Structure thermique de l'atmosphère

• Ce document est un manuel de l'étudiant pour la leçon 201 du cours initial du centre d'information de vol (FIC), portant sur la structure thermique de l'atmosphère.

Objectif Terminal

• Les étudiants doivent pouvoir expliquer les principaux processus météorologiques qui influencent la structure thermique de l'atmosphère sans références, en utilisant la documentation du cours.

Objectifs Intermédiaires

• Décrire la composition de l'atmosphère
• Décrire l'effet du rayonnement sur l'atmosphère
• Indiquer l'importance de l'albédo en météorologie
• Décrire l'effet de la variation de la température de surface
• Expliquer l'effet de serre atmosphérique

Liens avec les blocs précédents

• Les étudiants ont appris à fournir des PBS à proximité d'un aérodrome dans le bloc 1.
• Les sujets abordés comprenaient les notions fondamentales de l'atmosphère et les phénomènes météorologiques.
• Le bloc 2 porte sur la prestation des PBS dans un contexte de vol de niveau inférieur de courte durée.

Composition de l'atmosphère

• L'atmosphère terrestre est une couche gazeuse d'air mince retenue par la gravité de la Terre, essentielle à la vie.
• L'atmosphere réduit les extrêmes de température entre le jour et la nuit.
• Sans l'atmosphere, les temperatures varieraient comme sur la lune, de 100°C le jour à -150°C la nuit.

Composition de l'air sec

• L'atmosphère est un mélange d'air sec et de vapeur d'eau, avec l'air sec ayant une composition volumétrique constante jusqu'à 85 km d'altitude.

• En plus des éléments gazeux, des gouttelettes d'eau et des cristaux de glace, l'atmosphère contient des impuretés microscopiques et des particules.

• L'air sec se compose de :

  • 78% d'azote
  • 21% d'oxygène
  • 0,93% d'argon
  • 0,03% de dioxyde de carbone
  • traces d'ozone
  • 0,003% d'autres gaz

• Les trois premiers constituants de l'air sec représentent 99,9% de l'atmosphère sèche.

• Les gaz légers comme l'hydrogène et l'hélium ont tendance à s'accumuler dans la haute atmosphère, mais le mélange turbulent empêche leur concentration en altitude.

• La concentration de vapeur d'eau varie de presque inexistante dans les déserts à environ 4% au-dessus des océans.

• Elle est importante pour les prévisions météorologiques car elle absorbe l'énergie rayonnante de la Terre et existe sous forme gazeuse, liquide et solide.

Limites supérieures

• L'atmosphère se raréfie progressivement et disparaît dans l'espace interplanétaire, rendant impossible l'établissement d'une limite supérieure précise.
• Une definition de la limite supérieure est l'endroit où la composition de l'atmosphère cesse d'être constante, environ 85 km au-dessus de la Terre.
• Les aurores polaires, causées par l'illumination de l'air par des particules solaires, peuvent survenir jusqu'à 1 100 km, suggérant une limite supérieure d'environ 1 200 km.

Ceintures de radiation de Van Allen

• Les investigations géomagnétiques révèlent que le champ magnétique terrestre exerce un contrôle sur les particules électrisées au-delà de 60 000 km d'altitude.
• Les ceintures de radiation de Van Allen sont un exemple de ce phénomène, suggérant une potentielle limite supérieure de l'atmosphère entre 60 000 et 1 000 000 km.

Les trois propriétés de l'atmosphère

• Mobilité, les molécules ont une liberté de mouvement
• Occupation de l'espace, les molécules sont distribuées uniformément sous pression
• Poids, la moitié de la masse atmosphérique est concentrée sous 5,5 km d'altitude.
• L'air est un gaz avec faible densité comparativement aux liquides ou solides et une liberté de mouvement permettant une dilatation et compression presque illimitées.

Distribution de la masse

• L'air est dense lorsqu'il est comprimé, car il y a plus de molécules dans le même espace.

• La moitié de la masse atmosphérique se situe en dessous de 5,5 km d'altitude.

• L'air devient moins dense et plus léger à mesure que l'on s'élève dans l'atmosphère.

• La pression diminue généralement avec l'altitude, et l'air se dilate car les molecules peuvent s'éloigner.

• Si la pression extérieure augmente, l'air se comprime, et sa densité augmente.

Quatre principaux constituants du point de vue météorologique

• La vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, l'ozone et les impuretés sont plus importants que les gaz permanents en raison de leur influence sur le temps.

Effets de chaque composante

• Vapeur d'eau H2O

• Dioxyde de carbone CO2

• Ozone 03

• Impuretés (aérosols)

• La vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et les impuretés interagissent principalement dans la troposphère.

• Le brassage turbulent dans la troposphère et la couche limite planétaire (CLP), comprise entre la surface terrestre et 1 km, sont essentiels à cette interaction.

• Les interactions comprennent l'évaporation, les précipitations et le frottement de surface du vent.

Vapeur d'eau

• Provient principalement de l'évaporation et de la transpiration.
• Elle se condense en gouttelettes pour former des nuages ou retourne a la Terre sous forme de précipitations.
• L'atmosphere se compose en moyenne de 1% de vapeur d'eau, variant de 0 à 4%.
• Elle se concentre dans les niveaux inférieurs et monte par brassages turbulents.
• L'efficacité des brassages diminue avec l'altitude, étant rare au-dessus de 12 km.
• La teneur maximale en vapeur diminue en altitude, tout comme le degré de saturation.
• La teneur en vapeur est plus grande en été, dans les basses latitudes (sauf les déserts).
• Joue un rôle important dans le bilan thermique, absorbant le rayonnement solaire et terrestre.
• En se condensant, les gouttelettes réfléchissent 40 à 90 % du rayonnement solaire et absorbent une portion du rayonnement terrestre.
• Les changements d'état de la vapeur causent la formation de nuages, les précipitations, et transfèrent la chaleur des régions basses en forme latente.

Dioxyde de carbone

• La quantité représentée ne représente que 0,03% du volume de l'atmosphère.
• Les sources sont organiques (respiration, décomposition) et inorganiques(combustibles fossiles).
• La concentration en dioxyde de carbone varie selon les saisons, plus grande absorption en été et transfert de chaleur en hiver.
• Augmente d'environ3 à 4 % par décennie ce qui a déjà augmenté de 25 % depuis un siècle.
• Le brassage turbulent redistribue le dioxyde de carbone dans la troposphère.
• Le dioxyde de carbone absorbe une part importante du rayonnement terrestre, contribuant au réchauffement et à l'effet de serre.

Ozone

• L'ozone est considéré mauvais dans la troposphère et bon dans la stratosphère, tout en ayant la meme structure chimique.
• L'ozone est une frome d'oxygene O3, une molécule contenant trois atoms d'oxygène.
• Il est instable et se joint facilement à d'autres atoms.
• L'ozone stratosphérique bloque les UV du soleil.
• L'ozone troposphérique peut endommager les tissus vivants et est le produit de pollution et de sources naturelles.
• L'ozone stratosphérique protège la vie terrestre des rayons UV, avec la quantité variant selon la latitude et les saisons.
• Les variations sont fortes aux pôles, max au printemps, min à l'automne et faibles aux tropiques avec max en mai-juin et min en decembre-janvier.
• Les quantités ont des fluctuations journalières avec un maximum à 14h (heure locale) et un minimum à 8h (heure locale).
• Les fluctuations sont les plus importants en été et les plus faiblement représentées en hiver.
• Sans ozone, le rayonnement solaire ultraviolet atteindrait la Terre et toute vie végétale ou animale deviendrait impossible.
• Il serait bon de noter que l'ozone est un gas nocif et peut avoir des effets d'ordre biologique importants sur l'homme, allant même jusqu'à la mort s'il est inhalé en fortes concentrations.
• Les avions de transport supersoniques utilisent des filtres dans leurs systèmes de conditionnement d'Air.

Impuretés atmosphériques

• Composées de débris minéraux et matières organiques emportées par le vent.
• La distribution est influencée par les conditions atmosphériques et les sources, se dispersant grâce aux diffusions turbulentes ; on les retrouve en grande quantités au-dessus des régions industrielles si l'air est stable.
• Certaines impuretés sont essentiels pour la formation des nuages et conséquemment, des précipitations, d'autres viennent de la combustion, causant de la pollution atmosphérique.
• Il faut noter qu'elles peuvent également influer sur les opérations aéronautiques en réduisant la visibilité

Atmosphère type de l'OACI

• Permet de donner un aperçu directe des 20km inférieurs de l'atmosphère pour une description plus détaillées des conditions moyennes.
• Réparties selon les conditions d'altitude, de pression et de température à 40 degrés Nord
• L'atmoshpère type sert de référence commune pour la température et la pression et consiste de tables pour valeurs a diverses altitudes.
• Voici les valeurs ayant une importance particulière :
  • Pression au niveau moyen de la mer (MSL) -> 1 013,25 hectopascals (hPa)
  • Température au niveau moyen de la mer -> 15ºC
  • Taux de diminution de la température avec l’altitude (gradient thermique) dans la troposphère -> 6,5 ºC
  • par kilomètre (1,98 ºC par 1 000 pieds)
  • Hauteur de la tropopause -> 11 kilomètres (36 000 pieds) au-dessus du niveau moyen de la mer
  • Température de la tropopause -> -56,5 ºC
• La température est constante de la tropopause jusqu’au sommet de l’atmosphère type.

Éffects du rayonnement

• L’énergie qui entretient le fonctionnement de la machine atmosphérique est d’une importance capitale.
• Le rayonnement solaire constitue la source principale de cette énergie.

Caractéristiques du soleil

• Méthodes utilisées pour mesurer la distance Terre/Soleil: parallaxe solaire/radar

• La distance moyenne approximative entre la Terre et le soleil est de 150 000 000 kilomètres

• Les distances varient entre 147 000 000 km en décembre et environ 152 000 000 km en juin.

• 11 700 sphères terrestres seraient requises pour établir un pont entre la Terre et le soleil.

• Le soleil est une boule de gaz composée à 90 % d’hydrogène, 9 % d’hélium, et à 1 % d’une composition de carbone, d’azote, d’oxygène, de silicium et de fer.

• Le diamètre du soleil est d’environ 1 390 000 km (865 000 milles), ou approximativement 109 fois celui de la Terre et représente 300 000 fois celle de la Terre.

• Température au centre du soleil atteint: 15 millions de degrés celcius (bombe d'hydrogène).

• Température varierait entre 4200°C dans régions les plus froides à plus de 50 millions dans les éruptions solaires les plus chaudes.

• L’énergie est émise sous forme d’ondes électromagnétiques (rayonnement) à une longueur d’onde correspondant à la quantité d’énergie transportée.

• Tout corps dans l’univers rayonne de l’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques.

• La quantité totale d’énergie émise par un corps dépend de sa température et plus un corps est chaud, plus il rayonne d’énergie.

• La terre et le Soleil rayonnent à des longueurs d’onde différentes (ondes courtes pour le Soleil et ondes longues pour la terre)

• Les constituants ont les effets suivants sur le rayonnement:

  • Composante atmosphérique / Effet de rayonnement principal
  • Composante atmosphérique / Solaire / Terrestre
  • Vapeur d'eau / Légère absorption / Absorption
  • Dioxyde de carbone / Transmission / Absorption
    • Ozone / Absorption / Légère absorption dans la CLP
    • Impuretés atmosphériques (aérosols) / Diffusion / Combinaison

Subdivisions thermiques de l'atmosphère

• En 1962, l'Organisation météorologique mondiale (OMM) a divisé l'atmosphère en quatre régions en fonction de la température avec l'altitude: la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère.
• Les deux subdivisions de l'atmosphère plus basses sont: la troposphère et la stratosphère qui sont séparées par la tropopause.

Troposphère

• Elle s’étend de la surface terrestre (1013,25 hPa, 15 °C selon l’atmosphère type de l’OACI) jusqu’à une altitude moyenne de 11 km.
• Sa limite supérieure s’appelle tropopause et sa hauteur varie en fonction de la latitude et des saisons (16 et 18 km d’altitude à l’équateur et elle se situe en moyenne entre 6 et 8 km aux pôles).
• Cette couche se caractérise par une diminution de la température avec l’altitude (gradient thermique vertical) à un taux de 6,5°C par kilomètre en moyenne. La température de la tropopause est en moyenne -56,5°C mais varie de -80°C aux pôles à -45°C à l’équateur.
• La troposphère contient environ 75 % de la masse totale de l’atmosphère et contient essentiellement toute la vapeur d’eau et toutes les particules.
• On y produisent la plupart des échanges thermiques entre la Terre et l’atmosphère.
• La plupart des types de nuages se trouvent dans la troposphère et presque tous les phénomènes météorologiques se produisent dans cette couche.
• Un aspect important de cette couche est le renversement de l’air qui s’y produit, mécanisme qui distribue la chaleur, l’humidité.
• La troposphère joue un rôle primordial en météorologie.

Stratosphère

• Elle s’étend de la tropopause jusqu’à la stratopause située à une altitude moyenne de 47 km.

• Dans la partie inférieure de cette couche, la température est constante, puis elle augmente avec l’altitude jusqu’à un maximum (environ de -2,5 °C) à sa limite de la stratopause.

• En raison de cette distribution de température, les mouvements verticaux et le renversement sont grandement réduits.

• Agit comme un couvercle gigantesque vis à vis le renversement de la troposphère.

  • Il n’y a que des quantités infimes de vapeur d’eau dans la stratosphère
  • Il est rare de trouver des poussières et autres particules solides comme celles du Krakatoa et du Mont St. Helens
  • Il y a quelques nuages mais pas de précipitations. Un certain type de nuages, appelés nuages nacrés, existent dans la stratosphère.
  • La plus grande partie de l’ozone de l’atmosphère se trouve dans la stratosphère, et il atteint une concentration maximale aux environs d’une altitude de 35 km. C’est dans cette couche que la plus grande partie du rayonnement ultraviolet du soleil est absorbée et est le facteur important dans la détermination de la structure de température de la stratosphère.

• Elle contient environ 24 % de la masse de l’atmosphère et elle est importante en météorologie et est essentiel d'avoir un soutient météorologique (vent, température, etc).

Mésosphère

• Se retrouve au-dessus de la stratopause (entre 47 et 80 km au-dessus de la surface de la Terre), la limite supérieure de cette couche est appelé mésopause et la température de cette région décroît avec l’altitude. Les températures les plus froides: (-90°C).
• Des satellites orbitent au-dessus de la mésosphère et sont incapables de mesurer directement les traits de cette couche. .Les scientifiques utilisent des instruments à bord de fusée-sonde pour échantillonner directement la mésosphère, mais ce type de vol est court et peu fréquent.
• La plupart des météores s’évaporent dans la mésosphère. Certaines matières de ces météores demeurent dans la mésosphère. Des nuages à très haute altitude appelés nuages nocturnes lumineux se forment parfois dans la mésosphère près des pôles.
• D’étranges décharges électriques semblables aux éclairs, appelées farfadets et elfes, apparaissent parfois dans la mésosphère à des douzaines de kilomètres au-dessus des nuages orageux dans la troposphère en-dessous.

Thermosphère

• La thermosphère s’étend de la mésopause jusqu’à la limite supérieure de l’atmosphère terrestre. La température dans cette sphère est très élevée, en revanche sa densité est extrêmement faible.
• Augmentent dans la thermosphère inférieure (sous une altitude de 200 à 300 km);
• L’activité solaire a une grande incidence sur la température (200 °C (360°F) plus chaude le jour que la nuit et d’environ 500 °C (900°F) plus chaude lorsque le soleil est très actif qu’en d’autres occasions).
• Les températures : (932°F) à2 000 °C (3 632°F) ou elles sont plus élevées..
• Les aurores boréales et les aurores australes se produisent dans la thermosphère. Elles sont causées par des averses de particules chargées projetées par le Soleil dans la haute atmosphère pendant les orages magnétiques solaires.

Le rôle de l'ozone

• Les rayons ultraviolets dangereux sont en grande partie absorbés par la couche d’ozone, et les êtres vivants sur la terre se trouvent ainsi protégés de ces rayons dangereux.
• Le rayonnement solaire est nécessaire à la formation de l’ozone,
• Une grande partie de l’ozone se forme à l’équateur et s’accumule aux pôles.
• L’ozone se trouve dans la stratosphère entre 30 et 60 km d’altitude.
• Les rayons ultraviolets transportent beaucoup d’énergie, laquelle est convertie en chaleur dans le processus de formation ou de destruction de l’ozone.
• C’est pourquoi le profil de température dans la stratosphère est opposé à celui de la troposphère
• La température augmente jusqu’à -2,5 °C à la limite entre la stratosphère et la stratopause, puis se remet à diminuer avec l’altitude.

L’énergie reçue du soleil et bilan radiatif

• L’énergie reçue par notre planète provient du soleil.
• Le rayonnement solaire est globalement réémis pour assurer un équilibre. et créer le Bilan radiatif.
• La surface de la Terre est recouverte différemment à l’énergie solaire qui atteint la Terre. Si Les surfaces de couleur foncée reflètent peu l’énergie solaire et les couleurs pâles en reflètent presque toute l’énergie solaire
• Le rayonnement du Soleil est équilibré par le rayonnement de la Terre: 19 % du rayonnement solaire incident sont absorbés dans l’atmosphère et les nuages 30 % sont retournés à l’espace à cause de l’albédo 51 % sont absorbés par la surface de la Terre. la terre-atmosphère absorbe environ 70 % du rayonnement solaire. Quant à l’énergie de la terre: 23 % sont transférés aux nuages et à l’atmosphère par la chaleur latente dans la vapeur d’eau 7 % sont transférés à l’atmosphère par convection et conduction (chaleur sensible), pour un total de 30 % d’énergie qui s’accumule dans l’atmosphère 6 % sont rayonnés directement dans l’espace 64 % sont rayonnés par les nuages et l’atmosphère, pour un total de 70 %.

Les principes du réchauffement

• Il n’est pas possible pour la chaleur de transférer d’un corps froid vers un corps chaud, à moins qu’un travail soit fait pour permettre le transfert..
• la chaleur se transfère du corps chaud vers le corps froid.
• L’air est un très mauvais conducteur. Par conséquent, la chaleur reçue de cette façon est conservée dans une couche très mince, à moins d’être distribuée en altitude par un mouvement vertical de l’air, fréquemment appelée « couche limite » ( un kilomètre d’altitude ou moins au-dessus de la surface de la Terre)
• En raison de l’effet combiné du rayonnement terrestre et du phénomène de conduction, le premier kilomètre inférieur de l’atmosphère ou à peu près est réchauffé et refroidi par le bas.

Réchauffement de la troposphère

• Rayonnement solaire incident et la chaleur sensible amènent le réchauffement des bas niveaux de la troposphère

Refroidissement de la troposphère

• On dit parfois que l’atmosphère joue le rôle d’une couverture invisible qui garde la surface de la Terre chaude
• Après le coucher du Soleil, le rayonnement solaire s’arrête.
• Le rayonnement terrestre se poursuit encore quelque peu.À mesure que la surface de la Terre se refroidit, que le rayonnement terrestre diminue, moins d’énergie se trouve absorbée par l’atmosphère (refroidissement plus rapide)

Albedo

• Mesure la quantité de lumière réfléchissante à une surface qui atteint une surface
• Une surface qui apparaît blanche réfléchit la majorité de la lumière qu’il l’atteint et a un albédo élevé, alors qu’une surface qui apparaît foncée absorbe. –La quantité de lumière solaire réfléchie sur une surface.

la neige fraîche réfléchit jusqu’à 95 % du rayonnement Les routes asphaltées sont excessivement chaudes en été.

• L’albédo des nuages est très élevé, allant de 40 à 90 % selon l’épaisseur et la composition du nuage.
• L’albedo moyen est d’environ 30 %.
• La qualité du rayonnement dépend de l’angle à la surface
• Angle d’incidence : 20% de rayonnement solaire
• Durée de la journée
• Couverture nuageuse

Capacités Thermiques

Eau/Sol il faut environ 5 fois plus d’énergie rayonnante pour élever la température de l’eau que pour élever la température d’un sol sec En raison: La chaleur à la surface de l’eau peut être distribuée vers le bas jusqu’à une profondeur considérable par le mouvement de l’eau, tandis que la chaleur reçue par le sol demeure dans les premiers centimètres de la surface

Vent

• L’air deviendra plus agité: accroit sa conduction thématique
• Diminue l’amplitude de la variation journalière
• Température maximale basse, température minimale s’élève.

Vapeur D’eau

• La vapeur d’eau absorbe et empêche la chaleur/couche limite de s’échapper
• Température de la surface moins basse
• Température minimale des nuits plus élevée par temps humide

Les rayonnements

• Augmente grandement par temps humide, augmente absorption rayon terrestre, réchauffement des parties humides de l’air.
• Est grande aussi par temps nuageux
• L’effet de serre est l’une des raisons pour lesquelles qu’il fait plus chaud en ville qu’à la campagne.
• C'est la présence de gaz atmosphériques.

Gaz a effet de serre et rayonnement :

• Atmos. et rayon terre:
• Vapeur d’eau diminue ref. Noc
• Dioxyde de carbone = diminue ref. Noc.
• Ozone= réduit ref. Noc. près sol.
• Impuretés atmos= réduisent ref. Noc

Conclusion récapitulative

     Composition = gaz, impuretés 
     Propriété = mobile/ space etc 
     Point de vue météo =

-Gaz/vapeur

• Ozone

Révisions:

Tropo/Stratosphère Onde Vent

• l’énergie reçue du soleil ( en surface) contribue au bilan
• Le kilomètrage de l’atmosphére retransmet de la chaleur au sol et ensuite refroidit.