X-ENS 2021, Приемен изпит, физика и химия · Юлм — Задача 3. Documents

3.1 Atmosphère

Dans le cosmos, la plupart des astres sont entourés d’une enveloppe essentiellement gazeuse qui constitue leur atmosphère. En l’absence d’autre précision, ce terme s’applique naturellement à l’atmosphère terrestre, qui est composée d’air dans lequel flottent de nombreuses particules solides ou liquides d’origine très diverse (eau condensée, aérosols).

En fait, notre atmosphère est divisée en plusieurs couches caractérisées entre autres par leur profil thermique vertical (ou profil vertical de température), c’est-à-dire par la façon dont la température de l’air y croît, décroît ou reste constante lorsqu’on s’élève en altitude. Ainsi, le domaine de la basse atmosphère s’identifie à la troposphère, riche en vapeur d’eau et en nuages, et au sein de laquelle la température décroît dans l’ensemble assez régulièrement avec l’altitude. L’épaisseur de cette troposphère se réduit avec la latitude : son ordre de grandeur est la dizaine de km dans les régions tempérées, mais se réduit à 7 km aux pôles alors qu’il frôle la vingtaine de km au-dessus de la zone équatoriale.

Vient ensuite le domaine de la moyenne atmosphère, qui superpose la stratosphère - jusqu’à une cinquantaine de km d’altitude - et la mésosphère. L’air y garde une composition identique à celle de la basse atmosphère (hormis le cas de l’ozone et celui de l’eau, réduite à un gaz à l’état de traces) et voit ses mouvements régis par les mêmes lois qu’elle. Cependant, les réactions photochimiques induites par la présence d’ozone stratosphérique fournissent à l’air un apport de chaleur, de sorte que lorsqu’on s’élève dans la stratosphère, la température devient d’abord constante, puis se met à croître ; ce n’est que plus haut, dans la mésosphère, que le profil thermique vertical est à nouveau décroissant.

Au-delà débute le domaine de la haute atmosphère où, dans la thermosphère, des transformations physiques et chimiques affectent de plus en plus profondément un air devenu très raréfié et soumis à une température considérablement croissante avec l’altitude. La thermosphère est prolongée par l’exosphère, où l’altitude est désormais suffisante pour qu’une part notable des particules ionisées constituant alors l’atmosphère échappe à l’attraction de la gravitation terrestre.

On peut ainsi considérer que l’épaisseur de l’enveloppe atmosphérique ne va pratiquement pas au-delà de 1 500 km, ce qui dépasse tout de même de très loin la pellicule d’air où se situent la grande majorité des phénomènes météorologiques, lesquels restent enserrés dans la troposphère et la basse stratosphère. Cependant, la décroissance rapide de la pression atmosphérique avec l’altitude a pour conséquence que les neuf dixièmes de la masse de l’atmosphère se situent en dessous de 16 km d’altitude, et les quatre-vingt-dix-neuf centièmes en dessous de 30 km : on peut donc affirmer que la majeure partie de cette masse ressortit au domaine d’études de la météorologie, entendue au sens courant.

L’atmosphère est cette mince enveloppe gazeuse qui entoure notre planète ; elle n’est pas du tout immobile par rapport à la Terre ; elle est au contraire animée en permanence de mouvements divers.

Ces mouvements de l’atmosphère présentent des caractéristiques extrêmement variables :

• parfois, c’est une agréable brise qui vient nous rafraîchir, par un bel après-midi d’été, quand nous sommes en bord de mer ;

• parfois, ce sont des vents violents qui balaient une grande partie de la France en s’enroulant autour d’une vaste zone de basses pressions ; de temps en temps ces vents sont si violents qu’ils peuvent déraciner les arbres et faire s’envoler les toits ;

• et, parfois, ces mouvements de l’atmosphère se présentent sous la forme d’ascendances rapides, avec des vitesses verticales de l’ordre de 10 m/s ; ces ascendances sont localisées, se produisant sur une surface horizontale peu étendue, de l’ordre du kilomètre carré, et elles peuvent donner naissance à un nuage d’orage, le célèbre cumulonimbus.

Source : Météo France

3.2 Convection

Dans un sens général, plus large que ceux auxquels se restreint la météorologie, la convection désigne l’ensemble des mouvements internes qui animent un fluide et qui impliquent par conséquent le transport des propriétés des parcelles de ce fluide au cours de son déplacement. En météorologie, cependant, les caractéristiques des mouvements de l’atmosphère sont profondément différentes suivant que l’on envisage le transport horizontal des propriétés de l’air ou leur transport vertical : le premier concerne couramment des trajets de plusieurs centaines ou plusieurs milliers de kilomètres et est gouverné en premier lieu par la pression atmosphérique qui détermine le champ de vent, alors que le second, pratiquement limité à l’épaisseur de la troposphère - soit une dizaine à une vingtaine de kilomètres d’altitude - , est d’abord lié aux répartitions verticale et horizontale de la température et aux phénomènes d’instabilité qui peuvent en résulter. C’est pourquoi, au sens météorologique, l’emploi du terme "convection" se limite au transport vertical des propriétés de l’air, le transport horizontal desdites propriétés étant désigné par un autre terme : l’advection (il s’agit en fait de l’advection horizontale).

En réalité, il est très usuel en météorologie de ne recourir à ce terme de convection que dans un sens encore plus restreint, celui des mouvements verticaux ayant pour seule origine un profil vertical de température générateur d’instabilité (du fait de ce genre de profil, la poussée d’Archimède, qui tire la parcelle d’air vers le haut, excède le poids de la parcelle, qui l’entraîne vers le bas). Du reste, cette catégorie d’instabilité est appelée instabilité convective, et les processus ou les phénomènes qu’elle est capable de générer à certaines échelles spatio-temporelles sont qualifiés tout simplement de convectifs ; ils sont pourtant loin de représenter l’ensemble des processus et des phénomènes caractérisés par des mouvements verticaux : mais c’est parmi eux que se trouvent des phénomènes clés de la météorologie, comme par exemple les brises, les orages, les cyclones tropicaux ou les moussons.

Source : Météo France

3.3 Composition de l’air sec

Table 1 – Composition de l’air sec en 2020, au niveau du sol. ppm : parties par million : 410 ppm pour le CO$_2$ signifie que sur un million de molécules de gaz, 410 sont du CO$_2$. Seuls les principaux gaz sont indiqués. Source : [1].

3.3.1 Atmosphère standard

Les profils correspondants à l’atmosphère standard sont donnés en figure 4.

3.4 Eau dans l’atmosphère

La proportion d’eau dans l’air varie beaucoup, typiquement entre 0,5% et 5% en volume. L’humidité relative est définie comme la pression partielle de vapeur d’eau divisée par la pression partielle de vapeur d’eau à saturation, à la température considérée. Des valeurs typiques de cette humidité relative sont données en figure 5.

3.5 Effet de serre

Des données sur des gaz à effet de serre de l’atmosphère sont présentées dans les tableaux 2 et 3.

Table 2 – Contribution relative des différents gaz à l’effet de serre terrestre. Comme les spectres d’absorption des différents gaz se recouvrent partiellement, il s’agit de valeurs effectives. Source : [5].

Table 3 – Temps d’ajustement pour des gaz à effet de serre. Ce temps est défini comme le temps caractéristique de retour à l’équilibre après un ajout de gaz. Les valeurs pour CH$_4$ et N$_2$O sont fiables et liées à la dissociation de ces molécules par des réactions photochimiques. La valeur pour l’eau est fiable et liée aux précipitations (pluie, neige). La valeur pour le CO$_2$ est très incertaine, il est possible que la valeur soit plus grande que celle de ce tableau. Source : [7] et [8].