couche limite atmosphérique echange à l’interface terre-atmosphère
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Couche Limite Atmosphérique Echange à l’interface terre-atmosphère. Jean-Martial Cohard [email protected]. Plan de Cours. Couche Limite Atmosphérique Echange à l’Interface Terre-Atmosphère I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelle - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Couche Limite AtmosphériqueEchange à l’interface terre-atmosphère
Jean-Martial Cohard
Plan de Cours
Couche Limite AtmosphériqueEchange à l’Interface Terre-Atmosphère
I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelleII- Les conditions limites et forçagesIII- La CLA moteur des échangesIV- Notion de TurbulenceV- Description mathématique de la CLAVI- Théorie des similitudesVII- Mesure des Flux
I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelle
RT 6400 km
hatm 130 km
L’atmosphère :une mince couche de fluide sur la terre
I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelle
1 mois 1 jour 1 heure 1 mn 1 s
Ondesstationnaires Ondes très
longues
Dépressionextra-tropicale
Anticyclones10000 km
2000 km
200 km
20 km
2 km
200 m
20 m
Ondesbaroclines
FrontsOuragans
Jets de basses couches
Ondes de relief
OragesVents locaux
TornadesNuages convectifs
Couches limites
PanachesFrottement
Échelle Climatologique Échelle synoptique Mésoéchelle
Micro-échelle
Macroéchelle
Mésoéchelle
Microéchelle
0°-50°-100°
102 mb
103 mb
10 mb
1 mb
10-1 mb
10-2 mb10-3 mb
10-8 mb
I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelleExosphère
Thermosphère
Mesosphère
Stratosphère
Troposphère
11 km
50 km
85 km
500 km
Sol
Tropopause
Stratopause
Mésopause
I- Etude de l’atmosphère : choix d’échelle
Couche de surface
Couche d’ekman
20 m
1000 m
Couche d’entrainement : équilibre des forces de pression et de la force de coriolisForce d’inertie négligée
Approximation de BoussinesqForce d’inertie et de Coriolis négligée
Flux de quantité de mouvement
Approximation de BoussinesqForce d’inertie négligéeFlux de quantité de mouvement non négligés
II- Bilan énergétique à la surface
Rs : RayonnementIncident (0,3-2m)
RayonnementRéfléchi par l’atm :
a.Rg : RayonnementRéfléchi par la terre
Ra : Rayonnementémis par l’atm : IR 170-380 W/m2
Rt : Rayonnementémis par la terre : IR
Rayonnementdiffus : Rg
900-300 W/m2Le H
G
Rg (1-a) + Ra– Rt = H + LE + G
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Rappel
L’émittance E (ou pouvoir émissif total) est le flux d’énergie par unité de surface émis par un corps dans toutes les directions d’un demi-espace (2 [sr]). L’émittance est une grandeur hémisphérique :
d" = d/ddAn
E = 2 d" = 2 I.cos.d
E = E d [W/m2]
L’intensité de rayonnement I, est le flux d’énergie d émis dans une direction de l’espace par unité d’angle solide d, par unité de surface normale à la direction de propagation dA.coset par unité de longueur d’onde dI = d / (dA.cosdd)
[W/m2.sr.m]
ddr
dAd n sin
2
La radiance G est le flux d’énergie par unité de surface reçu par un corps dans toutes les directions d’un demi-espace (2 [sr]). La radiance est une grandeur hémisphérique :
G = 2 dqi" = 2 Ii.cos.d
G = G d [W/m2]
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement solaire (Rs)
20
, 50
2,
exp / 1b
hcG T
hc kT
• h: constante de Planck 6.6x10-34 Js • k: constante de Boltzmann 1.4x10-23 J/K
• c0: vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide
Lorsque les rayons du soleil heurtent la surface de l'atmosphère terrestre à 1.5x1011m de distance, ils sont parallele et transportent un flux de 1353W/m2. L'irradiation solaire est :
Gsoleil = 1353 f cos
f excentricité de l’orbite: 0.97-1.03
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement de la terre (Rt)
Eb = T4 W/m2
= 5.67x10-8 W/m2 K4.
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement
Rayonnement global
Le rayonnement global est la sommeDu rayonnement solaire incident et du rayonnement diffus
Rg = Rs + Rd
Rayonnement netC’est le bilan radiatif du sol
Rn = (1-a)Rg + Ra - Rt
Rs : RayonnementIncident (0,3-2m)
Rayonnementdiffus :
a. Rg : RayonnementRéfléchi par la terre
Ra : Rayonnementémis par l’atm : IR
Rt : Rayonnementémis par la terre : IR
Rg
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Exercice
RSol = 0,7 106 kmTSol = 5800 °K
RT = 6400 kmTT = ?? °K
dSol-T = 1,5 108 km
1) Calculer l’énergie rayonnée par le soleil (corp noir) par m2 de surface et l’énergie totale. On donne = 5,67 10-8.
2) Calculer l’énergie solaire reçu par la terre par m2 de surface. Calculer alors l’énergie moyenne qui arrive au sommet de l’atmosphère.
3) Faire le bilan thermique de la terre. On supposera la Température uniforme dans le système terre/atmosphère. On donne pour la terre un albedo de 0,33.
4) La température moyenne observée est de 33° supérieur à celle calculée précédemment. Expliquer cette différence.
5) On suppose maintenant que l’atmosphère est une couche séparée de la terre de température Tatm. Celle-ci est transparente au rayonnement visible et possède une émissivité atm dans l’infra rouge. Le rayonnement non absorbé par l’atmosphère est diffusé et ne retourne jamais vers sa source. Exprimer de nouveau l’équilibre thermique du système terre/atmosphère et calculer la valeur de atm moyen pour une température de surface TT = 288° K.
II- Bilan énergétique à la surface : rayonnement : Exercice
Le flux moyen de rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre est égal à 390 W.m-2 et Le flux moyen qu’elle reçoit de l’atmosphère est égal à 330 W.m-2
a) Déterminer les températures radiatives apparentes auxquelles ces flux correspondent
b) En supposant que tous les autres flux restent inchangés, quelles variations de la température moyenne de la surface terrestre entraînerait des accroissements de 1% et 2% du rayonnement atmosphérique moyen.
On donne = 5,67 10-8 et = 1
Ra : Rayonnementémis par l’atm : IR 330 W/m2
Rt : Rayonnementémis par la terre : IR390 W/m2
Surface Albédo αLimon silteux sec, avant mise en culture 0.23
Limon silteux sec, après mise en culture 0.15
Limon argileux sec 0.18
Limons argileux humide 0.11
Herbe 0.24 - 0.26
Gazon 0.20 - 0.25
Orge Blé 0.21 - 0.22
Blé 0.16 - 0.17
Forêt 0.05 - 0.20
Eau 0.03 - 0.10
Neige 0.7 - 0.95
II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol
En général pour les sols: 0.1 < α < 0.3
Selon Ritchie (1972) : α = αs + (0.25 -αs) LAI
α : albédo d’un sol couvert de végétaux
αs : albédo d’un sol nu (αs env. 0.1)
LAI : Leaf Area Index (0 < LAI < 4)
l'image "canal visible" prise le 1er Janvier 1999 à 12h00 GMT par le satellite géostationnaire Météosat 7
II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Dakar
II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Niger
II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Lac Tchad
II- Bilan énergétique à la surface : Albedo du sol : Nil
II- Bilan énergétique à la surface :flux de chaleur dans le sol (G)
Ts
G
.Cp.dT/dt = . 2T
Loi de Fourier :
G = .T/z Ts = Tm + 0,5 T sint-tm)
T(z,t) = Tm + 0,5 T e-z/zd sin[t-tm)-z/zd]; zd = (/(2./Cp))-1/2
z=2,5 cm
z=15 cm
z=30 cm
T = 25°
T = 10°
T = 2°
t
z
T
zT
tTCG zp
22
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5020
25
30
35
40
Température dans le sol
temps (h)
T°
(C)
II- Bilan énergétique à la surface :flux de chaleur dans le sol (G)
Ts
Tz2
Tz1
Measurement at 10cm
Fourier serie at 10cm
Measurement at 20cm
Fourier sol. at 20cm
Fourier serie at 0cm
Température dans le sol à différentes profondeurs
Tz2
Tz1
, 2. .exp .sin .k k kk
z zT z t C t
z z
Dev. série de Fourier
1/2(2. / )T kz
Eléments minéraux : 2 . 106 J . m-3 . K-1
Matière organiques Eau : 2.5 . 106 J . m-3 . K-1
Eau : 4.2 . 106 J . m-3 . K-1
Air : 1250 J . m-3 . K-1
Valeurs de la capacité thermique volumique des composants du sol
106 J . m-3 . K-1 < Cp < 3 . 106 J . m-3
Habituellement dans les sols:
Sol sec Sol saturé
II- Bilan énergétique à la surface :caractéristiques du sol
MatériauConductivité thermique
(W·m-1·K-1)
Quartz 6,8-12
Eau 0,6
Bois de pin (parallèle aux fibres) 0,36
Bois de pin (perpendiculaire aux fibres) 0,15
Air (100 kPa) 0,0262
évaporation
transpiration
ET Potentielle :Toujours assez d’eauCouvert homogène
ET Réelle (<ETP)EvapoTranspiration
II- Bilan énergétique à la surface :flux de chaleur latente (Le)
II- Bilan énergétique à la surface :flux de chaleur sensible (H)
Ts
H
Rapport de Bowen = H / Le
Nature de la surface
Océan 0,1
Forêt tropicale 0,1 – 0,3
Forêt tempérée, prairie 0,4 – 0,8
Région semi aride 02-juin
Désert > 10