LT102 Comprendre et gérer la Terre

1. Cyrielle Briand cyrielle.briand@upmc.fr LT102 Comprendre et gérer la Terre

2. LT102 Comprendre et gérer la Terre • TD 1 : Atmosphère : bilan radiatif, effet de serre et circulation générale • TD 2 : Océans : densité des masses d’eau, Gulf Stream, El Niño • TD 3 : Hydrologie • TD 4 : Eaux souterraines • TD5 : Les énergies renouvelables • + démonstration GES • TD 6 - Les oscillations climatiques du Quaternaire • TD 7 : Géomorphologie – Photographies aériennes • Contrôle continu de 1h en salle de TP • TD 8 : Etude de terrasses alluviales • TD 9 : Interactions eau-roche • TD 10 – Sols • Démonstration en salle sur la capacité d’échange cationique des sols. • TD11 : Environnements sédimentaires carbonatés et biodiversité

3. Cyrielle Briand cyrielle.briand@upmc.fr TD 1 ATMOSPHERE : BILAN RADIATIF ET EFFET DE SERRE Pollution au-dessus de la Chine (d’après http://terresacree.org/images/pollutionchine.jpg)

4. Ex. 1 Bilan Radiatif Le bilan radiatif est l'équilibre entre l'énergie solaire arrivant sur la Terre, et celle réémise par la planète. Cette énergie peut être directement renvoyée vers l'espace, essentiellement par les nuages et la surface terrestre, ou bien elle peut être absorbée puis réémise sous la forme de chaleur.

5. 1. Bilan Radiatif • Comment relier la quantité d’énergie (constante solaire G=1368 W m-2) qui arrive en limite d’atmosphère et le flux global d’énergie (Ec = 342 W m-2 ) rapporté à la surface de la terre ? G : On appelle constante solaire l’énergie radiative que recevrait un disque de 1 m2 situé au sommet de l’atmosphère et orienté perpendiculairement à l’axe joignant le centre du disque au centre du soleil Flux global d’énergie Ec = 342 W.m-2 Constante solaire G = 1368 W.m-2 πR2 x G = 4 π R2 x Ec G = 4 x Ec G = 4 x 342 = 1368 W.m-2 Surface d’un disque = π R2 Surface d’une sphère = 4 π R2

6. 1. Bilan Radiatif Quel est le bilan radiatif en limite d’atmosphère ? 102 240 342 Entrée : Rayonnement solaire Ec = 342 W.m-2 (Daniel et al., 1999) Sortie : Rayonnement solaire réfléchi par l’atmosphère = 102 W.m-2 + Rayonnement infra rouge (thermique) de la terre = 240 W.m-2 [Entrée = 342 (100%)] – [Sortie = 102 (30%) + 240 (70%) = 342]

7. 1. Bilan Radiatif Quel est le bilan radiatif à la surface de la Terre ? 102 240 342 100 160 390 330 Entrée : R solaire net = 160 W.m-2 + R infra rouge = 330 W.m-2 Sortie : R infra rouge = 390 W.m-2 + R turbulent = 100 W.m-2 [Entrée = 160 (47%) + 330 (96 %)] – [Sortie = 100 (29%) + 390 (114%)] = 490 W.m-2 = 490 W.m-2

8. 1. Bilan Radiatif Déduire l’albédo du système terre atmosphère « L'albédo : grandeur sans dimension, est le rapport entre l’énergie solaire réfléchie par une surface et l'énergie solaire incidente » Albédo rayonnement solaire réfléchi rayonnement solaire incident R solaire réfléchi = 102 W.m-2 α = R solaire incident Ec= 342 W.m-2 102 α = = 0,298 ≈ 0,3 342 • 30 % du Ec sont réfléchis (nuages) • 70 % sont absorbés et transformés en rayonnement thermique

9. syscope.net

10. Ex. 2 Effet de Serre

11. 2. Effet de serre Exprimer par une équation les conditions d’équilibre radiatif du système terre-atmosphère La Terre émet des rayonnements pour équilibrer l’énergie reçue par le soleil Le type de rayonnement dépend de la Température du corps Soleil : 6000 K  λ UV à l’IR proche Terre : 288 K  λ IR lointain Rayonnement solaire absorbé = Rayonnement Infrarouge émis Ec – αEc = IR αEc Ec (1-α) = εσ T4 Ec Ec (1-α) = σ T4 IR = εσ T4

12. 2. Effet de serre Calculer la T° d’équilibre sans effet de serre Entrée : Rayonnement solaire incidente nette : Ec (1-α) = 240 W.m-2 Sortie : Rayonnement infra rouge de la terre : IR = εσ T4 = 240 W.m-2

13. 2. Effet de serre Calculer la T° d’équilibre sans effet de serre Entrée : Rayonnement solaire incidente nette : Ec (1-α) = 240 W.m-2 Sortie : Rayonnement infra rouge de la terre : IR = εσ T4 = 240 W.m-2 • T= ⁴√[Ec(1-α)/ σ] • T= ⁴√[342(1-0,3)/5,67.10-8]= 255K • T=255-273= -18°C Ec (1-α) = σ T4 R soleil net R terre T4 = Ec (1- α)/σ σ= 5,67 . 10-8W.m-2.K-4

14. 2. Effet de serre Calculer le flux énergétique de l’effet de serre sachant que la T° moyenne du globe est de 15 °C Bilan : flux entrant = flux sortant Ec αEc RES : R infra rouge émis par l’atmosphère = effet de serre Ec (1-α) + RES = σ Ts4 RES = σ Ts4 – Ec (1-α) RES = 390 - 342 + 102 = 390 - 240 = 150 W.m-2 IR

15. 2. Effet de serre • Potentiel de réchauffement global (PRG) : indice de comparaison associé à un GES, quantifiant sa contribution à l’effet de serre par rapport au CO2 sur une période choisie (en général 100 ans = temps de résidence du CO2) (d’après Wikipédia) ( D’après IPCC, 1995) • Temps de résidence: • temps nécessaire à un gaz pour commencer à s’évacuer de l’atmosphère

16. 2. Effet de serre Calculer l’augmentation du taux de CO2 sur les 30 dernières années 1 ppmv est une partie par million en volume, soit 1 cm3 du gaz étudié pour 1 m3 d’air (c’est un rapport donc sans unité) × [CO2] En ppmv En 1960 = 315 ppmv En 1995 = 360 ppmv

17. 2. Effet de serre Calcul de l’augmentation du taux de CO2 sur les 30 dernières années (1) • En 1960 [CO2]=315 ppmv • En 1995 [CO2]=360 ppmv Taux d’accroissement : [CO2]1995 – [CO2]1960 360 – 315 [CO2]1960 315 ΔCO2 = 14 % en 35 ans Accroissement du taux de CO2 par an : X X = 0,14 / 35 = 0,004 / an On a donc une augmentation du taux de CO2 de 0,4 % / an ∆CO2 = = ≈ 14%

18. 2. Effet de serre Calcul de l’ augmentation annuelle du taux de Carbone (2) [C]1990 = 760 Gt Carbone Accroissement par an : 3,4 Gt Carbone / an • Taux d’accroissement : Δ C = 3,4 . 109/ 760 . 109 = 0,0045 / an On a donc une augmentation du taux de carbone de 0,45 % / an

19. 2. Effet de serre Calcul de l’ augmentation annuelle du taux de CO2 (3) MC = 12 g.mol-1 MCO2 = 44 g.mol-1 Émission actuelle de Carbone = 3,4 Gt Carbone /an Émission actuelle de CO2 = 3,4 . 109 x 44 / 12 ≈ 12,5 Gt CO2 / an Loi des gaz parfaits PV=nRT On se place dans des conditions fixes de pression et de température • PVCO2 = nCO2 RT • PVair = nair RT nCO2 VCO2 nair Vair = = 360 ppmv

20. 2.Effet de serre = = 360 ppmv . On cherche la concentration en masse du CO2 : mCO2 nCO2 . MCO2 MCO2 mair nair . Mair Mair Mair = ( 78% N2 + 21% O2 )/ 99% Mair = (0,78*28 + 0,21*32)/0,99 ≈ 29 g.mol-1 MCO2 = 44 g.mol-1 mair ≈ 5,15 . 1015 t mCO2 = 360 . 10-6 * (44/29) * 5,15 . 1015 = 2,8 . 1012 t ΔCO2 = 12,5 . 109/ 2,8 . 1012 = 0,0045/ an On a donc une augmentation du taux de CO2 de O,45 % / an

21. 2. Effet de serre (Guyot, 1999)

22. 2. Effet de serre Calcul de l’ augmentation annuelle du taux de CO2 (3) • Précédemment : Δ CO2 = 0,4% / an • Augmentation sur 100 ans : (1,004)100 = 1,49 Augmentation de 49 % sur 100 ans • Actuellement effet de serre du CO2 = 50 W.m-2 Effet de serre du CO2 au bout de 100 ans : 0,49 * 50 = 24,5 W.m-2 • On reprend le bilan d’énergie à la surface de la Terre : Ec(1-α)+RIR + ΔECO2 = σ T1004 T100 = [(240 + 150 + 24,5) / 5,67 . 10-8]1/4 = 292,4 K ∆T = T100-Tactuel = 292,4 – 288,15 = 4,25 K On aura donc une augmentation de la température de 4,25 °C

23. 4. Circulation atmosphérique générale L'air tropical qui est chauffé devient moins dense donc plus léger et s'élève en altitude. Alors des basses pressions se forment au niveau de la mer équatoriale. Dans les régions polaires c'est tout l'inverse. Les masses d'air se refroidissent et deviennent plus denses donc plus lourdes. L’air descend. Alors des hautes pressions se forment au niveau de la mer. Anticyclones = hautes pressions le sens horaire dans l'hémisphère nord et dans le sens anti-horaire dans l'hémisphère sud Dépressions = basses pressions le sens anti-horairedans l'hémisphère nord et dans le sens horairedans l'hémisphère sud http://la.climatologie.free.fr/

24. 4. Circulation atmosphérique générale • Comparez les cartes de champs de pression en janvier et en juillet. Localisez les zones d’anticyclone et de dépression D’après Berger, 1992

25. 4. Circulation atmosphérique générale • Comparez les cartes de champs de pression en janvier et en juillet. Localisez les zones d’anticyclone et de dépression

26. 4. Circulation atmosphérique générale • Indiquez la relation existant entre les lignes isobares et l’orientation des vents de surface L'air quitte les anticyclones (A) en tournant dans le sens d'une aiguille d'une montre et pénètre dans les dépressions (D) en tournant en sens inverse d'une aiguille d'une montre, dans l'hémisphère nord.

27. 4. Circulation atmosphérique générale • Indiquez la relation existant entre les lignes isobares et l’orientation des vents de surface

28. 4. Circulation atmosphérique générale • Comparez les cartes de champs de pression en janvier et en juillet. Localisez les zones d’anticyclone et de dépression

30. ITCZ :Zone de convergence intertropicale

32. 4. Circulation atmosphérique générale (D’après http://la.climatologie.free.fr)

33. 4. Circulation atmosphérique générale • Equilibre géostrophique : • Force de pression = Force de Coriolis • Vent perpendiculaire aux forces de Coriolis et de pression avec : • Basses pressions à gauche du vecteur vent dans l’Hémisphère Nord • Basses pressions à droite du vecteur vent dans l’Hémisphère Sud

34. 4. Circulation atmosphérique générale (http://chez.mana.pf/~pascalrene/ventgeo.GIF)

35. 1. Bilan radiatif

37. 2. Effet de serre Temps de résidence de différents gaz à effet de serre (D’après D. Hauglustaine, LSCE)