Transmission de l'énergie solaire au travers 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’absorptionRayonnement solaire reçu au sommet de l’atmosphère

Rayonnement émit par la

Terre

Vapeur d’eauCO2

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 (appelérayonnement 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 γ et 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

Absorption par les atomes et les molécules d’oxygène (O, O2) et d’azote (N, N2)

Chaque atome qui absorbe les rayons γ(gamma), x, UV et vents solaires libère un électron

devient un ion de charge électrique positivePropagation de courants électriques

Oxygène et Ozone

Rayonnement solaire reçu au sommet de

l’atmosphèreRayonnement émit par la

Terre

Vapeur d’eauCO2

Azote

Tot. Atmosphère

Absorption du rayonnement solaire


La couche d’ozone (O3) : ~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 à0.20 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 (O3)

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 réactionO+O3→ O2 +O2 (Ox)


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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 nousprotège 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 rayonnement solaire au sommet de l’’atmosphatmosphèèrerespectre du rayonnement solaire au niveau de la mer

spectre du rayonnement solaire au niveau de la mer


Absorption du rayonnement solaire ~ 15% en moyenne10 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 WmMoyenne globale 342 Wm--22 [= S[= S00/4]/4]


Décembre Mars

Juin Septembre

Moyenne globale Moyenne globale 235 Wm-2 [(1-α)S0/4]

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

planèteForme 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


RévolutionL’axe de la terre à un moment donné de la révolution est toujours parallèle à sa position àn’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 deson 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 106 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 àl'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 106 Km)

– Actuellement le 3 janvier– Io > 1382 W m-2 (~ 1,5%)– Température globale plus élevée

Aphélie– Distance terre/soleil la plus

éloignée (152.1 x 106 Km)

– Actuellement le 4 juillet– Io < 1382 W m-2 (~ 5%)– Température globale moins élevée

(~ 4 oC)


Excentricité

• La durée de l’hiver boréal est plus courte (terre àla 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 (oN et oS)• La Déclinaison du soleil (δ) –

position angulaire du soleil par rapport à l’équateur (+23.5o à –23.5o)

• 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 (23.5o N) – 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 WmMoyenne globale 342 Wm--22 [= S[= S00/4]/4]

DDéécembre, solstice d

cembre, solstice d’’hiver bor

hiver borééal, pal, péérihrihéélie

lie

Juin, solstice d

Juin, solstice d’é’éttéé borborééale, 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’EtéAustrale que l’Eté Boréale car la terre se trouve plus proche du Soleil (périhélie)


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