bioclimatologie l3 s6 ecef2 -...
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Février 2015
Bioclimatologie L3 BOE ECEF2
Nicolas Delpierre Ecophysiologie végétale, L.E.S.E. Université Paris Sud
Plan Séance 1
Introduction
Rayonnement
Température
Précipitations
Vent
Séance 2 Pression atmosphérique
Humidité atmosphérique
Bilan hydrique
Représentation synthétique du climat
Notions de Biogéographie
Plan Séance 1
Introduction
Rayonnement
Température
Précipitations
Vent
Séance 2 Pression atmosphérique
Humidité atmosphérique
Bilan hydrique
Représentation synthétique du climat
Notions de Biogéographie
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Introduction
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Définitions générales
altocumulus
cirrus
cirrocumulus
cumulus
stratocumulus cumulonimbus
Météorologie :
Meteor = particules en suspension dans l’atmosphère
Logos = discours, connaissance
Etude de la formation et évolution de phénomènes atmosphériques :
Nuages
Dépressions
Précipitations …
et de leur interaction avec la surface du globe.
Etude des lois qui régissent les gaz de l’atmosphère, leurs changements d’états et leurs mouvements.
Etude du temps qu’il fait dans une région durant une période donnée
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Définitions générales
Climatologie :
Etude du climat : i.e. la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes dans le temps.
Etablissement de valeurs moyennes et d’évolution saisonnière caractéristique de paramètres caractérisant le temps,
pendant 1 période de > 30 ans sur une certaine zone
Météorologie
Nécessite des séries temporelles de relevés de mesures météorologiques
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Définitions générales
Bioclimatologie :
Etude des interactions entre les organismes vivants et les variables climatiques
Importance des valeurs moyennes des paramètres météorologiques, mais aussi des variations saisonnières et des valeurs extrêmes
Compréhension des mécanismes de réponse des organismes vivants
Feedback: effets de la biosphère sur le climat
Météorologie
Climatologie
Écosystèmes forestiers et régulation du climat
Orenoque, Vénézuéla
Impact des températures
sur la structure des populations:
exemple du sex-ratio
Girondot et al. 1999
Sex ratio = nb males / nb females
Influence des températures
sur le débourrement
Vitasse et al., 2009
Dépendance de la photosynthèse
au rayonnement incident
Exemple d’évènement extrême: épisode de gel printanier
Gu et al., 2007, Bioscience
Climat global Bilan radiatif de la Terre Température moyenne du globe …
Climat régional Distance caractéristique : 100 km Désertique, arctique, océanique, continental etc.
Topoclimat Distance caractéristique : 10 km (plaine) ou 1 km (montagne)
Microclimat Distance caractéristique : 100 m (plaine) ou 10 m (montagne) Bassin versant … Parcelle agricole … Au niveau d’une plante … Au niveau d’une feuille ! → Mesures micrométéorologiques
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Echelles d’étude
Ce que nous n’aborderons pas dans ce cours…
Changement climatique www.ipcc.ch
AR5 published Sept. 2013
Rayonnement incident et émis
Température
Précipitations
Vent
Humidité atmosphérique & sol
Bioclimatologie – ECEF2 Introduction
Grandeurs caractérisant le climat et importantes en bioclimatologie
Rn = Rin – Rout
T°C
Humidité atmosphérique
Vent
Rayonnement incident Rin (Rs + RLin)
Rayonnement réfléchi et émis Rout
(a*Rs+RLout)
Demande évaporative
Eau du sol disponible pour l’évaporation + transpiration + décomposition
Évapotranspiration
Conductance aérodynamique
Conductance de surface
Eau de pluie interceptée et reévaporée
Photosynthèse
T°C
respiration
SYSTÈME SOL- PLANTE- ATMOSPHERE
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le rayonnement
Rayonnement = transfert d’énergie par des oscillations rapides de champs
électromagnétiques : Ensemble d’ONDES électromagnétiques
Ondes associées à des particules élémentaires : PHOTONS
Onde électromagnétique caractérisée par Longueur d’onde λ (mètres)
Fréquence ν = c / λ (Hertz = secondes-1)
Quantum q: quantité d’énergie élémentaire transportée par un photon (Joules)
q = h * ν = h * c / λ
h = 6.6256. 10-34 J.s : constante de Planck
c ~ 3. 108 m s-1 : vitesse de la lumière
Masse équivalente à l’énergie d’un photon : q = m*c2 donc m = q/c2 (kg)
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le rayonnement électromagnétique
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le spectre du rayonnement
électromagnétique Lumière visible : petite portion du spectre détectable par l’œil humain
Fréquence (Hz)
1 nm
10 nm
100 nm
1 µm
10 µm
100 µm
1 mm
10 mm
100 mm
1 m 108
109
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
10 m
100 m
1 km
100 pm
10 pm
1 pm
1018
1019
1020
107
106
105
104
RAYONS GAMMA
RAYONS X
ULTRAVIOLETS 10 – 400 nm
VISIBLE 400-700 nm
INFRAROUGES 700nm – 1mm
MICROONDES
ONDES RADAR
ONDES TV
ONDES RADIO
Longueur d’onde (m)
400 nm
700 nm
600 nm
500 nm
Le PAR, bande d’absorbance chlorophyllienne
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Emission du rayonnement électromagnétique
Tout corps de température > 0 Kelvin émet du rayonnement électromagnétique.
« Corps noir » = modèle théorique du radiateur parfait
transforme l’énergie thermique en énergie rayonnante avec le taux maximum permis par les lois de la thermodynamique
Ex: Soleil ~ corps noir de température 5777 K
EXITANCE du corps noir = puissance (flux énergétique) émise par unité de surface, en W m-2
Cas normal :
EMITTANCE d’un corps = puissance émise par le corps / exitance d’un corps noir à la température T
« Corps gris » : un corps dont l’émittance ne dépend pas de la longueur d’onde
Corps « normal » Température T
Corps noir Température T
Émission d’un flux énergétique d’énergie totale et de répartition spectrale calculables
Émission d’un flux énergétique d’énergie totale INFERIEURE et
de répartition spectrale inconnue
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Emission du rayonnement électromagnétique
Rayonnement émis par un corps noir : varie en énergie totale et en répartition spectrale en fonction de sa température.
Plus le corps est chaud, plus son exitance totale est grande et se déplace vers les courtes longueurs d’onde.
Loi de Stefan-Boltzmann : l’exitance énergétique totale M d’un corps noir dépend de T4
428
32
45
4
106698.5
15
2
KmW
hc
k
TM
σ: constante de Stefan-Boltzmann
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Emission du rayonnement électromagnétique
Rayonnement émis par un corps noir : varie en énergie totale et en répartition spectrale en fonction de sa température.
Plus le corps est chaud, plus son exitance totale est grande et se déplace vers les courtes longueurs d’onde.
Exitance spectrale du corps noir : fonction de Planck Longueur d’onde correspondant à l’exitance spectrale maximale : Loi du déplacement de Wien
1exp
2),( 52
Tk
ch
ch
d
TdM
h = 6.6256 x 10-34 J . s : constante de Planck c = 2.9979 x 108 m . s-1 : vitesse de la lumière k = 1.38054 x 10-23 J . K-1 : constante de Boltzmann
m
K
KmC
TC
w
w
3
max
10897.2
Exercice 1 émission du corps noir / corps gris
(cf amphi)
Corps T surface (°C)
T surface (K)
Exitance (W m-2)
Émissivité (s.u.)
Emittance (W m-2)
max (nm)
Terre 12 0.95
Soleil 5504 1
Constante de Stefan-Boltzmann = 5.67 * 10-8 W m-4 K-4
Constante de Wien Cw= 2.897 *10-3 m K
•Compléter le tableau •Quelles sont le bornes de la bande d’émission pour la Terre / le Soleil (calcul: voir le cours) ?
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le rayonnement solaire
Exitance monochromatique maximale du soleil : 0.5 µm : visible, JAUNE
Deux domaines principaux de rayonnements naturels :
Domaine des courtes longueurs d’ondes (solaires)
Domaine des grandes longueurs d’ondes (autres)
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le rayonnement solaire
Terre Soleil
D0 : distance moyenne Terre-soleil = 149.5 x 106 km
Constante solaire
ES,0 ~1367 W . m-2
Eclairement énergétique d’une surface plane à la limite de l’atmosphère:
Dépend de:
• La distance au soleil (jour de l’année)
• Distance zénithale (latitude, heure, jour de l’année)
• Activité solaire (cycle de 11 ans)
Exercice 2 Calcul de la « constante solaire »
« constante solaire » = puissance reçue du soleil par unité de surface plane normale aux rayons solaires sur la surface terrestre sans atmosphère (= au sommet de l'atmosphère).
E0= 1367 W m-2
Cette valeur est quasiment constante Mais elle varie un peu en fonction de l’activité solaire qui suit un cycle de 11 ans (variations < à 0.1%) Elle varie en fonction de la distance Terre-soleil (de 3 %)
Exercice 2 Calcul de la « constante solaire »
Le soleil est une source sphérique de rayonnement. Donc toute l’énergie issue initialement de la surface du soleil traverse ultérieurement une sphère de rayon DST
Rs
DST
•Calculer la puissance totale émise par le Soleil (en W) •Calculer la constante solaire à la surface de l’atmosphère terrestre (en W m-2)
TS=5777 K DST= 150 106 km Rs= 695 800 km RT= 6371 km
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Le rayonnement solaire
Même flux radiatif
Surface d’interception minimale
Surface d’interception supérieure θ
W . m-2 W . m-2
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Interaction du rayonnement solaire avec la Terre
Courtes longueurs d’onde Grandes longueurs d’onde
Rayonnement global Rg
Rayonnement global réfléchi :
a * Rg
a : albédo
Bilan au niveau de la surface de la Terre: le RAYONNEMENT NET
Rn = Rg*(1-a) + Ra - Rt
Rg : rayonnement global
a*Rg : rayonnement global réfléchi par la surface
Ra : rayonnement atmosphérique (grandes longueurs d’onde émis par l’atmosphère)
Rt : rayonnement grandes longueurs d’onde émis par la surface
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Interaction du rayonnement solaire avec la Terre
Terre
Es,0=1367 W m-2 (surface normale au soleil)
i.e. 342 W m-2 (surface terrestre)
Rg
Atmosphère
Réfléchi par l’atmosphère
diffusé Absorbé par l’atmosphère
a*Rg Ra
Rt
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Absorption et diffusion atmosphérique
Absorption de rayonnement par les gaz atmosphériques
Diffusion du rayonnement par l’atmosphère:
Diffusion de Rayleigh = interaction des photons avec les molécules de gaz
Diffusion de Mie = interaction des photons avec aerosols en suspension (gouttelettes d’eau par ex)
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Absorption et diffusion atmosphérique
Absorption de rayonnement par les gaz atmosphériques
Le soleil apparaît jaune, alors que son pic d’émission est
dans le vert-jaune !
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
L’albédo
Baldocchi D. 2005. Lecture 7, Solar Radiation
albédo = fraction du rayonnement d’origine solaire réfléchie par une surface
surfaces naturelles : de 0.03 (eau) ou 0.08 (sol sombre humide) à 0.95 (neige fraîche)
grande influence sur le bilan d’énergie d’une surface, donc sur l’évapotranspiration et la température
Ex: plantation de conifères sur un pâturage
L’albédo diminue
Région tempérée => réchauffement car plus d’énergie est absorbée par la surface
Région tropicale => refroidissement car plus d’énergie disponible pour la transpiration
Exercice 3 Calcul de la température de la Terre…
sans atmosphère
Constante solaire: 1370 W m-2 La surface d’interception du rayonnement solaire
par la Terre est un disque de surface: RT2
…et le rayonnement est réparti sur la surface total de la Terre soit
4 RT2
L’albédo du système terre-atmosphère est d’environ 30 % et s’il est à l’équilibre, toute l’énergie qui arrive repart.
Exercice 3 Calcul de la température de la Terre…
sans atmosphère
Constante solaire: 1370 W m-2 L’albédo du système terre-atmosphère est d’environ 30 % et s’il est à l’équilibre, toute l’énergie qui arrive repart. RT
2
4 RT2
•Quelle est la puissance reçue en moyenne par la surface terrestre? (prendre en compte le fait que la Terre est une sphère) •Écrire l’égalité traduisant l’équilibre entre énergie incidente (solaire) et énergie émise par la Terre. •Résoudre l’égalité pour obtenir la température de surface de la Terre hors action de l’atmosphère.
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Rayonnement global diffus et direct
Rayonnement global : rayonnement solaire arrivant sur les surfaces terrestres
Temps clair : majorité de rayonnement direct
Temps nuageux : majorité de diffus
Rg
Rg,diffus Diffusé par
l’atmosphère, provient
de l’hémisphère
Rg,direct Provient d’1
seule direction, celle du soleil
Rayonnement direct reçu par une surface plane
Rayonnement diffus
Exercice 4 Bilan radiatif d’une feuille isolée, sol peu couvrant
Courtes longueur d’onde •Quels sont les apports d’énergie à la face adaxiale? •Quelles sont les pertes d’énergie vers le sol? •Quels sont les apports d’énergie à la face abaxiale? •Quelles sont les pertes d’énergie vers l’atmosphère?
Grandes longueur d’onde •Quels sont les apports d’énergie à la face adaxiale? •Quelles sont les pertes d’énergie vers le sol? •Quels sont les apports d’énergie à la face abaxiale? •Quelles sont les pertes d’énergie vers l’atmosphère?
•Écrire l’équation bilan du rayonnement net pour cette feuille
Eg
Atmosphère Ta
Feuille
af , tf , ef , Tf
Sol
as , ts , es , Ts
Exercice 4 Bilan radiatif d’une feuille isolée, sol peu couvrant
Application numérique Eg= 830 W m-2 Ta= 293 K (20°C) Tf= 298 K (25°C) Ts= 303 K (30°C) es=0.95, ef=0.97 af= tf= 0.2 as= 0.15
Eg
Atmosphère Ta
Feuille
af , tf , ef , Tf
Sol
as , ts , es , Ts
Bioclimatologie – ECEF2 Le rayonnement
Climat radiatif à l’intérieur d’un couvert
Rayonnement direct
Rayonnement transmis
Rayonnement diffus
Rayonnement réfléchi
Rayonnement réfléchi par le sol
Modélisation du climat lumineux :
• modèles statistiques 1D, 3D
• modèles de « lancer de rayons »
La réalité est plus complexe…
Exercice 4 Bilan radiatif d’une feuille isolée, sol peu couvrant
Application numérique Eg= 830 W m-2 Ta= 293 K (20°C) Tf= 298 K (25°C) Ts= 303 K (30°C) es=0.95, ef=0.97 af= tf= 0.2 as= 0.15
Eg
Atmosphère Ta
Feuille
af , tf , ef , Tf
Sol
as , ts , es , Ts
Bilan net + 560 W m-2
Pour échauffer la feuille de 1°C Il faut lui fournir 840 J m-2
Quel est l’échauffement attendu en 1 min ?
Bioclimatologie – ECEF2 La température
La température
Température = une grandeur qui permet de repérer l’énergie thermique d’un corps.
Traduit la capacité du corps à céder ou recevoir de l’énergie thermique des corps environnants Echelles de température arbitraires
Bioclimatologie – ECEF2 La température
La température
25°C 25°C
Énergie thermique du grand corps (J)
Énergie thermique du petit corps (J)
>
Echanges d’énergie thermique
par rayonnement (infrarouges)
par conduction • Dans milieu sans mouvement • Propagation de proche en proche
par convection • Transport de l’énergie thermique • Par un fluide en mouvement • Convection libre : provoqué par différences de densité à l’intérieur du fluide • Convection forcée : provoquée par une force externe
Bioclimatologie – ECEF2 La température
Changements de température
Peu de temps après …
Sol chaud
Gradient thermique
dilatation
Montée de la particule d’air chaud par poussée d’Archimède
Air frais
-
+ +
- - + +
O H H
Molécule d’eau
Liaisons hydrogène
Océan Sol
20 000 KJ
1kg H2O 1kg sol T↑ 4.8 K T↑8.0 K
Capacité thermique 4200 kJ kg-1 K-1
20 000 2 500
20 000 4 200
Capacité thermique 2500 kJ kg-1 K-1
Conductivité thermique 0.580 W m-1 K-1
Conductivité thermique 0.026 W m-1 K-1
Transfert de chaleur dans le volume
rapide lent
“Leaves, when present, exert a paramount influence on the interchanges of moisture and heat. They absorb the sunshine and screen the soil beneath. Being very freely exposed to the air they very rapidly communicate the absorbed energy to the air, either by raising its temperature or by evaporating water into it.” From Richardson, L.F., 1922. Weather Prediction by Numerical Process.
Lewis Richardson
Richardson et al., 2013, AFM
Devenir de l’énergie dans une forêt
Forêt de Barbeau : www.barbeau.u-psud.fr
-100
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20
Flu
x d
’én
erg
ie
Heure
Flux dans le sol (W/m²)
Chaleur latente (W/m²)
Chaleur sensible (W/m²)
Rayonnement net (W/m²)
Forêt de Barbeau, le 5 juin 2013
L’évaporation (de l’eau) est un processus endothermique
Forêt de Barbeau : www.barbeau.u-psud.fr
Rayonnement net Flux de chaleur latente (évapotranspiration) Flux de chaleur sensible
Devenir de l’énergie dans une forêt
À l’échelle globale Évaporation = 76% du bilan net
86% de l’évaporation est océanique !
Les bilans radiatifs au pôle et à l'équateur sont différents. Le bilan est positif à l'équateur mais négatif aux pôles
du fait de l'obliquité des rayons solaires: une même énergie lumineuse est répartie
sur une plus grande surface au pôle
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
-90 -60 -30 0 30 60 90
Flu
x d
'én
erg
ie (
W/m
²)
Latitude (°N)
Energie solaire incidente (W/m²)
Energie terrestre émise(W/m²)
Rayonnement net (W/m²)
Répartition des températures à la surface du globe Valeurs moyennes (T. atmosphérique) A 0 m d’altitude, H Nord : 13 °C (avec un écart de 14° d’écart entre les jours et les nuits) H Sud: 15 °C (avec 7 ° C d’écart)
Différence due : • Au gradient latitudinal de rayonnement solaire • à une inégale répartition des continents et océans. (L’eau a un fort pouvoir tampon thermique et les masses d’eau en circulation surtout abondantes dans l’H. Sud y répartissent mieux les températures)
1961-1990
Répartition des températures à la surface du globe Gradient ~ 0.6 K / degré latitudinal
Graph from http://www.roperld.com/science/PrecipLatitude_Longitude.htm Data from http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/timeseries/timeseries1.pl
Répartition des températures à la surface du globe
Valeurs extrêmes: Enregistrées à 0 m d’altitude: + 58 °C dans déserts du Mexique et de Lybie -78°C en Sibérie (et même – 88.3 °C en Antarctique)
Oscillations (journalières, saisonnières) Importance selon proximité de l’océan Oscillations max jour/nuit (déserts: + 50°C/-10°C) Oscillations max saisons (région polaire, +15°C/-70°C)
Bioclimatologie – ECEF2 Les précipitations
Les précipitations
Précipitations = produits solides ou liquides qui résultent de la condensation de la vapeur d’eau
Pluie
Neige, grêle
Rosée, givre
Brume, brouillard
Quantité atteignant le sol: mesurée comme l’épaisseur (hauteur) de la lame d’eau équivalente sur une surface horizontale
Unité: hauteur en mm
Précision: 0.1 à 0.2 mm par jour
Mesure :
Pluviomètres manuels
Pluviomètres automatiques
Bioclimatologie – ECEF2 Les précipitations
Les précipitations
1mm
1m = 1000 mm
1m
Hauteur de 1 mm :
Volume 1*1000*1000 mm3 m-2
= 1 LITRE PAR M2
Pluviométrie minimale : ~0 mm an-1 dans certains déserts (Atacama, Sahara oriental…)
Pluviométrie maximale : >12000 mm an-1
(côte colombienne, certaines régions d’Inde, sur la façade est du Piton de la Fournaise à la Réunion …)
Record de pluviométrie annuelle : Charrapunji, Inde, mousson de 1860-1861 : 26461 mm ! Intensité de pluie : record d’intensité d’averse à Holt aux USA, 1947 : 305 mm en 42 min En France, pluviométries normales: • 547 mm an-1 à Perpignan • 670 mm an-1 à Paris • 984 mm an-1 à Bordeaux • 2046 mm an-1 au Mont Aigoual
Bioclimatologie – ECEF2 Les précipitations
Les précipitations: ordres de grandeur
Raven, Plant Biology, ed. 2007
Rôle des circulations atmosphériques sur la répartition des précipitations
Répartition des précipitations à la surface du globe
Pre
cip
(m
m /
jou
r)
Graph from http://www.roperld.com/science/PrecipLatitude_Longitude.htm Data from http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/timeseries/timeseries1.pl
http://kunden.dwd.de/GPCC/Visualizer
moyennes 1901-2010
http://kunden.dwd.de/GPCC/Visualizer
moyennes 1901-2010
http://kunden.dwd.de/GPCC/Visualizer
moyennes 1901-2010
http://kunden.dwd.de/GPCC/Visualizer
moyennes 1901-2010
http://kunden.dwd.de/GPCC/Visualizer
moyennes 1901-2010
avec pi= precipitation mensuelle (mm/mois)
Fatichi et al., 2012, JoC
moyennes 1950-2009
Carte de saisonnalité des précipitations (« precipitation concentration index »)
Cortesi et al., 2012, NHESS
Cortesi et al., 2012, NHESS
Bioclimatologie – ECEF2 La pression atmosphérique
La pression atmosphérique
La pression atmosphérique
Différences horizontales de pression => déplacements de masse d’air dans l’atmosphère Air atmosphérique : gaz parfait
R = 8.314 J.mol-1K-1: constante des gaz parfaits
Loi de Dalton : mélange gazeux: PA = pa + e PA : pression atmosphérique pa : pression partielle de l’air sec e : pression partielle de la vapeur d’eau = « tension de vapeur »
Unités de pression :
Pression = force par surface Unité SI : 1 Pascal = 1 Newton par m2
Pression atmosphérique normale : 1013.25 hPa = 760 Torr Conditions normales:
Au niveau de la mer latitude 45° température 0°C
Mesures de pression : avec un baromètre (baros = poids en grec)
Bioclimatologie – ECEF2 La pression atmosphérique
TRnVP T en K
1000 hPa = 105 Pa = 1 bar = 750 mmHg = 750 Torr
Constituent Chemical symbol Mole percent
Nitrogen N2 78.084
Oxygen O2 20.947
Argon Ar 0.934
Carbon dioxide CO2 0.04
Neon Ne 0.001818
Helium He 0.000524
Methane CH4 0.00017
Krypton Kr 0.000114
Hydrogen H2 0.000053
Nitrous oxide N2O 0.000031
Xenon Xe 0.0000087
Ozone* O3 trace to 0.0008
Carbon monoxide CO trace to 0.000025
Sulfur dioxide SO2 trace to 0.00001
Nitrogen dioxide NO2 trace to 0.000002
Ammonia NH3 trace to 0.0000003
Composition de l’air sec
La pression atmosphérique
Variation de pression avec l’altitude :
Bioclimatologie – ECEF2 La pression atmosphérique
z
TR
gMPzP
a
AAA exp0,
85 Mt Blanc
chez l’Homme
Ranunculus glacialis
La réduction de pression atmosphérique affecte peu la photosynthèse:
• rapport CO2/O2 constant
• densité stomatique en altitude • contact mésophylle / air accru en altitude
thèse Constance Laureau, 2011
Bishop et al., 2015 Science
Bioclimatologie – ECEF2 L’humidité atmosphérique
L’humidité atmosphérique
L’humidité atmosphérique
Ordres de grandeur Formation de brouillard: humidité relative proche de 100% Climat tropical : souvent >95% Hiver, air très sec à Paris : minimale journalière de <30%, mais généralement >60% Air désertique : peut descendre <4%
Importance Demande évaporative : gradient d’humidité entre le sol et l’air. Ouverture stomatique et production des plantes Absorption du rayonnement, effet de serre L’évaporation de l’eau utiliserait ~76% de l’énergie du rayonnement solaire
Bioclimatologie – ECEF2 L’humidité atmosphérique
Influence du VPD sur la conductance
Granier et al., 1999
L’humidité atmosphérique
La quantité de vapeur d’eau que l’air peut contenir avant condensation (saturation) dépend de la température !
Bioclimatologie – ECEF2 L’humidité atmosphérique
température (°C)
0 5 10 15 20 25 30
ten
sio
n d
e v
ap
eu
r s
atu
ran
te (
mb
ar)
0
10
20
30
40
50
l'eau liquide
vapeur d'eauea
e(Ta)
Tr
T
TTe
3.237269.17exp1078.6)(
Tr : température de rosée : température à laquelle il faut abaisser l’air humide, à pression constante, pour que la tension de vapeur d’eau devienne saturante
Humidité relative : ea : tension de vapeur (pression partielle de la vapeur d’eau) e(Ta) : tension de vapeur saturante à Ta
Calcul de la tension de vapeur saturante en fonction de la température (hPa):
a
a
Te
eHr 100
Déficit de saturation = Vapour Pressure Deficit (hPa):
VPD = e(Ta) - ea
Ta
Exercice 5 Humidité atmosphérique
Une masse d’air a une température de 30°C, et une humidité relative de 65%
Calculer •La pression de vapeur d’eau dans l’air •La température du point de rosée
Exercice 6 Humidité et transpiration
Les feuilles d’ombre dans un couvert végétal ont une température d’équilibre proche du point de rosée.
Quelle est la température vers laquelle elles tendent lorsque la température de l’air à leur niveau est égale à 27°C et l’humidité relative est de 65% ?
Bioclimatologie – ECEF2 Représentation synthetique du climat
Représentation synthétique du climat
Représentation synthétique du climat
Bioclimatologie – ECEF2 Représentation synthétique du climat
Etude statistique des séries temporelles de variables météorologiques
Caractérisation/classification du climat d’une région :
Températures
Régime de précipitations
Types de climat :
Océanique, méditerranéen, continental, désertique …
Etablissement d’indices climatiques
Indice pluviométrique
Indice d’aridité de Martonne : IDM = P / (T+10) ; IDM<10 => climat aride
Indice ombrothermique de Gaussen : Pmois/Tmois<2 => mois sec
Moisture Index
Indice CA de Turc…
Etudes agroclimatiques
Sommes de températures et développement des plantes
Diagrammes ombrothermiques
Clinogrammes
Diagramme ombrothermique Bioclimatologie – ECEF2 Représentation synthétique du climat
mars: P < 2*T : mois sec
Échelle des précipitations = 2 * échelle des températures
Précipitations mensuelles et températures mensuelles sur le même
graphique
P>100mm donc échelle/10
Exercice 7 – diagramme ombrothermique
Bioclimatologie – ECEF2 Notions de biogéographie
Bioclimatologie – ECEF2 Notions de biogéographie
Biomes= principales sous-unités de la biosphère. Couverture végétale plus ou moins homogène. Plantes et animaux au sein d’un biome ont évolué selon la contrainte climatique (températures, précipitations). [classification… arbitraire]
Raven, Plant Biology, 2007
Répartition des principaux biomes
Éq.
30° N
30° S
60° S
60°N
Carte des climats du monde
Exercice 8. Pas de Taïga dans l’Hémisphère Sud. Pourquoi?
alti
tud
e
Gradient altitudinal ~ 0.6 K / 100 m Gradient latitudinal ~ 0.6 K / degré latitudinal
Homologie des gradients thermiques… et des répartitions d’espèces (Humboldt, 19ème s.)
Le climat n’est pas le seul facteur structurant…
Nutrient availability = index calculated from of Soil texture, soil organic carbon, soil pH, total exchangeable bases (GAEZ model)
Sols tropicaux anciens, faible disponibilité nutriments Sols tempérés plus jeunes (glaciations pléistocène : renouvellement des sols superficiels)
Le climat n’est pas le seul facteur structurant…
Pausas & Ribeiro, 2013 GEB
Détection satellitaire de feux : infra-rouge thermique + visible (fumée)
fin !
Merci à Claire Marsden pour le support d’origine du cours !