SCIENCES DE LA TERRE

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1.2 La planète Terre et son environnement global

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Nous sommes partis de l'observation selon laquelle à une même latitude, on observe durant une même période de l'année des températures moyennes au sol différentes.
Nous avons supposé que des courants des enveloppes fluides (atmosphère et hydrosphère) pouvaient être, en partie, responsables de ces variations.
Nous nous proposons d'approfondir le fonctionnement des enveloppes fluides de notre planète et leur influence sur l'environnement à l'échelle du globe.

I. Les enveloppes fluides qui entourent la planète Terre

• T.D. 5 - Fiche

A. Composition et structure de l'atmosphère terrestre

1) Les atmosphères planétaires
Manuel, p. 20-21

• Avoir une atmosphère
  • Pour avoir une atmosphère, la planète doit être capable de la retenir par gravité donc d’être de taille suffisante. La Lune et Mercure n’en possèdent pas.
  • Les planètes géantes gazeuses possèdent des atmosphères de plusieurs milliers de kilomètres, celle de Jupiter a une masse 300 fois celle de la planète Terre. Elles sont de type primaire, elles ont été capturées dès la formation.
  • La capture d’une telle atmosphère a nécessité un noyau 10 fois celui de la Terre, une température inférieure à 225°K et le fait que les vents solaires de la naissance de notre système n’ont pas éloigné définitivement les fractions gazeuses de la nébuleuse avant l’accrétion.
  • Les planètes telluriques ont une atmosphère mince de type secondaire, (principalement obtenue par dégazage ?).
  • Vénus possède une atmosphère mince (de 200 à 350 km) mais dense dont les nuages opaques, formés de particules d’acide sulfurique concentré, sont responsables de la réflexion des rayons du Soleil, d’où son surnom « Étoile du Berger » ; la pression au sol est de 90-95 bars (1 bar = 105 pascals).
  • Mars, la pression au sol est située entre 7 et 10 mbar, une atmosphère ténue en voie d’échappement.
    
• La composition chimique des atmosphères sur différentes planètes
  • La Terre est exceptionnelle par la présence d’oxygène et la faible quantité de dioxyde de carbone. On peut supposer que la présence d'eau liquide qui solubilise CO₂ et de la vie photosynthétique qui a consommé CO₂ et produit O₂, sont responsables de cet état de fait. Sans elle, la composition de l’atmosphère terrestre serait sans doute proche de celle de Mars et Vénus.

2) L'atmosphère terrestre
Manuel, doc. 1b, p. 20

• La planète Terre est exceptionnelle : son atmosphère a subi plusieurs modifications pour se stabiliser vers la fin de l'ère primaire, -245 Ma.
• Coupe de l'atmosphère terrestre

B. Importance de l'hydrosphère

1) Les états de l'eau

2) Les facteurs de la présence d'eau liquide

• L’eau n’existe qu’à des conditions de température et de pression bien spécifiques. La température doit être supérieure à 0°C et inférieure à 46°C à 0,1 atm., ou 100°C à 1 atm., ou 312°C à 100 atm.
• Elle ne subsiste que si la gravité est suffisante.

3) La planète Terre possède de l'eau liquide à sa surface

• L’eau est le milieu de la vie et le constituant principal des êtres vivants.
• L’eau est le solvant des matières minérales et des petites molécules organiques et des gaz comme le dioxyde de carbone.
• L’eau est le principal agent de l’érosion.
• L'eau est responsable de la dissolution du dioxyde de carbone qui combiné au calcium, forment des roches calcaires. Ce phénomène d’échange du dioxyde de carbone entre l’atmosphère et les océans est réversible ce qui permet d’augmenter l’effet de serre lorsque le climat général se refroidit. Mais cet équilibre est fragile et l’Homme peut très bien le perturber par combustion de l'énergei fossile (charbon et pétrole).

C. L'hydrosphère et l'atmosphère forment des enveloppes fluides : conséquences

Les fluides sont sensibles aux variations de pression et de température qui provoquent des dilatations, des mouvements de convection et des courants. On observe des tempêtes et des vents très violents sur les planètes gazeuses.

II. L'Observation de notre planète

A. Les images satellitales

• T.P. 6 - Les images satellitales

• La fiche T.P. 6 (format .pdf) - Utilise le CD "Images satellitales " et le logiciel TITUS.
• Protocole expérimental de mesure de la réflectance à l'aide d'un radiomètre
• Se reporter à la rubrique "Fiches et Documents" du chapitre pour les liens utiles lors de la séance de TP.

1) Les principes physiques

• Rayonnements solaire et terrestre
• Radiométrie expérimentale (mesures effectuées à partir de différents substrats).
  • Le protocole expérimental
  • Corrigé de la manipulation de radiométrie expérimentale Ultérieurement
  • Revoir le fonctionnement du radiomètre (téléchargement d'un radiomètre virtuel depuis la rubrique Compléments).
• Les différents types de satellites (réviser, manuel, p. 58) et la trajectographie.
  • Les satellites géostationnaires
  • Les satellites à défilement : héliosynchrone ou à orbites (polaire, directe ou rétrograde)
• L'acquisition des données, 4 étapes : (réviser, manuel, p. 76 à 79)
  1. détection à l'aide de radiomètres embarqués à bord de satellites
  2. numérisation des images obtenues sur les 3 canaux du visible et les canaux infrarouges, l'image devient un tableau de chiffres où chaque cellule contient la valeur d'un pixel comprise entre 0 et 255.
  3. transmission des valeurs numérisées vers la station au sol.
  4. Restitution par canal et traitement par synthèse additive des différents canaux (bleu, vert et rouge ou infrarouges).

2) L'image numérique

• Principes de base : interprétation des valeurs numérisées, notion d'histogramme et d'attribution de valeurs colorées
• Principe de restitution d'un image monocanal
• Photointerprétation : démonstration et exercice de zonage

3) Exemple pratique : visionner le phénomène d'upwelling sur la côte Atlantique du Portugal en été
Image satellitale, canaux infrarouges 4 et 5.

• Le traitement de l'image du canal 4 infrarouge permet de différencier les variations de température de la surface de l'océan Atlantique, depuis le large jusqu'à la côte au Nord du Portugal.
• En été, on remarque une anomalie de température négative de 6 à 7 degrés des eaux de surface côtières.
• Tentative d'explication de cette anomalie.
  • Les vents côtiers dominants au Nord du Portugal sont des vents de Nord.
  • L'action des vents déviés vers la droite par la force de Coriolis entraîne une dérive vers l'ouest (donc vers le large) des courants de surface.
  • Les masses d'eau superficielle, poussées vers le large, créent une dépression océanique (abaissement du niveau de l'océan) près des côtes et une surpression océanique (élévation du niveau de l'océan) au large.
  • Pour rétablir l'équilibre, les eaux plus profondes sont "aspirées" vers la surface. Cette remontée des eaux froides profondes se nomme "upwelling"
• Les eaux froides profondes sont riches en élements minéraux qui font d'ordinaire défaut en surface. Cet apport stimule l'activité phytoplanctonique, développe la chaîne alimentaire et rend la zone poissonneuse.
• Cet upwelling explique l'existence d'une pêche traditionnelle au filet depuis les plages du Nord du Portugal (voir photo ci-contre).
• Exemple d'un phénomène d'Upwelling au large des côtes mauritaniennes.
  • Se connecter à la page d'accueil de l'ESA (Agence spatiale européenne).
  • Aller à ESA Galerie Multimédia, dans Rechercher par mot-clé taper "Upwelling".
  • Parmi les images proposées choisir les deux images qui concernent les côtes de Mauritanie
  • Obtenir les informations en cliquant sur "i" situé sous chaque image.

B. Les exemples de surveillance de la planète

• Le trou de la couche d'ozone (Manuel, p. 59 et documents de la page Blblio et Internet)
• Compréhension du phénomène El Nino (Manuel, p. 80-81 et documents de la page Blblio et Internet)
• Prévision des récoltes (Documents de la page Blblio et Internet)

III. Les mouvements des enveloppes fluides

• Introduction : la dispersion de polluants
  • les cendres volcanqiuse du Pinatubo (Manuel, p. 62-63),
  • le nuage radioactif libéré par l'explosion nucléaire de Tchernobyl (Manuel, p. 60-61)
  • les marées noires (Manuel, p. 66-67)

A. Les mouvements atmosphériques

• T.P. 7 - Les cyclones

Fiche T.P. (au format pdf)
Documents à interpréter (page html)
Protocole d'utilisation de Mesurim pour évaluer le diamètre moyen réel du cyclone Georges
Fiche technique du logiciel "Tracking the eye". (page html)
Téléchargement du logiciel "Tracking the eye". La version ancienne de 2003 utilisée en séance de TP
Le téléchargement de la nouvelle version 2008 nécessite l'ADSL (40Mo + 23Mo).
Son utilisation est payante.

B. Les mouvements océaniques

• T.P. 8 - Mesure de la direction et de la vitesse des courants superficiels de l'Atlantique nord

• Fiche T.P. comprenant une fiche de modélisation de la force de Coriolis (au format pdf)
• Protocole expérimental et sites à consulter (page html)
• Données concernant 16 bouées dérivantes (fichier Excel téléchargeable)
• Documents complémentaires pour la synthèse (page html)
• Fichier Excel corrigé permettant de calculer les vitesses minimales et maximales des bouées étudiées
  • Image numérisée du graphe au format .gif, à enregistrer sur le disque dur pour effectuer les mesures de vitesse à l'aide de Mesurim (voir protocole du TP.7)
• Informations concernant la force de Coriolis

C. Expériences de modélisation des mouvements qui affectent les enveloppes fluides à la surface de notre planète

• T.P. 9 - Modélisation des mouvements qui affectent les enveloppes fluides à la surface de notre planète

Fiche T.P. (format pdf)

Documents permettant de valider les modèles expérimentés (page html)

T.P. réalisé d'après les travaux de Pierre Perez (St-Gaudens), Gilles Gutjahr - L. Cl. Marot (Cahors)

Fiche - Exercice d'application - Une modélisation des cellules de convection

D. Couplage des mouvements atmosphériques et océaniques.

• T.P. 10 - Couplage responsable des climats de notre planète - Des équilibres fragiles et complexes

• Fiche TP (format pdf)
• Accès aux documents

• L'énergie solaire parvenant à la surface de la Terre est plus importante à l'équateur qu'aux pôles. L'énergie infrarouge émise par la surface de la Terre varie aussi avec la latitude mais beaucoup moins que l'énergie solaire incidente. Il en résulte un bilan d'énergie positif entre 0° et 35-40° de latitude et négatif entre 35 et 40° et 90° de latitude dans les deux hémisphères.
• Cette différence dans le bilan thermique est à l'origine d'un transport de chaleur de l'équateur vers les pôles qui est assuré par la circulation océanique et la circulation atmosphérique. Les mouvements sont complexes.
• On peut néanmoins mettre en évidence leurs causes principales (les variations de pression, de densité, de température et de salinité) et constater la complexité introduite par la rotation terrestre (présentation qualitative de l'effet de la force de Coriolis).
• Les moteurs qui amorcent les mouvements de convection sont principalement
  • pour l'atmosphère : la chaleur transférée des océans tropicaux dans l'atmosphère,
  • pour les océans : la plongée des eaux densifiées par l'évaporation et la formation de la glace de mer aux pôles.
• L'analyse de documents illustrant la dispersion des espèces chimiques et poussières montre comment les mouvements océaniques et atmosphériques régissent les phénomènes de pollution à des échelles locales (une ville, un littoral) et globales (l'atmosphère et l'océan dans son ensemble).