréal : ville sous les tropiques

L’orbite terrestre, une ellipse

aphélie

périhélie

v1

2. À des temps égaux correspondent des aires égales :

v1 > v2

Kepler (1609): Le rayon vecteur balaye des aires proportionnelles au temps

Les variations de la durée de l’insolation (variations selon les mois)

La durée du passage dans la région de la périhélie, région du maximum de radiations solaires (mais notre hiver), est plus courte que celle du passage à l’aphélie (notre été)

La forme sphérique de la Terre: variation avec la latitude

La forme sphérique de la Terre: variation avec la latitude

P = P0 cos

P < P0

P = P0 = 900

P0

P0

L’absorption de l’atmosphèreL’absorption de l’atmosphère

Soleil de midi d’une journée d’été

= 22,50

= 69,50

Soleil de midi d’une journée d’hiver

matin et soirée de toutes les journées de l’année

L’atténuation des radiations incidentes par l’épaisseur d’atmosphère traversée «au midi», entre l’été et l’hiver, une différence par un facteur de plus de 2,5

La bilan des radiations solairesLa bilan des radiations solaires100% (1400 W/m²)

a

c

Insoaltion maximale (en plein midi):50% au total (rayonnement direct et rayonnement diffus)

27% rayonnement direct

b

d

a

a: rayonnement réfléchi

b: rayonnement absorbé par l’ atmosphére

c: rayonnement direct incident sur la surface terrestre

d: rayonnement diffus de l’atmosphère, incident sur la surface terrestre

a: 20% + 5%

b: 25%

c: 27% d: 23%

L ’énergie SolaireL ’énergie Solaire

0

100

200

300

400

500

600

700

800

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

JanvierFévrierMarsAvrilMaiJuillet

Pu

issa

nce

sol

aire

(W

/m²)

Heure du jour

À Montréal

Janvier Juillet Décembre

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Juillet

Puissance à midi

Limite du Confort thermique

La structure thermique de l’atmosphère

290 K

190 K

270 K

190 K

1800 K

troposphère

stratosphère

mésosphère

thermosphère

exosphère

8-15

50-60

80-100

450-500

kmio

nos

phèr

e

La surface est réchauffée par les rayons solaires

La tendance est au refroidissement avec l’éloignement de la surface

Réchauffement par l’absorption des UV par l’ozone

Ionisation causée par les radiations solaires

La «fenêtre» de transparence de l’atmosphère aux IR

terrestres

(m)

L’absorption par les GES bloque l’échappement des radiations infrarouges

«Météorologie générale», J.P. Triplet & G. Roche, 1971, 303p, météorologie nationale

L’effet de serreL’effet de serre

•Le verre est transparent (95%)aux radiations solaires du visible centrées autour de = 0,6m. Le sol absorbe le rayonnement solaire et s ’échauffe. Les plantes absorbent les photons du bleu et du rouge et croissent.

Du jardinier

IR

verre

visible

Les rayons solaires, en partie réfléchis (25% globalement), vont chauffer la surface et participer au métabolisme de la biomasse, les infrarouges émis par ces deux processus ( 10m) sont absorbés par les gaz de l’atmosphère dont les molécules sont formés de trois atomes ou plus (eau, gaz carbonique, méthane, ozone, anhydride sulfureux, etc.). Une partie de ces radiations seront réfléchies vers la surface du globe.

Ces gaz à effet de serre (GES) jouent le rôle de la plaque de verre de la serre du jardinier

L ’effet de serre des gaz de l ’atmosphère

CO2H2OCH4

O3 IRvisible

•Le verre est partiellement (50%) opaque aux radiations IR . Les IR émis par le sol et les plantes seront donc trappés sous le verre. Il y fait plus chaud que dans l ’air libre au-dessus.

La pollution anthropiqueLa pollution anthropique

gaz pétrole charbon

NOx 43 142 354

SO2 0,3 430 731

CO2 - +20% +50%

Particules 2 36 1333

Émissions kg/10³Joules d ’énergie

Pluies acides

smog

GES

GES % CO2

CO2 CH4 CF4 N2O C2F6 SF6

77 12 4 3 1 3

Émissions dans le monde

Essence

1 litre 2,4 kg de CO2

Les gaz à effet de serre (GES)Les gaz à effet de serre (GES)

10015

5

4

Équivalent CO2

(%)

Toutes les molécules à plus de trois atomes interagissent avec les IR terrestres

La physico-chimie de l’ozone atmosphérique

La physico-chimie de l’ozone atmosphérique

Ozone stratosphérique• UV solaires

• photo-chimie avec les CFC, HCFC

Ozone troposphérique• photo-chimie avec les émissions des véhicules

Diminution de la concentration d’Ozone stratosphérique

• causes: émissions anthropiques - chlorofluorocarbones (CFC), HCFC, bromure de méthyle (fumigation des sols), combustion de la biomasse • effets: augmentation du flux des UV avec atteinte à la productivité des écosystèmes et risque accru du cancer de la peau chez les humains

Augmentation de la concentration d’Ozone troposphérique

• causes: action des rayons solairs sur les émissions des véhicules automobiles et gaz de combustion• effets: atteinte aux poumons et effets nocifs sur la végétation

Boutard Armel, Uqam 24

La variation diurne de

l ’ozone troposphérique

Feux de forêts

Heure de la journée

Ozo

ne

Émissions du traffic routieret diverses combustions

Cas de l ’Australie

Boutard Armel, Uqam 25

Les gaz producteurs d ’ozone troposphérique

OMS: «Les transports routiers sont la plus importante source de pollution de l ’air, son augmentation est continue»

Trafic routierRésidentiel

Boutard Armel, Uqam 26

Les niveaux d ’ozone troposphérique au Canada

16

10

4

2

14

12

8

6

Mon

tréa

l

Ott

awa

Tor

onto

Lon

don

Sar

nia

Win

dso

r

Van

cou

ver

Le nombre moyen de jours par année où les concentrations sont supérieures à 82 ppb

Win

nip

eg

Mon

tréa

l

Ott

awa

Tor

onto

Ed

mon

ton

Reg

ina

Win

dso

r

Van

cou

ver

Qu

bec

Sai

nt

Joh

n

Hal

ifax

80

140

40

100

La concentration maximale acceptable pour le Canada: 82 ppb

L ’Ozone stratosphérique

L ’Ozone stratosphérique

La couche d ’ozone : L’unité de mesure de la quantité d’ozone est le Dobson, cette unité correspond à une épaisseur de 0,001 cm d’ozone dans les conditions «normales» (température de 15 0C à la pression atmosphérique).

La quantité d’ozone troposphérique distribuée sur une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres est de l ’ordre de 300 Dobson, l’équivalent à la surface de la Terre d’une couche de 3 mm; d’où l’expression de «couche d ’ozone»

Paul Crutzen, de l’Institut Max Plank en Allemagne, prix Nobel en

1955 pour l’explication de la chimie de l’ozone strastosphérique

Discover, déc. 2006, p.1

Au-dessous de -800C les nuages stratosphériques se forment, à la surface de ces nuages des réactions chimiques transforment les produits de dissociation des CFC et des halons (ClONO2, HCl) en composés (Cl²,ClOH) susceptibles de détruire O³. Dès l’apparition du Soleil ces composés forment à leur tour des molécules plus actives ClO.

9 km

L ’ozone stratosphérique; filtre des ultraviolets (UV)

Imp

acts

des

UV

su

r la

pea

u

0%

100%

20%

60%

80%

40%

0,30,25 m

60 0 au dessus de l ’horizon

15 0 au dessus de l ’horizon

Bande des UV Longueur d’onde(m)

Interaction avec lesgaz de l’atmosphère

UV-A 0,4- 0,32 diffusion, bronzage

UV-B 0,32- 0,28 destruction de O³,régénération de O²

UV-C 0,28- 0,1 absorption par N² etO², génération de O³

Danger

UV-C UV-B UV-A

L ’ozone nous protège du danger des UV-B, la quantité reçue au sol dépend de la couche d’air traversée donc de la hauteur

du Soleil au-dessus de l’horizon

L ’ozone stratosphérique; filtre des ultraviolets (UV)

• Une réduction de 25% de la «couche» d ’ozone serait susceptible de provoquer une diminution de 35% de la production primaire dans les premiers mètres d ’une colonne d ’eau et une diminution de 12 % de la productivité générale des eaux de surface

• Une diminution de 1% de la «couche» d ’ozone provoquerait une augmentation de 4 à 6% des cancers de la peau

Les gaz «destructeurs» de l’ozone stratosphérique

Les gaz «destructeurs» de l’ozone stratosphérique

Les usages des CFCLes éléments halogènes : fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), iode (I)

• Chlorofluorocarbones (CFC)

•Hydrochlorofluorocarbones (HCFC)

•Hydrofluorocarbones (HFC)

• Bromure de méthyle (fumigation, insecticide)

Les CFC, composés miracles «inventés» en 1928 pat Thomas Midgey (produits par Dupont de Nemours), remplaçaient des produits toxiques et inflammables. Ils ont été utilisés comme:

• isolant électrique

• agent de propulsion dans les bombes aérosols

• fluide échangeur de chaleur

• agent d ’expansion dans les mousses d ’emballage

Le trou d’ozone du pôle sud

Le blanc: la somme des couleurs

(nm) couleur

360 UV 434 violet 486 bleu-vert 589 jaune 656 rouge

L’interaction des rayons solaires et des gaz de l’atmosphère

L’interaction des rayons solaires et des gaz de l’atmosphère

absorption:agitation des

molécules et chaleur

diffusion:La couleur bleue du

ciel

réflexion, réfraction

arc en ciel

émission IR

+ Diffraction avec les cristaux de glace (anneaux)D -4

Le Bleu du ciel

• La diffusion des rayons solaires:

D -4

• La réfraction des rayons solaires:

ni = c0/ci

• mirages de Terre et de Mer

• arc-en-ciel

Discover, juin 03 p.30