Fiche de révision : Atmosphère et bilan énergétique

📋 Plan du Cours

1. Structure et composition atmosphériques
2. Rayonnement et lois physiques
3. Insolation et albédo terrestre
4. Bilan énergétique et effet de serre
5. Circulation générale atmosphérique
6. Forçage et changement climatique
7. Notions évaluées sur l’albédo

📖 1. Structure et composition atmosphériques

★ À maîtriser

• Les variables thermodynamiques de l’atmosphère sont la température T, la pression P et la masse volumique ρ, liées par l’équation d’état des gaz parfaits.

• La pression atmosphérique se mesure en pascals (Pa) et décroît de manière quasi exponentielle avec l’altitude.

• La composition d’un gaz i peut être exprimée par son rapport de mélange, égal au nombre de moles de ce gaz divisé par le nombre total de moles d’air, et exprimé en pourcentage molaire ou en ppmv.

• L’azote, l’oxygène et le CO₂ sont bien mélangés dans l’atmosphère, tandis que la vapeur d’eau est surtout présente dans les premiers kilomètres et l’ozone dans la stratosphère.

• Les principaux gaz à effet de serre cités sont :

  • la vapeur d’eau
  • le CO₂
  • le CH₄
  • les oxydes d’azote

Compléments

• La masse volumique de l’air est d’environ 1,25 kg m⁻³ en surface et décroît de manière exponentielle avec l’altitude.

📐 Formule - La température en kelvins s’obtient par $T(K)=T(°C)+273{,}15$.

📖 2. Rayonnement et lois physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps noir : Objet matériel qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique reçu et dont le rayonnement émis dépend uniquement de sa température.

★ À maîtriser

• La loi de Planck décrit la luminance spectrale émise par un corps noir en fonction de sa température et de la longueur d’onde. - Max Planck

📐 Formule - La loi de Stefan-Boltzmann donne la puissance rayonnée par unité de surface d’un corps noir : $F=\sigma T^4$, où $\sigma=5{,}67\times10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}$.

Compléments

• Les molécules H₂O, CO₂, CH₄, NOₓ et les CFC, bien que peu concentrées et plus complexes que O₂ et N₂, jouent un rôle important dans le bilan radiatif.

📖 3. Insolation et albédo terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Albédo : Rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement incident ; il est sans unité et compris entre 0 et 1.

★ À maîtriser

• La constante solaire vaut environ 1360 W m⁻² à la distance Terre-Soleil, pour une surface normale à la direction du rayonnement.

📐 Formule - En moyenne sur la surface terrestre, le flux solaire incident au sommet de l’atmosphère vaut $S_0/4$, soit environ 341 W m⁻².

• Le rayonnement solaire reçu est plus étalé aux hautes latitudes qu’aux basses latitudes, ce qui contribue à une insolation moyenne plus faible vers les pôles qu’à l’équateur.

• L’albédo planétaire moyen du système surface terrestre-atmosphère est d’environ 0,3, soit environ 30 % du rayonnement solaire incident réfléchi.

Compléments

• La révolution terrestre dure 365,25 jours et, avec l’inclinaison actuelle de l’axe terrestre de 23,26°, produit les saisons, avec davantage d’énergie solaire reçue en été qu’en hiver.

📐 Formule - Le rayonnement solaire net après réflexion par le système terrestre vaut $S-\alpha S=(1-\alpha)S$.

📖 4. Bilan énergétique et effet de serre

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur latente : Flux d’énergie lié aux changements d’état de l’eau ; l’évaporation absorbe de la chaleur en surface et la condensation dans les nuages en libère.
• Chaleur sensible : Flux de chaleur échangé par contact direct entre deux milieux à températures différentes, par conduction ou convection.

★ À maîtriser

📌 À l’équilibre énergétique, l’énergie reçue par un système est égale à son énergie sortante.

• 🔄 Après une hausse soudaine de CO₂ : le rayonnement infrarouge sortant diminue, la température de la surface et de l’atmosphère augmente, l’équilibre radiatif est rétabli

Compléments

📐 Formule - En négligeant l’effet de l’atmosphère, le bilan radiatif planétaire s’écrit $S-S_R=\sigma T_e^4$.

• Le bilan radiatif au sommet de l’atmosphère présenté est de 340 − 100 − 239 = 1 W m⁻², correspondant à un déséquilibre. - GIEC, AR6 WGI

💡 Astuce mémo

CO₂ accru → rayonnement sortant réduit → réchauffement jusqu’au nouvel équilibre.

📖 5. Circulation générale atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Circulation générale : Description des vents moyens de l’atmosphère par leur intensité et leur direction.

• Circulation de Hadley : Description des mouvements ascendants et descendants de l’air dans la région tropicale comprise entre 30° N et 30° S.
• ZCIT : Zone de rencontre des vents de surface dans les tropiques, où se produisent de fortes précipitations.
• Force de Coriolis : Force d’inertie fictive due à la rotation de la Terre, proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation et à la vitesse du système étudié.

★ À maîtriser

• La force de Coriolis dévie les mouvements vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud.

Compléments

📌 Les masses d’air se déplacent des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions, et la force de Coriolis dévie ce déplacement.

📖 6. Forçage et changement climatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Forçage radiatif effectif : Variation des flux radiatifs au sommet de l’atmosphère induite par le changement d’un gaz, en supposant le reste du système climatique inchangé, par exemple à température constante.

★ À maîtriser

• L’effet de serre naturel est estimé à environ 150 W m⁻². - IPCC, AR6, WG1, 2021

• La variation anthropique de l’effet de serre est estimée à environ +3,3 W m⁻². - IPCC, AR6, WG1, 2021

Compléments

• Le cours associe au CO₂ une concentration de 420 ppm dans les données de forçage radiatif effectif du GIEC. - AR6 WGI

📖 7. Notions évaluées sur l’albédo

📝 Points essentiels

• L’albédo terrestre est le rapport du rayonnement solaire réfléchi au rayonnement solaire incident et vaut environ 30 %, ce qui signifie qu’environ 30 % du rayonnement est réfléchi par la surface et l’atmosphère.

• L’effet de serre correspond à la différence entre le flux infrarouge émis en surface et le flux infrarouge sortant au sommet de l’atmosphère.