Hoja de repaso: Climat de la Terre

📋 Plan du Cours

1. Composition de l’atmosphère
2. Stratification atmosphérique et stabilité
3. Stratification et dynamique océaniques
4. Bilan énergétique terrestre
5. Cellules de circulation atmosphérique
6. Vents et forces atmosphériques
7. Forces et circulation des vents
8. Circulation atmosphérique et biomes
9. Courants océaniques et transport d’Ekman
10. Gyres, upwellings et circulation tropicale
11. Circulation thermohaline et climat

📖 1. Composition de l’atmosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Gaz à effet de serre : La vapeur d’eau, le CO₂, le CH₄, le N₂O et les CFC sont des gaz à effet de serre qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et en réémettent une partie vers la Terre.

★ À maîtriser

• L’atmosphère contient principalement 78 % de diazote N₂, 20,9 % de dioxygène O₂, 0,9 % d’argon Ar et 0,1 % de vapeur d’eau en volume.

• La vapeur d’eau provient de l’évapotranspiration, puis sa condensation forme des gouttelettes ou des cristaux de glace constituant les nuages.

• L’ozone stratosphérique se forme à partir du dioxygène sous l’action du rayonnement ultraviolet solaire.

• Le Great Oxidation Event, entre 2,5 et 2,1 milliards d’années, correspond à l’apparition de dioxygène dans l’atmosphère, classiquement reliée à la photosynthèse oxygénique.

Compléments

• Les gaz minoritaires atmosphériques comprennent 0,04 % de CO₂, 0,0002 % de CH₄, 0,0003 % de N₂O et 0,0006 % d’O₃ en volume.

📖 2. Stratification atmosphérique et stabilité

★ À maîtriser

📌 La troposphère s’étend en moyenne de 0 à 10 km, contient 80 à 90 % de la masse atmosphérique et sa température décroît d’environ 6 °C par kilomètre, tandis que la stratosphère s’étend de 10 à 50 km et sa température augmente d’environ 1,5 °C par kilomètre.

• La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer vaut 1 atm, soit 1 013 hPa ou 1,013 bar, et elle diminue avec l’altitude.

📐 Formule — Pour un air assimilé à un gaz parfait, la masse volumique vérifie $\rho = \frac{P M_a}{RT}$.

• Lors d’une inversion thermique, l’air froid et dense proche du sol est surmonté d’air plus chaud, ce qui bloque les mouvements verticaux, piège l’humidité et peut provoquer du brouillard et un dôme de pollution.

Compléments

• La température moyenne de surface terrestre est d’environ 15 °C, celle de la tropopause est d’environ −60 °C et celle de la stratopause atteint environ 0 °C.

📌 Dans une atmosphère stable, l’ascension de l’air humide est rapidement bloquée et produit des stratus peu épais, tandis que dans une atmosphère instable l’ascension se poursuit par convection et produit des cumulus à forte extension verticale.

📖 3. Stratification et dynamique océaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermocline permanente : Une couche océanique située approximativement entre 300 et 1 000 m où la température diminue avec la profondeur, tandis que la salinité et la densité augmentent.

★ À maîtriser

• L’océan représente 97 % du volume de l’hydrosphère, recouvre 72 % de la surface terrestre et possède une profondeur moyenne d’environ 3 800 m.

• La salinité moyenne de l’eau océanique est de 35 g/kg et ses ions majoritaires sont les ions chlorure Cl⁻ et sodium Na⁺.

📌 La couche de mélange, située en surface et épaisse d’environ 50 à 300 m, est chaude, salée, peu dense et brassée par le vent, tandis que la couche profonde, au-delà de 1 000 m, est froide, dense et presque homogène.

• Dans la zone euphotique, la photosynthèse consomme le CO₂ et les nutriments, produit du dioxygène et rend la concentration en chlorophylle maximale, jusqu’à 0,4 mg·m⁻³.

Compléments

• Aux hautes latitudes, le refroidissement hivernal et la formation de glace de mer densifient les eaux de surface, qui plongent et initient la convection profonde.

📖 4. Bilan énergétique terrestre

★ À maîtriser

• L’énergie solaire reçue par unité de surface est d’environ 342 W·m⁻² à l’équateur et diminue jusqu’à environ 60 W·m⁻² près des pôles en raison de la sphéricité de la Terre.

• Le rayonnement transfère l’énergie sans déplacement de matière, la conduction la diffuse de proche en proche sans mouvement de matière et la convection transporte la chaleur par déplacement de matériau.

📐 Formule — Le bilan radiatif global terrestre est équilibré selon la relation $342 = 107 + 235$, où 342 W·m⁻² sont reçus, 107 W·m⁻² sont réfléchis et 235 W·m⁻² sont réémis.

• Entre environ **30°**S et **30°**N, la Terre absorbe davantage d’énergie qu’elle n’en réémet, tandis qu’au-delà d’environ **40°**N et 40°S elle réémet davantage d’énergie qu’elle n’en absorbe.

Compléments

• L’albédo moyen de la surface terrestre est d’environ 0,3, correspondant à la réflexion de 107 W·m⁻² sur 342 W·m⁻² reçus.

💡 Astuce mémo

Chauffage différentiel → déséquilibre radiatif → transferts méridiens

📖 5. Cellules de circulation atmosphérique

★ À maîtriser

• La force de Coriolis fragmente la circulation troposphérique en trois cellules par hémisphère:

  • Hadley entre les basses latitudes
  • Ferrel entre environ 30° et 60°
  • polaire au-delà de 60°

• Dans la cellule de Hadley, l’air chaud et humide s’élève dans la ZCIT, précipite, circule en altitude vers les tropiques, redescend vers 30° puis revient en surface vers l’équateur.

• Le front polaire, situé vers 50 à 60°, résulte de la rencontre entre l’air tropical chaud et humide et l’air polaire froid et sec, ce qui provoque une ascendance et des précipitations.

Compléments

• La ZCIT reçoit les alizés des deux hémisphères et connaît de fortes précipitations dues à l’ascendance d’air chaud et humide.

• La cellule de Walker est une circulation est-ouest équatoriale dans laquelle les alizés poussent les eaux chaudes vers l’ouest, provoquant un upwelling à l’est et une ascendance humide à l’ouest.

📖 6. Vents et forces atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Vent géostrophique : Résulte de l’équilibre entre la force de pression et la force de Coriolis et circule parallèlement aux isobares.

★ À maîtriser

• Les alizés sont des vents d’est soufflant vers l’ouest entre l’équateur et 30° de latitude, à une vitesse d’environ 20 km/h, tandis que les vents de surface des latitudes tempérées sont globalement des vents d’ouest.

• Les forces de pression dirigent l’air des hautes vers les basses pressions, et le vent est d’autant plus intense que le gradient de pression est fort.

• La force de Coriolis est nulle à l’équateur, maximale aux pôles, dévie les trajectoires vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud.

• Les courants-jets polaires sont des vents d’ouest de haute altitude dont la vitesse peut dépasser 300 km/h au sommet de la troposphère, vers 10 km d’altitude.

Compléments

• Les forces de frottement diminuent la vitesse du vent, réduisent sa déviation et font sortir les vents des anticyclones et entrer les vents dans les dépressions.

📖 7. Forces et circulation des vents

★ À maîtriser

• En l’absence d’autres forces, la force de pression et la force de Coriolis s’équilibrent, de sorte que le vent circule parallèlement aux isobares : c’est un vent géostrophique.

• Dans une dépression, la circulation est cyclonique, antihoraire dans l’hémisphère Nord et horaire dans l’hémisphère Sud ; dans un anticyclone, elle est anticyclonique, horaire dans l’hémisphère Nord et antihoraire dans l’hémisphère Sud.

• Le vent thermique résulte du gradient de température élevé du front polaire et accélère avec l’altitude ; les courants-jets polaires, vents d’ouest, peuvent dépasser 300 km/h vers 10 km d’altitude.

Compléments

• Près du sol, les forces de frottement s’opposent au déplacement du vent, diminuent sa vitesse et réduisent sa déviation ; en mer, le vent forme en moyenne un angle de 30° avec les isobares.

📖 8. Circulation atmosphérique et biomes

★ À maîtriser

• L’équateur et les moyennes latitudes autour de **50°**N et **50°**S sont des zones de basse pression, avec environ 1 004 hPa à l’équateur et moins de 1 000 hPa aux moyennes latitudes, associées à des ascendances et à de fortes précipitations.

• Les régions tropicales autour de **30°**N et **30°**S sont associées à des hautes pressions supérieures à 1 020 hPa, à la subsidence de l’air et à une forte sécheresse, surtout au cœur des continents.

Compléments

• Les biomes associés aux zones humides comprennent les forêts équatoriale et tropicale humide, la forêt tempérée et la taïga selon la température, tandis que les zones tropicales sèches abritent notamment les déserts du Mexique, de Gobi, des hauts plateaux andins, du Kalahari et d’Australie.

• Les régions polaires sont plutôt des zones froides, sèches et de haute pression, où la végétation est absente sous la glace ou rase, avec la taïga comme biome associé dans le cours.

💡 Astuce mémo

Pression basse → ascendance → pluies ; pression haute → subsidence → sécheresse

📖 9. Courants océaniques et transport d’Ekman

★ À maîtriser

• Les courants océaniques de surface circulent sur une tranche d’eau d’environ une centaine de mètres et leurs vitesses vont de moins de 1 km/h à 10 km/h pour les plus rapides, comme le Gulf Stream et le courant circumpolaire antarctique.

• Aux basses latitudes, les gyres subtropicaux sont anticycloniques, avec des eaux équatoriales se déplaçant vers l’ouest et des eaux tropicales vers l’est ; aux hautes latitudes, les gyres subpolaires sont cycloniques.

• La spirale d’Ekman résulte du transfert de quantité de mouvement du vent à l’océan: chaque couche entraîne la suivante, le courant tourne avec la profondeur, sa vitesse diminue à cause des pertes d’énergie

• Le transport d’Ekman est globalement dirigé à 90° à droite du vent dans l’hémisphère Nord et à 90° à gauche dans l’hémisphère Sud.

Compléments

• Les courants côtiers sont plus froids sur les bordures est que sur les bordures ouest des bassins océaniques, et les courants de bordure ouest sont particulièrement intenses, comme le Gulf Stream, le Kuroshio et le courant des Aiguilles.

💡 Astuce mémo

Vent → frottement → Coriolis → spirale → transport

📖 10. Gyres, upwellings et circulation tropicale

★ À maîtriser

• Une divergence des eaux superficielles provoque leur remplacement par des eaux profondes : ce mouvement ascendant est un upwelling, qui apporte des nutriments et favorise une forte productivité planctonique.

• L’upwelling équatorial résulte de la divergence des eaux de surface transportées vers le nord-ouest dans l’hémisphère Nord et vers le sud-ouest dans l’hémisphère Sud ; les eaux équatoriales sont ainsi plus froides et plus riches en nutriments que les eaux subtropicales.

• Vers **30°**N et **30°**S, la convergence des eaux poussées vers le sud par les vents d’ouest et vers le nord par les alizés forme une élévation marine de plusieurs dizaines de centimètres et un downwelling jusqu’à environ 500 à 1 000 m.

• Les alizés entraînent les eaux chaudes équatoriales vers l’ouest, ce qui crée une différence de température entre l’ouest et l’est du bassin et une cellule de convection atmosphérique tropicale appelée cellule de Walker.

Compléments

• Sur les bordures est des océans, un vent parallèle à la côte chasse les eaux de surface vers le large par transport d’Ekman et déclenche un upwelling côtier, notamment au large de la Californie, du Portugal et du Pérou.

• L’accumulation d’eau dans le Pacifique occidental crée un gradient de pression qui explique l’existence d’un contre-courant équatorial s’écoulant d’ouest en est.

💡 Astuce mémo

Divergence → upwelling ; convergence → downwelling

📖 11. Circulation thermohaline et climat

🔑 Notions clés & Définitions

• Circulation thermohaline : , aussi appelée circulation méridienne de retournement, est une circulation convective profonde régie par les variations de température et de salinité qui modifient la densité de l’eau.

★ À maîtriser

• Le refroidissement hivernal des eaux polaires et la formation de glace de mer, qui concentre les sels dans les eaux résiduelles, augmentent la densité des eaux de surface et provoquent leur plongée ainsi qu’une convection profonde.

• La convection profonde forme les eaux profondes nord-atlantiques NADW, froides et salées, les eaux profondes antarctiques AABW, très froides et peu salées, et les eaux antarctiques intermédiaires AIW, froides et peu salées.

• L’océan possède une forte inertie thermique grâce à la capacité calorifique massique élevée de l’eau et assure environ la moitié des transferts énergétiques globaux.

• Les circulations atmosphérique et océanique redistribuent la chaleur et limitent les écarts de température entre l’équateur et les pôles, contribuant ainsi à la régulation du climat.

Compléments

• Les eaux profondes circulent en moyenne à quelques centimètres par seconde, soit 10 à 100 fois plus lentement que les eaux de surface, et remontent notamment dans l’océan Antarctique ainsi que par mélange vertical dans les océans Indien et Pacifique.

• Le temps moyen de parcours d’une parcelle d’eau dans la circulation méridienne de retournement est estimé entre 1 000 et 2 000 ans.

• Le courant circumpolaire antarctique bloque les flux de chaleur des moyennes vers les hautes latitudes, ce qui contribue à expliquer les températures hivernales de −40 à −70 °C à Vostok contre −20 à −40 °C au Groenland.

💡 Astuce mémo

Refroidissement et salinisation → densité → plongée → remontée

📊 Tableaux de synthèse

Couches verticales de l’atmosphère

Couche	Altitude	Évolution thermique	Caractéristique
Troposphère	0–10 km	Diminue avec l’altitude	80–90 % de la masse atmosphérique
Stratosphère	10–50 km	Augmente avec l’altitude	Ozone et absorption des UV

Circulations océaniques de surface et profonde

Caractéristique	Circulation de surface	Circulation profonde
Moteur principal	Vents, frottement et force de Coriolis	Différences de densité liées à la température et à la salinité
Vitesse	De moins de 1 à 10 km/h	Quelques cm/s en moyenne
Échelle temporelle	Rapide par rapport aux eaux profondes	1 000 à 2 000 ans pour un parcours moyen
Mouvements verticaux associés	Upwellings et downwellings	Plongées polaires et remontées profondes