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
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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. - PowerPoint PPT Presentation
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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