Cours 3 - Bioclimat PDF

3ème cours Les principaux facteurs du climat Le climat se définit par l’ensemble des phénomènes qui affectent l’atmosphère à un endroit et à un moment donné : précipitations, vents, ensoleillement, température, humidité… Il dépend de facteurs comme le rayonnement solai...

3ème cours Les principaux facteurs du climat Le climat se définit par l’ensemble des phénomènes qui affectent l’atmosphère à un endroit et à un moment donné : précipitations, vents, ensoleillement, température, humidité… Il dépend de facteurs comme le rayonnement solaire, la circulation atmosphérique, la présence de reliefs et des interactions entre continents, océans et atmosphère. 1. Mesures météorologiques dans les stations conventionnelles Avant d’en parler les mesures météorologiques, qui sur une longue période d’observation, vont constituer les données climatiques, il est nécessaire d’évoquer les caractéristiques des sites d’observation météorologique. En effet, ils obéissent à la norme internationale NF ISO 19289, qui fournit une classification des sites de mesure pour déterminer leur représentativité à petite échelle, en fonction de leur environnement et de leur exposition. Elle permet de déterminer les règles de dégagement applicables aux différents capteurs, en vue d’obtenir des mesures météorologiques représentatives d’une zone étendue. Les stations, doivent se trouver dans un endroit dégagé, sur une herbe tondue rase. L’air doit circuler librement à l’intérieur de la station. De plus, la station doit être peinte en blanc pour réduire l’absorption du rayonnement solaire. Photo.1. Environnement d’une station d’observation météorologique Source : internet 1 Certains instruments de mesures notamment le thermomètre doivent être placés à l'intérieur d’un abri météorologique (Photo.2), l’abri de STEVENSON (du nom de son inventeur en 1864). C'est une boîte en bois qui minimise au maximum la transmission de chaleur, placée à 1,5 m du sol. Les parois de l'abri sont faites de lattes blanches pour réfléchir le rayonnement solaire et laisser passer l'air. Les lattes (les persiennes) de l'abri permettent la circulation de l'air. Il s’ouvre vers le Nord pour éviter les rayons directs de soleil à la lecture, la couleur blanche de l'abri sert à réfléchir les rayons du soleil, ce qui empêche que l'abri ne se réchauffe et que les données soient faussées. Actuellement, les paramètres atmosphériques sont mesurés dans des conditions strictes à des pas de temps variables (de la seconde à la journée). Ces critères physiques de l'atmosphère correspondent principalement à des mesures de températures, précipitations, ensoleillement, humidité de l'air et vent. Photo. 2: Abri météorologique de Stevenson 2. Station automatique de mesure Ce genre de stations météorologiques est spécialement conçu pour être installé en pleine nature ou dans les zones difficilement accessibles, ces dernières sont dotées d’un système photovoltaïque (panneau solaire) qui fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement de la station. Les principaux paramètres climatiques sont mesurés et enregistrés en respectant les normes de l’OMM (Organisation Météorologique Mondiale) comme la température, l’humidité relative, la vitesse et direction du vent, les précipitations ou encore le rayonnement solaire et le rayonnement ultraviolets. Également , la station est capable de calculer quelques paramètres agro climatiques, tels que l’évapotranspiration (ETP), le point de rosée etc. 2 Les données relevées par la station météorologique automatique sont stockées localement dans un premier temps, puis transférer par satellite et la récupération de l’intégralité des données et leur stockage dans un ordinateur. Fig. 1: Station de mesure automatique 3. Mesures en surface 3.1. Précipitations 3 Les précipitations regroupent les différentes formes sous lesquelles l'eau solide ou liquide contenue dans l'atmosphère se dépose à la surface du globe (Tab.1). La pluviosité est mesurée par différents types de pluviomètres (Photo.4). Le pluviomètre à lecture directe est formé de deux parties en matière plastique s'emboîtant l'une dans l’autre : une partie supérieure opaque, en forme d'entonnoir à fond perforé, sert à recueillir la pluie sur une surface de 400 cm² et une partie inférieure transparente, qui emmagasine l’eau recueillie et indique la hauteur d'eau tombée par lecture directe sur une échelle graduée. Le Pluviomètre sans fil peut avoir une longue portée de 100 m entre l'afficheur et le collecteur de pluie, il affiche le cumul total et le cumul quotidien simultanément. Il comporte de nombreuses autres fonctions : alarme pluie, historique, température intérieure, etc. Photo. 4: Pluviomètre à lecture directe (manuel) / Pluviomètre électronique, et le Pluviographe à syphon (mécanique) Tab. 01 : Taille des éléments constituants les différents types de précipitations (Modifié d'après De Parcevaux et al., 1990 ; Beltrando et Chémery 1995) Type de précipitation Taille des "éléments" Pluie (liquide) 0,5 à 6 mm Bruine (liquide) < 0,5 mm Grêle (solide) 5 à 50 mm Grésil particules de glace (solide) (< 5 mm) Neige (solide) Taille variable 4  Photo.5 : la grêle et la neige Généralement, les pluies caractérisent un phénomène discontinu : les périodes pluvieuses alternent avec les périodes sans pluie, sans qu'il soit possible de préciser ni leur durée ni la façon dont elles se répartissent au cours de l'année. Les expressions météorologiques de « mois sec » ou de « mois pluvieux », fondées uniquement sur la considération des moyennes pluviométriques doivent être considérées avec précautions quand on s’intéresse à des processus biologiques. Le mois constitue également une unité de temps arbitraire qui ne cadre pas forcément avec la répartition inégale des pluies au cours de l’année. De plus, pour un même total annuel, des pluies régulièrement réparties sur l'ensemble de l'année auront des répercussions très différentes sur le comportement des essences que des précipitations soudaines très abondantes sur une courte période. Ainsi, outre les totaux mensuels ou annuels, il est également important en écologie de considérer le nombre de jours de pluie (pluie > 0,1 mm), la durée des précipitations (jours, heures, minutes) et l'intensité (en mm d'eau par heure). Les masses d’air et les fronts Les masses d’air : c’est un volume d’air avec une température et une humidité relativement uniformes sur le plan horizontal. La masse d’air s’étend sur une surface de plusieurs centaines voire des milliers de kilomètres, et son épaisseur varie en fonction de la température, mais atteint plusieurs kilomètres. Comment se forment les masses d’air ? L’air, on passant sur une surface, prend quelques caractéristiques de cette surface. Si l’air passe sur la mer l’évaporation fait que l’air devient plus humide. Si l’air passe sur une surface chaude, l’air se réchauffe ; au contraire, si l’air passe sur une surface froide, il se refroidit. Pour créer une masse d’air ( c-à-d de l’air qui a la même température et la même humidié sur des centaines de kilomètres), il nous faut donc une surface qui soit trop grande est très 5 homogène (soit un océan, soit une vaste étendue continentale, dépourvu de reliefs ou de rupture importants (pour que l’air ne soit pas casser), et que le vent soit assez faible pour que l’air puisse se déplacer lentement. Où se forment les masses d’air ? Les masses d’air se forment généralement dans des latitudes spécifiques, où la circulation atmosphérique est lente, stationnaire, stable et continue (cellules de circulation des masses d’air, voir cours 2), d’où le noms des masses d’air équatoriales, polaires, et tropicales. Ainsi, nous avons des masses d’air océanique (maritime) humide et des masses d’air continentales plus sec (froid ou chaud). Les masses d’air sont entrainées par la circulation atmosphérique et elles vont influencées la météo des régions vers lesquelles elles se déplacent en fonction de leurs caractéristiques. Avec toutes ces masses d’air existante sur le globe, elles se déplacent et se rencontrent. Fig.2. Les différentes masses d’air sur le globe 6 Que se passe-t-il lorsque deux masses d’air se rencontrent ? Deux masses d'air de température différente qui se rencontrent, ne se mélangent pas, car les différences de températures conduisent à des différences de densité. La ligne de rencontre entre ces deux masses d'air s'appelle un front. Fronts froids : si une masse d'air froid suit une masse d'air chaud et que la première se déplace plus vite que la seconde, elle s'introduit sous la masse d'air chaud, l'élève et forme le front. L'air froid descendant donc au sol, il force l'air chaud, plus léger, à s'élever en hauteur. En s'éloignant de la terre (en prenant de l’Altitude), l'air chaud se refroidit et ne peut plus retenir autant de vapeur. Cet air chaud étant chargé d'humidité, il se formera alors des nuages et l'humidité retombera sous forme de pluie, neige ou grêle. Ce type de front donne souvent des orages et des averses brusques. Après son passage, de l'air froid et dense envahit la région, la pression monte donc, la température se refroidit et le ciel s'éclaircit. Fig.3 : Front froid Fronts chauds : ce type de front est créé chaque fois qu'une masse d'air chaud, se déplacent plus rapidement qu'une masse d'air froid, chasse cette dernière. L'air chaud étant plus léger, il a moins de force et se superpose donc à la masse d'air froid (c-à-d il glisse au-dessus et l'usera peu à peu). Au fur et à mesure que l'air chaud s'élève, il se décharge de son humidité: des nuages apparaissent... Le passage d'un front chaud occasionne la formation progressive de nuages bas et s'accompagne d'une pluie fine qui tombera pendant plusieurs heures ou, en hiver, il est responsable des bonnes chutes de neige. Après cette pluie, le ciel s'éclaircit de nouveau et l'arrivée d'air chaud entraîne une baisse de pression et une hausse de la 7 température. Les changements associés aux fronts chauds se font plus graduellement que lors du passage des fronts froids. Fig.4 : Front chaud Fronts occlus : quand une masse d'air chaud écartée par la rencontre de deux masses d'air froid qui la soulève. Fig.5 : Fronts occlus L'illustration ci-dessous, présente des lignes fermées autour d’un centre d'action et identifiée par un nombre de référence. Ce sont des lignes reliant les points recevant les mêmes quantités de pluie (ramenée au niveau de la mer) et appelées isohyètes. 8  https://www.researchgate.net/publication/325698973/figure/fig1/AS:636442162249728@1528751044045/carte-representant-les-Isohyetes-pluviometriques-de-la-region-concernee.png Fig.6 : représentation cartographique des précipitations (Isohyètes) 3.2. Températures C'est un paramètre essentiel qui conditionne toutes les activités physiologiques et les réactions chimiques (rôle de la température dans la réactivation du cambium et la levée de dormance, dans l'inhibition de la photosynthèse…). La température de l'air dépend du rayonnement solaire, de la pression de l'atmosphère, de sa composition en gaz. La température est exprimée en Degrés absolu (°K) ou en degré Celsius (°C) ou encore degrés Fahrenheit (°F), les règles de conversion sont les suivantes : °K= 273,15+°C °F=(1,8*°C)+32 °C=0,56*(°F-32) La température et sa variation diurne (au cour de la journée) varient en fonction du lieu de l'observation : Latitude, stations maritimes ou continental, hauteur de la station, nébulosité. Le thermomètre est l'instrument météorologique le plus utilisé (Fig.7). Fig.7 : Thermomètre classique / thermomètre électronique 9  https://static.educalingo.com/img/de/800/isotherme-1.jpg Isothermes : représentation cartographique des températures 3.3 Pression atmosphérique Soumise à la pesanteur (la force d’attraction terrestre), la masse de l’atmosphère qui enveloppe la terre exerce sur sa surface une certaine force de pression. Ainsi, une colonne d'air de section de 1 m², du sol jusqu'au sommet de l'atmosphère, pèse environ 10000 kg. La pression atmosphérique est mesurée en hectopascal (HPa). L'instrument de mesure de la pression atmosphérique est le baromètre. Les pressions atmosphériques mesurées en un lieu donné sont ramenées au niveau de la mer et les baromètres sont calés pour indiquer la pression au niveau de la mer. Cette correction revient à ajouter le poids de la colonne d'air manquante entre l'altitude du point de mesure et le niveau de la mer. Il s’agit des normes définies par l'Organisation Météorologique Mondiale pour pouvoir comparer les mesures de pression entre elles. Un baromètre doit donc toujours indiquer la pression au niveau de la mer. Si vous le déplacez, n'oubliez pas de le régler à nouveau. 3.3.1 Variation verticale de la pression atmosphérique Plus on s'élève en altitude, moins il y a d'air au-dessus de nos têtes et donc plus la pression baisse. En moyenne, la pression atmosphérique diminue de 1 hPa tous les 8 mètres. Pression moyenne à 1 500 m d'altitude : 850 hPa ; 10  Pression moyenne à 3 000 m : 700 hPa ; Pression moyenne à 5 500 m : 500 hPa. Il y a autant d'air entre 0 et 5 000 m qu'entre 5 000 m et l'espace. 3.3.2 Variation horizontale de la pression atmosphérique Au niveau de la mer, la pression moyenne est de 1 013,25 hPa. En tout point de la surface du globe, la pression ramenée au niveau de la mer varie au cours du temps. - La basse pression : c’est le phénomène de Dépression qui annonce un temps couvert. En effet, lorsque la température augmente, l’air se réchauffe et se dilate, sa densité est plus faible, ce qui signifie que pour une même masse d’air la pression diminue. Cet air chaud est plus léger va avoir tendance de s’élever c’est l’ascendance. L’air chaud en montant va venir se refroidir pour redescendre, c’est ce que nous appelons la basse pression. - La haute pression : c’est le phénomène de l’Anticyclone qui annonce un temps dégagé (le temps dégagé ne veut pas forcément dire un temps chaud). Ici à l’inverse, lorsque la température diminue, l’air se contracte, sa densité est plus forte, ce qui signifie que pour une même masse d’air la pression augmente. Cet air froid est plus lourd va avoir tendance de descendre c’est la subsidence. L’air froid en altitude va descendre et va provoquer la haute pression au niveau du sol Lignes isobares :représentation cartographique de la pression atmosphérique 11  Fig.10: Baromètre et Barographe 3.4. Humidité relative de l'air L’humidité de l’air est la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air atmosphérique. L'humidité relative compare donc la quantité d'eau présente dans l'air à la quantité qu'il faudrait pour saturer cet air à une température donnée (taux d’humidité à 100%). Par exemple, si l'humidité relative est de 50 %, cela signifie que l'air contient la moitié de la quantité maximale de vapeur d'eau qu'il peut contenir. D'une façon générale, on considère qu'un air est sec quand son humidité relative est inférieure à 35% et qu'il est humide quand celle-ci est supérieure à 70%. La mesure de l'humidité relative de l'air s'effectue sous abri, généralement à l'aide d'un Psychromètre. Cet appareil comporte un thermomètre entouré d'une mousseline mouillée en permanence (Température humide) et un thermomètre sec (Température sèche). Le thermomètre mouillé indique normalement une température plus basse que celle du thermomètre sec. C'est que de l'eau s'évapore du coton imbibé et on sait que l'évaporation produit un refroidissement. À cause de l'évaporation, l'eau qui reste dans le coton se refroidit et le thermomètre indique une température plus basse que le thermomètre sec. 12  Fig.11 : Psychromètre. Plus l'air est sec, plus il y a d'eau qui s'évapore du coton et plus la température du thermomètre mouillé est basse. La différence de température entre les deux thermomètres est donc d'autant plus grande que l'air est sec. Au contraire, si l'air est très humide, peu d'eau s'évaporera du coton et la température du thermomètre mouillé diminuera moins. Lorsque l'air est saturé (100 % d'humidité relative), il n'y a pas d'évaporation et le thermomètre mouillé indique la même température que le thermomètre sec. On détermine à partir de tables, la valeur de l'humidité. Par exemple, une T sèche de 2°C et une T humide de 1°C correspond à une humidité relative (=degré hygrométrique) de 82% (dif = 2-1 = 1°C). 3.5 Ensoleillement L’ensoleillement est la durée pendant laquelle un lieu subit le rayonnement direct du soleil. Il dépend de la position géographique du lieu (latitude) et de la nébulosité (couverture nuageuse). Le climat lumineux d'un lieu dépend de la durée, de l'horaire de distribution, de l'intensité et de la qualité de l'insolation. La durée d'insolation se mesure généralement à l'aide d'un héliographe. Cet instrument enregistre la durée d'insolation. L’héliographe Campbell-Stokes est une sphère de verre à la surface focale de laquelle on place une bande de carton de couleur et de texture définie. L'effet thermique du rayonnement solaire direct concentré par la sphère produit une brûlure, un brunissement ou une décoloration du carton suivant l'intensité du rayonnement. la somme de 13 ces traces permet d'estimer la durée réelle d’insolation. La durée maximale théorique d'insolation (par ciel clair) est le temps compris entre le lever et le coucher du soleil. Fig.12 : Heliographe de Campbell-Stokes / Pyranomètre. 3.6 Nébulosité Selon les conditions atmosphériques, la condensation de la vapeur d’eau peut former des ensembles d’aspects très divers. On peut établir une classification de ces types de nébulosité selon leur altitude et leur développement. Près du sol, on a des brouillards et des brumes, loin du sol on distinguera des nuages formant principalement des couches, à différentes altitudes, et des nuages se développant verticalement. Les termes utilisés pour décrire les nuages proviennent du latin et se rapportent à leur forme (stratus : en couche ; cumulus : accumulation ; cirrus : formant des cheveux ; nimbus : nuage). La nébulosité correspond à la quantité de nuages. Elle est déterminée par observation au sol, et est renseigné en nombre de huitièmes de ciel couvert par chaque couche nuageuse et par l'ensemble des nuages (il s'agit donc de diviser mentalement le ciel en huit quadrants, et d'estimer le nombre de parties couvertes par des nuages). 14  Fig.13: Types de nuages 3.7 Vent Le vent est la conséquence du déplacement de l'air. C’est la résultante des forces de pression. Il est caractérisé par sa vitesse, exprimée généralement en kilomètre par heure (km/h), en m/s ou en nœuds, et sa direction ou provenance, indiquée en degré par rapport au Nord ou à l'aide d'une rose des vents. L'appareil de mesure de la vitesse du vent est un Anémomètre. Sa direction est déterminée à l'aide d'une Girouette ou d'une manche à air. Selon la convention internationale, on mesure la vitesse et la direction du vent sur une tour à 10 mètres au-dessus du sol. L’anémomètre est constitué de trois coupelles en forme de demi-sphères orientées dans le même sens et qui sont libres de tourner. La plupart des anémomètres modernes (fig. 14) comprennent un système électronique interne qui calcule le nombre de tours que font les coupelles ou les hélices pendant un temps précis. Le vent peut avoir une action mécanique (érosion du sol, déformation des arbres…) ou physiologique. Le vent exerce sur toute surface fixe située dans l'atmosphère une force de pression dynamique proportionnelle au carré de sa 15 vitesse et fonction de sa direction par rapport à cette surface. Pour une paroi perpendiculaire à la direction du vent, les pressions exercées sont présentées ci-dessous. Fig.14 : Manche à air / Anémomètre avec girouette/ anémomètre électronique. Fig.15 : Echelle Beaufort de mesure des vents Sur une carte de vents un bâtonnet indique la force moyenne et la direction du vent. La force est donnée par les petites barres qui l'accompagnent sur une des extrémités. Une petite barre indique 5 nœuds, une grande barre indique 10 nœuds. Une fois arrivé à 50 nœuds, le tout est remplacé par un triangle plein. La direction est donnée par l'autre extrémité du bâtonnet. Il est possible de trouver le vent à différentes altitudes. 16 La rose des vents Les roses des vents sont des graphiques qui caractérisent la vitesse et la direction des vents à un endroit donné. Présenté dans un format circulaire, la longueur de chaque "rayon" autour du cercle indique la fréquence temporelle que le vent souffle d'une direction particulière (direction dominante). Les couleurs le long des rayons indiquent les catégories de vitesse du vent. Fig.16 : Roses des vents 17