Les interactions des radiations solaires avec l’atmosphère

1. Les interactions des radiations solaires avec l’atmosphère Les interactions radiations solaires-Terre la structure de l’atmosphère l’effet de serre les ultraviolets et l’ozone la propagation des ondes électromagnétiques et les phénomènes lumineux

2. Les 3 ceintures de Van Allen :un filtre pour les particules cosmiques électrons solaires lignes du champ magnétique protons solaires atomes lourds cosmiques ionisés (nouvelle)

3. Le champ magnétique terrestre: un déflecteur des particules cosmiques

4. Le phénomène des aurores

6. Le flux incident des radiations solaires à la surface de la Terre : un premier bilan • la variable «géométrie» • l’orbite elliptique de la trajectoire de la Terre autour du Soleil • la Terre une sphère, et l’inclinaison du rayonnement en fonction de la latitude du lieu • un facteur de synergie, l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre • l’épaisseur traversée relative de l’atmosphère , et la variation en fonction de l’heure de la journée et les saisons (inclinaison de l’axe de rotation)

7. Le flux solaire incident sur Terre 8% 41% 51% La constante solaire (flux de radiations incident à l’extérieur de l’atmosphère): C = 1396 W/m² absorption principalement due à la vapeur d’eau Le CO2 absorbe dans la bande de 2,8 à 4,3 m

8.  = 230,5 équateur terrestre L’obliquité de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan écliptique Cas de la Terre à la périhélie Plan de l’écliptique L’obliquité à l’origine des saisons

9. N • = 460(latitude) + 23,50 (inclinaison de l’axe de rotation) • = 69,50 Montréal équateur P0 (W/m²)  S  = 69,50 ; Pmontréal= 0,35 P0  = 900 ; P = P0 L’hiver à Montréal périhélie Montréal : ville nordique

10. N • = 460(latitude) - 23,50 (inclinaison de l’axe de rotation) • = 22,50 équateur Montréal S  = 22,50 ; Pmontréal= 0,92 P0  = 900 ; P = P0 L’été à Montréal aphélie P0 (W/m²)  Montréal : ville sous les tropiques

11. L’orbite terrestre, une ellipse Kepler (1609): Le rayon vecteur balaye des aires proportionnelles au temps v1 aphélie périhélie 2. À des temps égaux correspondent des aires égales : v1 > v2

12. Les variations de la durée de l’insolation(variations selon les mois) La durée du passage dans la région de la périhélie, région du maximum de radiations solaires (mais notre hiver), est plus courte que celle du passage à l’aphélie (notre été)

13.  P0 P0 P = P0  = 900  La forme sphérique de la Terre: variation avec la latitude P= P0 cos  P < P0

14. Soleil de midi d’une journée d’été  = 22,50 Soleil de midi d’une journée d’hiver  = 69,50 L’absorption de l’atmosphère matin et soirée de toutes les journées de l’année L’atténuation des radiations incidentes par l’épaisseur d’atmosphère traversée «au midi», entre l’été et l’hiver, une différence par un facteur de plus de 2,5

15. 100%(1400 W/m²) a a b d c La bilan des radiations solaires a: 20% + 5% a: rayonnement réfléchi b: rayonnement absorbé par l’ atmosphére c: rayonnement direct incident sur la surface terrestre d: rayonnement diffus de l’atmosphère, incident sur la surface terrestre b: 25% d: 23% c: 27% Insoaltion maximale (en plein midi): 50% au total (rayonnement direct et rayonnement diffus) 27% rayonnement direct

16. Juillet Limite du Confort thermique Puissance solaire (W/m²) Puissance à midi Heure du jour Janvier Juillet Décembre L ’énergie Solaire À Montréal

17. ionosphère La structure thermique de l’atmosphère Ionisation causée par les radiations solaires km 1800 K exosphère 450-500 thermosphère La tendance est au refroidissement avec l’éloignement de la surface 80-100 190 K mésosphère Réchauffement par l’absorption des UV par l’ozone 50-60 270 K stratosphère 8-15 190 K troposphère La surface est réchauffée par les rayons solaires 290 K

18. L’absorption par les GES bloque l’échappement des radiations infrarouges La «fenêtre» de transparence de l’atmosphère aux IR terrestres «Météorologie générale», J.P. Triplet & G. Roche, 1971, 303p, météorologie nationale  (m)

19. visible IR O3 IR H2O CO2 visible CH4 L’effet de serre L ’effet de serre des gaz de l ’atmosphère Du jardinier verre • Le verre est transparent (95%)aux radiations solaires du visible centrées autour de = 0,6m. Le sol absorbe le rayonnement solaire et s ’échauffe. Les plantes absorbent les photons du bleu et du rouge et croissent. Les rayons solaires, en partie réfléchis (25% globalement), vont chauffer la surface et participer au métabolisme de la biomasse, les infrarouges émis par ces deux processus(  10m) sont absorbés par les gazde l’atmosphère dont les molécules sont formés de trois atomes ou plus (eau, gaz carbonique, méthane, ozone, anhydride sulfureux, etc.). Une partie de ces radiations seront réfléchies vers la surface du globe. Ces gaz à effet de serre (GES) jouent le rôle de la plaque de verre de la serre du jardinier • Le verre est partiellement (50%) opaque aux radiations IR . Les IR émis par le sol et les plantes seront donc trappés sous le verre. Il y fait plus chaud que dans l ’air libre au-dessus.

20. Pluies acides GES smog Émissions dans le monde La pollution anthropique Émissions kg/10³Joules d ’énergie Essence 1 litre  2,4 kg de CO2

21. Équivalent CO2 (%) 100 15 4 5 Les gaz à effet de serre (GES) Toutes les molécules à plus de trois atomes interagissent avec les IR terrestres

22. La physico-chimie de l’ozone atmosphérique • Ozone stratosphérique • UV solaires • photo-chimie avec les CFC, HCFC • Ozone troposphérique • photo-chimie avec les émissions des véhicules

23. Diminution de la concentration d’Ozone stratosphérique • causes: émissions anthropiques - chlorofluorocarbones (CFC), HCFC, bromure de méthyle (fumigation des sols), combustion de la biomasse • effets: augmentation du flux des UV avec atteinte à la productivité des écosystèmes et risque accru du cancer de la peau chez les humains • Augmentation de la concentration d’Ozone troposphérique • causes: action des rayons solairs sur les émissions des véhicules automobiles et gaz de combustion • effets: atteinte aux poumons et effets nocifs sur la végétation

24. Feux de forêts La variation diurne de l ’ozone troposphérique Émissions du traffic routier et diverses combustions Ozone Heure de la journée Cas de l ’Australie Boutard Armel, Uqam

25. Les gaz producteurs d ’ozone troposphérique Trafic routier Résidentiel OMS: «Les transports routiers sont la plus importante source de pollution de l ’air, son augmentation est continue» Boutard Armel, Uqam

26. Le nombre moyen de jours par année où les concentrations sont supérieuresà 82 ppb La concentration maximale acceptable pour le Canada: 82 ppb 16 14 140 12 10 100 80 8 6 4 40 2 Qubec Halifax Toronto Sarnia Windsor Montréal Ottawa London Saint John Vancouver Ottawa Windsor Toronto Montréal Regina Vancouver Edmonton Les niveaux d ’ozone troposphérique au Canada Winnipeg Boutard Armel, Uqam

27. L ’Ozone stratosphérique La couche d ’ozone : L’unité de mesure de la quantité d’ozone est le Dobson, cette unité correspond à une épaisseur de 0,001 cm d’ozone dans les conditions «normales» (température de 15 0C à la pression atmosphérique). La quantité d’ozone troposphérique distribuée sur une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres est de l ’ordre de 300 Dobson, l’équivalent à la surface de la Terre d’une couche de 3 mm; d’où l’expression de «couche d ’ozone»

28. Paul Crutzen, de l’Institut Max Plank en Allemagne, prix Nobel en 1955 pour l’explication de la chimie de l’ozone strastosphérique Discover, déc. 2006, p.1

29. Au-dessous de -800C les nuages stratosphériques se forment, à la surface de ces nuages des réactions chimiques transforment les produits de dissociation des CFC et des halons (ClONO2, HCl) en composés (Cl²,ClOH) susceptibles de détruire O³. Dès l’apparition du Soleil ces composés forment à leur tour des molécules plus actives ClO. 9 km

30. 60 0 au dessus de l ’horizon 100% Danger 80% 60% Impacts des UV sur la peau UV-C UV-B UV-A 40% 15 0 au dessus de l ’horizon 20% 0% 0,25 0,3 m L ’ozone stratosphérique; filtre des ultraviolets (UV) L ’ozone nous protège du danger des UV-B, la quantité reçue au sol dépend de la couche d’air traversée donc de la hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon

31. L ’ozone stratosphérique; filtre des ultraviolets (UV) • Une réduction de 25% de la «couche» d ’ozone serait susceptible de provoquer une diminution de 35% de la production primaire dans les premiers mètres d ’une colonne d ’eau et une diminution de 12 % de la productivité générale des eaux de surface • Une diminution de 1% de la «couche» d ’ozone provoquerait une augmentation de 4 à 6% des cancers de la peau

32. Les éléments halogènes : fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), iode (I) • Chlorofluorocarbones (CFC) • Hydrochlorofluorocarbones (HCFC) • Hydrofluorocarbones (HFC) • Bromure de méthyle (fumigation, insecticide) Les usages des CFC Les gaz «destructeurs» de l’ozone stratosphérique Les CFC, composés miracles «inventés» en 1928 pat Thomas Midgey (produits par Dupont de Nemours), remplaçaient des produits toxiques et inflammables. Ils ont été utilisés comme: • fluide échangeur de chaleur • isolant électrique • agent de propulsion dans les bombes aérosols • agent d ’expansion dans les mousses d ’emballage

33. Le trou d’ozone du pôle sud

34.  (nm) couleur 360 UV 434 violet 486 bleu-vert 589 jaune 656 rouge Le blanc: lasommedescouleurs

35. L’interaction des rayons solaires et des gaz de l’atmosphère absorption: agitation des molécules et chaleur diffusion: La couleur bleue du ciel émission IR réflexion, réfraction arc en ciel + Diffraction avec les cristaux de glace (anneaux) D  -4

36. Le Bleu du ciel • La diffusion des rayons solaires: • D  -4 • La réfraction des rayons solaires: • ni = c0/ci • mirages de Terre et de Mer • arc-en-ciel

37. Discover, juin 03 p.30