Climatologie/Introduction au système climatique

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Définition

Le climat d'une région, c'est

• qualitativement : synthèse de la météo d'une région
• quantitativement : valeur espérée de la météo d'une région sur l'intervalle de temps d'un mois ou d'une saison

Des éléments climatiques sont : valeurs espérées des éléments météorologiques, valeurs moyennes des température, précipitations, vents, pression, ennuagement, humidité.

• 
  Concentration en CO₂, à 8 km d'altitude
• 
  Épaisseur des nuages en avril 2001
• 
  Vitesse moyenne des vents, pour janvier et juillet
• 
  Température globale annuelle moyenne, en fonction du temps

Température atmosphérique

Extrêmes mesurés :

• minimum = -89 °C à Vostok, en Antarctique (3 488 m au-dessus du niveau de la mer)
• maximum = 58 °C en Libye

Variations de température à la surface

Températures moyennes à la surface

• La température est la plus élevée à l’équateur, où elle est de plus de 26 °C sur une ceinture d'une soixantaine de degrés de latitude. En dehors de cette ceinture, la température diminue en se rapprochant des pôles.
• Dans l’hémisphère nord, la variation saisonnière est prononcée : au pôle les températures de février sont environ de 26 °C plus basses que celles en juillet.
• L'amplitude de la variation saisonnière diminue du pôle nord jusqu'à l'équateur, où la température moyenne demeure à 27 ± 1 °C toute l'année.
• Dans l’hémisphère sud, l'amplitude de la variation saisonnière est plus petite qu'au nord.
• La plus grande différence entre les deux hémisphères survient dans la ceinture de latitudes entre 45 et 60 °.
• Ces deux derniers points s'expliquent parce que, dans l'hémisphère sud, davantage de surface est couverte par des océans, qui emmagasinent efficacement la chaleur.
  • L'été, l'océan accumule la chaleur du Soleil. Vu qu'une grande quantité de chaleur est nécessaire pour augmenter la température de surface de l'océan, l'ensoleillement de l'été augmente de façon minime la température.
  • Durant l'hiver, une grande quantité de chaleur est libérée dans l'atmosphère, mais ceci n'affecte que de façon minime la température de la surface de l'océan.
• Les surfaces de terre se réchauffent et se refroidissent plus rapidement que l'océan. L'intérieur des continent est plus froid durant l'hiver et plus chaud durant l'été que l'océan à la même latitude.

Variations de température en altitude

Dans la partie inférieure de l'atmosphère (10 km - 15 km), la distribution de la température varie de façon importante en fonction de l’altitude. Le taux de déclin de la température en altitude est appelé gradient thermique adiabatique (anglais : lapse rate) et est défini par :

$\Gamma =-{\frac {dT}{dz}}$

où T est la température et z l'altitude.

Dans ces basses altitudes (dites troposphère), le gradient thermique adiabatique moyen global est de 6,5 K/km (degré Kelvin par kilomètre), bien que ce taux varie en fait en fonction de l'altitude, de la latitude et de la saison.

Ces valeurs montrent les principales zones de l’atmosphère en fonction de la température (normales annuelles à 15 °N).

Altitude (km)	Nom	Température (K)	Explication
120	thermosphère	180 à 320+	La température augmente à cause de l'absorption d'UV du Soleil : l'oxygène, l'azote et les autres gaz sont ionisés
90 (mésopause)	mésosphère	280 à 180
50 (stratopause)	stratosphère	200 à 280	La température augmente à cause de l'absorption d'énergie solaire par l'ozone
20 (tropopause)	troposphère	300 à 200

Température de l'atmosphère (en °C) en fonction de l'altitude (en km).

Le déclin de la température dans la troposphère est crucial à plusieurs mécanismes maintenant la chaleur de la surface. Ce déclin et ces mécanismes sont déterminants pour la sensibilité climatique.

• La température et le gradient thermique adiabatique sont principalement déterminés par l'équilibre entre le refroidissement par émission IR de la surface et la convection de la chaleur.
• La distribution verticale de la température varie en fonction de la latitude et de la saison.

Troposphère tropicale :

• À l'équateur, la température diminue jusqu'à une altitude de 17 km.
• En moyenne sur un an, c’est la partie la plus froide des 20 premiers km de l'atmosphère.

Troposphère non-tropicale :

• La température du bas de la stratosphère est quasiment indépendante de l'altitude.
• Le gradient thermique adiabatique polaire est plus petit que plus près de l'équateur.
• L'hiver et le printemps, la température du bas de la troposphère augmente avec l'altitude. Une couche d'air où le gradient thermique adiabatique est négatif est une couche d'inversion (anglais : temperature inversion).
• Aux pôles, la température de la surface diminue rapidement à cause des émissions IR lorsqu’il y a de l'ensoleillement, et à cause du manque d'isolation quand il y n'en a pas (en hiver). L'air déplacé par les vents soufflant en direction des pôles réchauffe le bas de la troposphère, mais étant donné que l'air ne transmet pas aussi bien la chaleur par radiation que la surface, celle-ci n’est pas réchauffée rapidement.

Composition atmosphérique

Proportion des gaz atmosphériques

La composition de l'atmosphère est un des principaux déterminants du climat. C'est l'interaction entre les gaz atmosphériques et l'énergie de radiation qui module le flux d'énergie à travers le système climatique.

• La partie solide de la Terre a une masse d'environ $10^{24}$, la partie liquide, $10^{21}$ et la partie gazeuse, $10^{18}$.
• L'air atmosphérique sec est composé à 78 % d'azote moléculaire, 21 % d'oxygène moléculaire et de 1 % d'argon.
• Les gaz qui sont importants dans l'absorption et l'émission d'énergie comptent pour moins de 1 % de la masse de l'atmosphère. Dans l’ordre d'importance pour la température de surface : la vapeur d'eau (0,33 %), le dioxyde de carbone ($10^{-5}$ %) et l’ozone ($10^{-5}$ %). Suivent le méthane, l’oxyde d'azote, etc.

L'équilibre hydrostatique

Voir aussi : atmosphère normalisée.

Dérivation de l'équation hydrostatique

Au repos, l'atmosphère est soumise à deux forces : la gravité l'attire vers le centre de la Terre et la pression gazeuse la repousse vers l'espace. Ces forces sont approximativement en équilibre : l’équilibre hydrostatique est obtenu en posant comme égaux la force de gravité et le gradient de pression. Plus précisément, soit une couche d'air d'une certaine hauteur et d'une certaine aire, et soit $F_{pression\;du\;bas}$ la force de pression venant du bas, $F_{pression\;du\;haut}$ la force de pression venant du haut et $F_{gravite}$ la force de gravité s'y appliquant :

$F_{pression\;du\;bas}=F_{pression\;du\;haut}+F_{gravite}$

Soit aussi $p_{haut}$, la pression venant du haut et $p_{bas}$, celle du bas, $\rho$, la densité de l'air et g, l'accélération de la gravité :

$0=p_{haut}*aire-p_{bas}*aire+\rho *g*aire*hauteur$

$p_{haut}-p_{bas}=-\rho *g*(z_{haut}-z_{bas})$

On prend alors la limite lorsque hauteur → 0, afin d'obtenir :

$dp=-\rho gdz$

i.e. $g=-(1/\rho )dp/dz$

qui est l'équation hydrostatique (ou équation barométrique). L'équation hydrostatique décrit de quelle quantité dp la pression atmosphérique varie pour une petite variation dh de l'altitude. Comme le montre la présence du signe moins, dp est négatif quand dz est positif : la pression diminue quand l'altitude augmente.

Altitude caractéristique

Voir aussi : formule du nivellement barométrique.

De $pV=NRT$ on réécrit $p=\rho RT$, où $R$ est la constante universelle des gaz parfaits et ainsi, en posant $H=RT/g$, l’altitude caractéristique, (anglais : scale height):

$dp/p=dz/H$

Si l'atmosphère est isotherme, alors la température et donc l'altitude caractéristique sont constantes, ce qui fait que l'équation hydrostatique peut être intégrée à partir de la surface jusqu'à une hauteur arbitraire, $z$. Soit la pression à la surface $p_{0}=1,01325\times 10^{5}$ Pa :

	$\int _{p_{0}}^{p_{z}}{\frac {\mathrm {d} p}{p}}=-{\frac {Mg}{RT}}\,\int _{0}^{z}\mathrm {d} z$
$\Leftrightarrow$	$\ln \left({\frac {p_{z}}{p_{0}}}\right)=-{\frac {Mg}{RT}}(z-0)=-{\frac {Mg}{RT}}z$
$\Leftrightarrow$	${\frac {p_{z}}{p_{0}}}=e^{-{\frac {Mg}{RT}}z}$
$\Leftrightarrow$	$p_{z}=p_{0}e^{-{\frac {Mg}{RT}}z}$
$\Leftrightarrow$	$p_{z}=p_{0}e^{-z/H}$

ou plus généralement, $p_{z_{1}}=p_{z_{0}}e^{-\Delta z/H}$. Donc, à chaque augmentation de l'altitude de valeur $H$, la pression diminue d'un facteur $e=2,71828$, c'est-à-dire exponentiellement. Pour la température moyenne de l'atmosphère terrestre, l'altitude caractéristique est environ $H=7,6$ km et, pour $T=15$ °C, environ $H=8,4$ km.

Répartition de la masse de l'atmosphère

Diagramme de l'atmosphère

On peut réarranger l'équation hydrostatique pour obtenir :

$dm=\rho dz=-dp/g$

qui donne la masse entre deux altitude en fonction de la différence de pression entre ces altitudes.

Étant donné l'équilibre hydrostatique et la pression moyenne à la surface de $p_{0}=1,01325\times 10^{5}$ Pa :

masse de l'atmosphère $=p_{0}/g=1,03\times 10^{4}$ $kg/m^{2}$

Autrement dit, chaque mètre carré à la surface de la Terre se situe sous une colonne d'air qui a une masse d'environ 10 000 kg.

De plus, à cause de la distribution de la pression en fonction de l'altitude (cf. altitude caractéristique), le gros de la masse de l'atmosphère est confinée à la vingtaine de km les plus bas de l'atmosphère. Par conséquent, c’est la troposphère qui a le plus d'impact sur le climat, bien que la stratosphère ait aussi quelques impacts non négligeables.

L'eau

Humidité atmosphérique

L'humidité atmosphérique est la vapeur d'eau présente dans l'air.

Importance

• C'est l'atmosphère qui transporte l'eau évaporée de la surface là où ont lieu les précipitations.
• L'eau douce qui s'écoule vers l'océan provient de la vapeur dans l'air.
• La vapeur d'eau dans l'atmosphère est le plus important des gaz à effet de serre.
• Les nuages, formés de vapeur d'eau condensée, sont importants dans plusieurs phénomènes : les précipitations, la réflexion de la radiation solaire et la réflexion de la radiation IR de la surface.

Répartition de la vapeur d'eau de l'atmosphère

Quantité moyenne de vapeur d'eau

Latitude

• Plus la latitude est grande, moins il y a de vapeur d'eau.
• Il y a dix fois plus de vapeur d'eau dans l'air à l'équateur qu'aux pôles.

Altitude

• Plus l'altitude est grande, moins il y a de vapeur d'eau.
• La plus grande partie de la vapeur d'eau se situe dans les quelques premiers km de l'atmosphère.
• Sa pression partielle est de 50 % à 2 km et de 10 % à 5 km, par rapport à sa valeur à la surface.

Ces deux diminutions en quantité sont associées au fait que l'air plus chaud peut contenir plus de vapeur d'eau.

L'ensemble des océans

L'océan planétaire, projection de Fuller

L'atmosphère ne contient qu'une petite fraction de l'eau impliquée dans le système climatique, soit environ $1/10^{5}$. La plupart se trouve dans les océans et la glace : des $10^{9}$ km$^{3}$ d'eau terrestres, une fraction de 97 % est de l’eau de mer.

Importance

• L'océan couvre 71 % de la surface, avec une profondeur moyenne de 3 800 m.
• Grande capacité de stockage et dépense d'énergie, sur des intervalles de temps allant d'une saison à plusieurs siècles.
• Responsable de la moitié du transport d'énergie entre les pôles et les tropiques.
• Source de la vapeur d'eau des précipitations.
• L'interface mer-air détermine la composition de l'atmosphère par l'échange de gaz et de particules : l'océan retire du dioxyde de carbone de l'atmosphère et produit de l'oxygène moléculaire, en plus d'autres cycles géochimiques déterminants.

Absorption moyenne du carbone inorganique

Température

Voir aussi : température de surface de la mer.

• Décroît avec la profondeur, d'une température près de celle de l'air de surface, à une température près du point de congélation de l'eau.
• À la surface, une mince couche a une température indépendante de la profondeur, vu que les vents et les vagues s'y mélangent.
• La couche où la température change le plus est appelée thermocline (env. le premier km). Plus bas, la température est quasiment uniforme.

Température moyenne à la surface

Salinité

Principaux composants de l'eau de mer

Salinité = g de sel par kg d'eau de mer :

• Au large de l'océan : 33-38 g/kg. Pour une salinité de 35, env. 30 g/kg est composée de sodium et de chlorure.
• Contributeur important aux variations de densité, pour toutes les latitudes, et contributeur principal pour les grandes latitudes (quand la température est près du point de congélation).
• Variations de densité :
  • Origine de la circulation dans les profondeurs : transport d'énergie et d'éléments nutritifs pour la vie marine.
  • Varie en fonction de la profondeur et de la latitude.
  • Tropiques : haute salinité à cause de l'évaporation > précipitation. C'est le contraire aux autres latitudes.
  • En profondeur : peu de variations, vu que les pertes et sources sont à la surface.

Salinité annuelle en surface des océans mondiaux

La cryosphère

Image satellite de l'Antarctique.

Image satellite du Groenland

Cryosphère = l’ensemble de la glace près de la surface terrestre.

• 2 % de l'eau terrestre est gelée, soit 80 % de l'eau douce, répartie surtout en Antarctique (89 %) et au Groenland (8,6 %).
• Pour le climat, c’est surtout l'aire de surface gelée qui est importante, indépendamment de sa profondeur.
  • En général, la glace réfléchit mieux le Soleil que la surface qu'elle couvre.
  • Sur la mer, la glace est un très bon isolant qui permet à l'air d’avoir une température très différente de l'eau sous la glace.
• En permanence, la glace couvre 11 % de la surface solide (nappe de glace ou inlandsis ou calotte polaire ou calotte glaciaire) et 7 % de l'océan (banquise).
  • Il arrive que davantage de la surface solide soit couverte par de la neige que par de la glace, au cours d'une saison.
  • Les surfaces couvertes par des calottes polaires, de la neige saisonnière et de la banquise sont comparables, toutes de l’ordre de $10^{6}$ km$^{2}$).

La surface terrestre

Sur la surface terrestre, la température et l'humidité du sol déterminent la végétation et le potentiel agricole ; inversement, la végétation, l'enneigement et la condition du sol affectent le climat.

• Env. 30 % de la surface de la Terre.
• L'arrangement de la surface et de l'océan détermine le climat global. 70 % de la surface est dans l'hémisphère nord et ceci cause de grande différences de climat entre le nord et le sud.
• La topographie de la surface, telle l'orientation des chaînes de montagnes déterminent les climats régionaux. L'hémisphère nord comporte des changements d'élévation beaucoup plus dramatiques que le sud, avec les Rocheuses et l’Himalaya.