Fiche de révision : Climatologie dynamique et atmosphère

📋 Plan du Cours

1. Climat, météo et types de temps
2. Échelles et champs géographiques
3. Composition et évolution atmosphériques
4. Structure verticale et pression
5. Rayonnement et transferts énergétiques
6. Répartition de l’énergie et températures
7. Rayonnement et température atmosphérique
8. Contrastes régionaux de température
9. Mesures de l’humidité atmosphérique
10. Saturation et répartition de la vapeur d’eau
11. Humidité relative et confort thermique

📖 1. Climat, météo et types de temps

🔑 Notions clés & Définitions

• Climat : Selon Maximilien Sorre (1934), le climat est « la série des états de l’atmosphère au-dessus d’un lieu dans leur succession habituelle ».
• Climatologie : Selon l’OMM, la climatologie est l’étude du climat et de l’état moyen de l’atmosphère, c’est-à-dire de la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes.
• Type de temps : Selon Baldit (1934), un type de temps existe lorsque la combinaison des valeurs atmosphériques apparaît fréquemment, avec des constituants très voisins et des effets pratiquement semblables.

★ À maîtriser

• La normale climatique est la moyenne d’une variable calculée sur 30 ans et permet de caractériser une situation sans décrire nécessairement les événements exceptionnels.

📌 La climatologie compréhensive analyse la fréquence des ambiances atmosphériques quotidiennes, tandis que la climatologie synoptique relie les phénomènes locaux à la circulation atmosphérique générale.

Compléments

• Selon Bénévent (1926), « l’année moyenne est précisément celle qui ne se réalise jamais ».

💡 Astuce mémo

La météorologie prévoit le temps futur ; la climatologie étudie les séries longues.

📖 2. Échelles et champs géographiques

★ À maîtriser

📌 La climatologie géographique relie les processus atmosphériques, hydrologiques et biologiques au niveau du sol et étudie les effets du climat sur les activités humaines.

• L’échelle globale, de l’ordre de 10⁵ km, concerne les facteurs climatiques moyens du globe, tandis que l’échelle synoptique, de 10⁴ à 10³ km, concerne notamment les dépressions, les anticyclones et les cyclones tropicaux.

Compléments

• La climatologie géographique étudie notamment : les risques météorologiques et climatiques, les climats urbains, les topoclimats, les effets du climat sur le tourisme, la santé et le sport

• La méso-échelle, de 10³ à 10¹ km, concerne notamment les lignes de grains, les systèmes convectifs et les vents régionaux, tandis que la micro-échelle, de 10⁰ à 10⁻¹ km, concerne les rafales et les vents stationnels.

• Les échelles climatiques comprennent :

  • l’échelle globale
  • l’échelle zonale
  • l’échelle des aires
  • l’échelle des régions
  • l’échelle locale ou stationnelle
  • le topo-climat
  • le micro-climat

• Le modèle tri-cellulaire organise la circulation atmosphérique à l’échelle zonale et contribue à déterminer les grands types de climats polaire, tempéré et tropical.

📖 3. Composition et évolution atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Atmosphère terrestre : Enveloppe gazeuse mêlée d’aérosols, maintenue autour de la Terre par la gravité et animée de mouvements horizontaux et verticaux.

★ À maîtriser

• Les gaz stables cités sont :

  • l’azote
  • l’oxygène
  • l’argon
  • le xénon
  • le néon
  • l’hélium

• 🔄 L’histoire de l’atmosphère comprend : le dégazage volcanique de l’atmosphère primitive à partir de 4,6 Ga, la grande oxydation liée à la photosynthèse à partir de 3,5 Ga, avec accumulation de l’oxygène dès 2,5 Ga, la stabilisation amorcée à partir de 1,6 Ga

📌 L’ozone stratosphérique, naturel, protège la vie des UV, tandis que l’ozone troposphérique est nuisible et essentiellement d’origine anthropique.

Compléments

• La masse totale de l’atmosphère est estimée à 5,29 × 10¹⁸ kg, et 99,9 % de cette masse se trouve dans les 50 premiers kilomètres d’altitude.

• La teneur atmosphérique en vapeur d’eau varie de 0,1 à 4 % selon l’espace et le temps.

• Les temps de résidence atmosphériques indiqués sont d’environ 4 ans pour le CO₂, 10 ans pour le CH₄ et 10 à 20 jours pour la vapeur d’eau.

💡 Astuce mémo

Dégazage volcanique → oxygénation biologique → stabilisation de l’ozone.

📖 4. Structure verticale et pression

🔑 Notions clés & Définitions

• Gradient adiabatique : Variation de température d’une masse d’air qui monte ou descend sans échange de chaleur avec l’extérieur.

★ À maîtriser

• La troposphère s’étend de 0 à 16 km environ, varie de 8 km aux pôles à 16 km à l’équateur, contient 75 % de la masse atmosphérique et présente une décroissance thermique de 6,5 °C par kilomètre.

• La pression atmosphérique moyenne ramenée au niveau de la mer est de 1013,25 hPa et diminue avec l’altitude parce que la densité atmosphérique diminue.

Compléments

• La stratosphère s’étend approximativement de 16 à 56 km ; sa basse partie reste autour de −57 °C, tandis que sa haute partie se réchauffe avec l’altitude.

• La mésosphère s’étend approximativement de 56 à 80 km et la thermosphère de 80 à 700 km.

• Environ 50 % de la masse atmosphérique se trouve sous 5,5 km, 99 % sous 30 km et 99,9 % sous 47 km d’altitude.

📖 5. Rayonnement et transferts énergétiques

★ À maîtriser

📌 La température mesure l’agitation moyenne des molécules indépendamment de la masse de matière, tandis que la chaleur désigne une quantité d’énergie qui dépend de la masse présente.

• Les principaux transferts énergétiques sont :

  • la conduction
  • l’advection
  • le rayonnement
  • la convection
  • la chaleur latente

• La température d’émission du Soleil est d’environ 5780 K et celle de la Terre d’environ 288 K ; le Soleil émet principalement dans le visible et la Terre dans l’infrarouge.

• L’énergie solaire moyenne reçue au sommet de l’atmosphère est d’environ 1368 W·m⁻² sur une surface perpendiculaire aux rayons, soit environ 342 W·m⁻² en moyenne sur la Terre.

• Environ 30 % du rayonnement solaire incident est réfléchi, laissant 238 W·m⁻² absorbés par le système terrestre et une température théorique d’environ −19 °C sans effet de serre naturel.

• L’effet de serre naturel élève la température de la Terre d’environ 33 °C par rapport à sa température théorique sans cet effet.

Compléments

📐 Formule - La température en kelvins se calcule par $T(K)=T(°C)+273{,}15$.

📐 Formule - La loi de Wien relie la longueur d’onde maximale d’émission à la température absolue par $\lambda_{\max}=\frac{2897}{T}$, avec T en kelvins.

📐 Formule - La loi de Stefan-Boltzmann relie la puissance rayonnée à la température par $P=\sigma T^4$, avec $\sigma=5{,}67\times10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}$.

💡 Astuce mémo

L’énergie solaire inégalement reçue entraîne des transferts des zones excédentaires vers les zones déficitaires.

📖 6. Répartition de l’énergie et températures

🔑 Notions clés & Définitions

• Amplitude thermique annuelle : Écart entre les températures moyennes du mois le plus chaud et du mois le plus froid.

★ À maîtriser

• Le bilan solaire moyen annuel répartit l’énergie reçue en 31 % réfléchis vers l’espace, 19 % absorbés par l’atmosphère et 50 % absorbés par la surface terrestre.

📌 L’albédo océanique est généralement inférieur à 10 %, tandis que les surfaces continentales très réfléchissantes, comme les déserts, la glace et la neige, peuvent renvoyer jusqu’à 90 % du rayonnement incident.

• La variabilité des températures dépend notamment de :
  • la latitude
  • la répartition des continents et des océans
  • les courants marins

Compléments

• L’albédo des nuages varie selon leur type : environ 40 % pour les cirrus, 60 % pour les stratocumulus et 90 % pour les cumulonimbus.

💡 Astuce mémo

Océans à faible albédo et forte inertie, continents aux contrastes thermiques plus marqués.

📖 7. Rayonnement et température atmosphérique

★ À maîtriser

• À énergie reçue identique, il fait plus chaud en septembre qu’en avril, car l’inertie thermique de l’atmosphère prolonge l’effet de l’énergie accumulée au printemps.

Compléments

• Le rayonnement diffus est plus important en Europe du Nord en raison d’une nébulosité plus forte.

• À l’échelle stationnelle, l’énergie reçue et la température varient dans le même sens, sans être réellement proportionnelles.

• Durant la nuit, la Terre émet du rayonnement, tandis que la température évolue avec le rayonnement incident et le rayonnement réémis.

💡 Astuce mémo

L’inertie atmosphérique décale la chaleur : septembre reste plus chaud qu’avril à énergie reçue égale.

📖 8. Contrastes régionaux de température

🔑 Notions clés & Définitions

• Amplitude thermique annuelle : Écart entre les températures extrêmes mensuelles.

★ À maîtriser

• Les variations de température sont d’abord liées à la latitude, qui influence l’énergie reçue et la durée du jour.

📌 Les continents ont une faible inertie thermique et présentent des températures plus contrastées que les océans, dont l’inertie thermique est forte.

Compléments

• L’amplitude thermique annuelle augmente généralement avec la latitude, mais d’autres facteurs interviennent également.

💡 Astuce mémo

Les océans amortissent les variations, les continents les accentuent.

📖 9. Mesures de l’humidité atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Humidité absolue : Mesure de la masse de vapeur d’eau par volume d’air, qui varie avec la pression lorsque le volume de la parcelle d’air change.
• Humidité spécifique : Masse de vapeur d’eau rapportée à la masse totale de la parcelle d’air, généralement exprimée en grammes par kilogramme, et qui ne change pas lorsque la pression varie sans échange de matière.
• Rapport de mélange : Rapport entre la masse de vapeur d’eau et la masse d’air sec, exprimé en grammes par kilogramme d’air sec.

★ À maîtriser

• La vapeur d’eau atmosphérique se trouve principalement dans la partie inférieure de la troposphère, à moins de 5 500 m d’altitude.

• La vapeur d’eau représente environ 0,2 à 5 % de la masse atmosphérique et son temps de résidence moyen est d’environ 10 jours, soit 1 à 2 semaines.

• L’humidité atmosphérique peut être exprimée par :

  • l’humidité absolue
  • l’humidité spécifique
  • le rapport de mélange
  • la pression de vapeur d’eau
  • l’humidité relative

Compléments

• À l’échelle planétaire, la quantité moyenne de vapeur d’eau atmosphérique reste globalement constante, car les précipitations sont compensées par l’évaporation.

📖 10. Saturation et répartition de la vapeur d’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Point de rosée : Température à laquelle une masse d’air devient saturée lorsqu’elle est refroidie sans changement de sa quantité de vapeur d’eau, et où la condensation commence.
• Pression de vapeur d’eau : Pression partielle exercée par la vapeur d’eau dans une parcelle d’air, conformément à la loi de Dalton.

★ À maîtriser

📌 La capacité maximale d’une parcelle d’air à contenir de la vapeur d’eau dépend de sa température : plus l’air est chaud, plus cette capacité est élevée.

• L’humidité spécifique moyenne se situe environ entre 5 et 17 g/kg et décroît de l’équateur vers les pôles ; à latitude identique, elle est généralement plus élevée dans l’hémisphère Nord.

Compléments

• Une parcelle d’air peut contenir environ 30 g/m³ de vapeur d’eau à 30 °C, contre environ 20 g/m³ à 21 °C.

📐 Formule - L’humidité relative d’un air contenant 20 g de vapeur d’eau alors que sa capacité à 30 °C est de 30 g est $\frac{20}{30}\times 100 \approx 67\%$.

• La teneur en vapeur d’eau est particulièrement élevée dans la zone intertropicale et diminue vers les hautes latitudes, tandis que l’évapotranspiration de la forêt amazonienne contribue à l’humidité régionale.

• L’upwelling fait remonter des eaux océaniques froides, parfois depuis plusieurs centaines de mètres de profondeur, refroidit l’air sus-jacent et réduit sa capacité à retenir la vapeur d’eau.

💡 Astuce mémo

L’air chaud peut contenir davantage de vapeur ; le refroidissement rapproche de la saturation.

📖 11. Humidité relative et confort thermique

★ À maîtriser

📌 Un point de rosée élevé indique une teneur importante en vapeur d’eau, tandis qu’un point de rosée bas indique une faible teneur en vapeur d’eau.

• En Alaska, une masse d’air peut avoir une humidité relative de 100 % et une humidité absolue d’environ 2 g/m³, tandis qu’au Colorado en été elle peut atteindre 35 °C, présenter une humidité relative d’environ 21 % et contenir autour de 20 g/m³ d’eau.

📌 À quantité absolue de vapeur d’eau stable, une baisse de température augmente l’humidité relative, tandis qu’une hausse de température la diminue.

• À température identique, une humidité relative élevée accroît l’inconfort thermique ; à 35 °C, une humidité relative de 90 % est plus difficile à supporter que 15 %.

• La transpiration refroidit le corps lorsque l’eau à sa surface s’évapore, mais un air proche de la saturation limite cette évaporation et rend le refroidissement moins efficace.

Compléments

• À La Rochelle, le 26 mars 2022, le refroidissement nocturne a fait augmenter l’humidité relative, puis le réchauffement après le lever du soleil l’a fait diminuer.

💡 Astuce mémo

Humidité relative et humidité absolue ne décrivent pas la même sécheresse.

📊 Tableaux de synthèse

Climatologie et météorologie

Humidité absolue et humidité relative