Le climat – Cinquième épisode – L’océan et le climat

OUF, le temps avance et notre compréhension du climat également, au travers de cette série d’articles. Cher lecteur, nous allons voir ici le rôle joué par l’océan dans le climat.

Le climat sur la Terre serait, bien sûr, très différent sans les océans. Ces derniers stockent d’énormes quantités de chaleur et en échangent également des quantités importantes avec l’air et la terre. Tout se passe en fait comme si un vaste «tapis roulant» traversait les océans, transportant la chaleur entre les parties les plus chaudes et les plus froides du monde. La quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère, quant à elle, dépend à tout moment de l’équilibre global entre l’évaporation et les précipitations sur l’océan. L’océan est aussi une source, un puits ou un réservoir non seulement pour la vapeur d’eau, mais également pour plusieurs autres espèces atmosphériques importantes, comme le dioxyde de carbone (CO2).

Stockage de chaleur et transport

Alors que nous ressentons l’effet du climat principalement à travers l’atmosphère, 71% de la surface de la Terre est recouverte d’eau, dont 6% de glace. Cela représente un énorme réservoir de chaleur et d’humidité disponible pour effectuer des échanges avec l’atmosphère. La grande capacité de chaleur des océans retarde l’effet de toute tendance au réchauffement dans la basse atmosphère : seulement 60% de l’effet de l’activité industrielle depuis 1700 se manifeste dans les augmentations de température de surface enregistrées.

L’atmosphère et les océans sont couplés de manière dynamique. Les deux ont des schémas de circulation qui redistribuent la chaleur des tropiques à des latitudes plus élevées. Bien que l’océan se déplace moins rapidement que l’atmosphère, son stockage d’énergie est beaucoup plus grand. En fait, la partie supérieure des océans (jusqu’à 3m de la surface) a la même capacité calorifique que l’ensemble de l’atmosphère. La capacité de chaleur totale des océans est environ 1 000 fois supérieure à celle de l’atmosphère. La contribution nette de l’océan au flux de chaleur entre l’équateur et les pôles est la même que celle de l’atmosphère, avec l’océan dominant sous les tropiques tandis que l’atmosphère prend le dessus à des latitudes plus élevées.

Leur puissance combinée est d’environ 5 PW (5 x 1015 W), ce qui, à titre indicatif, équivalant à la production de plusieurs millions de centrales nucléaires.

L’océan réduit donc le contraste entre les températures à l’équateur et aux pôles et assure ainsi la stabilité du climat. Si sa circulation était perturbée, des changements majeurs pourraient néanmoins survenir. La haute teneur en sel de l’océan, et le fait qu’elle varie en raison du ruissellement de l’eau douce de la surface terrestre, font que la circulation océanique profonde est conduite par des gradients (différences) de densité dus à la salinité et à la température. L’avancée de calottes polaires au cours des âges de glace pourrait être due à des changements dans la circulation océanique et à un transport réduit de chaleur vers les hautes latitudes.

Cycle hydrologique

L’océan est au cœur du cycle hydrologique et détient environ 97% de l’eau de la Terre à tout moment, environ 10 milliards de kilomètres cubes d’eau. Le transfert d’une partie de cette eau entre l’océan, l’atmosphère et la surface terrestre constitue le plus grand mouvement de matière sur Terre. Outre les précipitations et d’autres aspects du bilan hydrique, la répartition de la vapeur dans l’atmosphère affecte le bilan radiatif de la Terre par la formation de divers types de nuages ​​et de la couverture de glace en surface.

Les variations d’humidité dans l’atmosphère et la formation des nuages ​ proviennent de l’évaporation des océans. Inversement, les flux d’eau douce de surface affectent la salinité et donc la circulation océanique. Cette dernière affecte à son tour le stockage et le transport de la chaleur par l’océan, un facteur majeur dans l’énergétique du système climatique.

Echange de C02 avec les océans

Le dioxyde de carbone est légèrement soluble dans l’eau. Il a donc tendance à s’éliminer de l’atmosphère et à pénétrer dans l’océan par l’action des précipitations et lors des ruptures de vagues sur les côtes. Environ un tiers du dioxyde de carbone rejeté chaque année par les combustibles fossiles (2 giga tonnes de carbone par an) est absorbé par l’océan, offrant une réduction importante de l’effet de serre causé par ce gaz.

On ignore combien de temps l’océan peut continuer à fournir ce service. Il est estimé que l’océan contient actuellement environ 50 fois plus de dioxyde de carbone que l’atmosphère. L’océan pourrait en être saturé et le taux d’absorption ralentirait alors. En fait, sachant que l’océan peut se réchauffer et que la solubilité du C02 dans l’eau diminue lorsque la température augmente, l’océan pourrait devenir une source nette de CO2 et fournir ainsi une rétroaction positive sur les tendances du réchauffement planétaire

Attention, attention donc au CO2 !!!

Une partie du CO2 en solution dans l’océan y est retenue en permanence, et subit finalement une sédimentation à la suite de réactions chimiques et de processus biologiques, formant des récifs coralliens et autres. Par exemple, le phytoplancton qui flotte dans les 200 m d’eau de surface consomme du C02 pendant la photosynthèse. Il le convertit ensuite en molécules plus complexes qui soit finissent comme nourriture pour les grandes espèces soit sombrent dans le lit de l’océan à la fin de la courte durée de vie du plancton (quelques jours).

Le taux auquel l’enlèvement net de CO2 par cette « pompe biologique » peut continuer dépend de la reproduction du phytoplancton, qui peut être très rapide ou presque nul, dépendant de la disponibilité des autres nutriments. Ces nutriments ont tendance à s’épuiser dans les couche superficielle, où l’énergie solaire est disponible et où la majeure partie du phytoplancton vit. Cependant, ces nutriments restent abondants à des profondeurs plus grandes. Ainsi, le phytoplancton (et les grands animaux marins comme les poissons qui s’en nourrissent) a tendance à prospérer à des endroits et à des moments où les remontées d’eau sont rapides dans l’océan.

Grâce aux nombreuses mesures effectuées, les chercheurs ont constaté que le taux d’échange de CO2 entre l’océan et l’atmosphère à la latitude moyenne du Pacifique varie d’une année à l’autre d’un facteur 4. Cette variation est apparemment due aux différences dans la structure de la température et des remontées d’eau dans l’océan ainsi qu’à l’affaiblissement des vents dans le moitié orientale du Pacifique lors des événements ‘El Nino’.

De telles fluctuations ajoutent évidemment à la difficulté d’estimer la budget global du C02 avec précision. Les meilleures estimations actuelles, n’expliquent pas un réchauffement climatique à moins qu’un grand composant non identifié, égal à environ un tiers de l’absorption totale par les océans chaque année, soit inclus artificiellement.

Il est crucial de comprendre cet écart, car la balance actuelle, qui est légèrement du côté de l’élimination du CO2 de l’atmosphère, mais qui est susceptible d’aller dans l’autre sens, en dépend de façon critique. Cet écart est probablement lié à l’incertitude des taux auxquels les processus connus absorbent le CO2 atmosphérique dans les océans, et ce qui arrive après cela.

Couplage dynamique entre l’atmosphère et l’océan

Le phénomène « El Nino » mentionné ci-dessus est maintenant connu pour avoir une importance dans les études climatiques qui va bien au-delà de son rôle de modérateur de la température de l’eau, et donc de réguler l’abondance du phytoplancton, dans le Pacifique oriental.

Plus souvent appelé El Nino-Southern Oscillation (ENSO) de nos jours, c’est l’exemple le mieux étudié de de l’interaction dynamique entre l’atmosphère et l’océan.

La base de cette interaction concerne la manière dont la température de surface de l’océan affecte le taux de chaleur et de transfert d’humidité dans l’atmosphère, produisant des variations des champs de pression qui entraînent les vents. En même temps, le vent proche de la surface a un effet important sur les mouvements des couches supérieures de l’océan et sur leur température, créant une boucle de rétroaction. Ce type de couplage conduit à des oscillations, avec de longues échelles de temps (quelques années pour ENSO) pour ces oscillations ayant lieu sur de grandes échelles spatiales. Il est maintenant reconnu que la compréhension intime de ce comportement est cruciale pour la réalisation de bons modèles de prévision climatiques sur des échelles de temps de plusieurs années à plusieurs décennies.

Transfert radiatif dans l’atmosphère

Dans le système climatique, l’énergie est transférée de deux manières principales : 1) par des mouvements dans l’atmosphère et l’océan, qui transportent l’air et l’eau chauds dans des régions plus froides et inversement, et 2) par transfert radiatif infrarouge, cette fois uniquement dans l’atmosphère, car l’océan est trop opaque pour permettre des transferts importants.

Cher lecteur, une compréhension détaillée du transfert radiatif sera donnée dans un prochain article.

Voila voila, j’en ai fini pour cet article 🙂 J’espère que vous l’avez aimé. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

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La poussée d’Archimède – qu’est ce que c’est ?

On a déjà tous entendu parlé du célèbre cri poussé par Archimède dans sa baignoire : Euréka !

On lui attribue la découverte de son principe : le  principe d’Archimède sur les corps plongés dans un liquide. Archimède conçoit, sur ce principe, le plus grand navire de l’Antiquité, le Syracusia commandité par le tyran de Syracuse Hiéron II et construit par Archias de Corinthe vers 240 av. J.-C.

Mais qu’est ce que ce principe :

Tout corps entièrement immergé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas en haut et d’intensité égale au poids du volume de fluide déplacé.

ou, de façon légèrement plus complète :

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé.

Ce second énoncé exprime bien que le fluide et le corps immergé doivent être au repos pour que le principe s’applique. Il exprime également que le principe s’applique même si le corps n’est pas entièrement immergé. Le principe ne s’applique pas seulement aux poissons, aux sous-marins ou aux plongeurs, mais aussi aux icebergs, aux bateaux, à vous sur votre matelas ou fauteuil d’apéritif gonflable dans votre piscine, … 🙂

En voici l’expression mathématique :

Poussée d’Archimède

Cette poussée d’Archimède est une force de contact répartie sur toute la surface de contact solide-fluide. Elle est due au fait que toute la surface d’un solide immergé dans un fluide (liquide, gaz) est constamment « frappée » par les molécules de ce fluide. Ces chocs sont à l’origine de la poussée d’Archimède.

Cette poussée s’exerce de façon bien effective sur le plongeur : c’est ce qui assure sa flottabilité.

En effet, à l’équilibre, le bilan des forces agissant sur le plongeur est tel que son poids et la poussée d’Archimède s’opposent.

Le poids apparent d’un plongeur est défini comme son poids réel diminué de la poussée d’Archimède. La flottabilité est, quand à elle, l’opposé du poids apparent.

Donc, si le poids réel est plus petit que la poussée d’Archimède, la flottabilité est positive et on flotte 🙂. Si par contre le poids réel est plus grand que la poussée d’Archimède, la flottabilité est négative et on coule. Enfin, si le poids apparent et la poussée d’Archimède sont égales en grandeur, la flottabilité est nulle et l’on est en position neutre, à l’équilibre.

Mais il y a aussi des forces de frottement

Si le corps solide se déplace par rapport au fluide, il apparaît des forces de « frottement fluide » sur toute la surface du solide. Ce n’est plus uniquement la poussée d’Archimède qui s’exerce là … !

Voici les forces qui s’exercent sur un parachutiste de 80 kg ayant sauté de l’avion et ouvert un peu plus tard son parachute supposé d’un volume de 10 m3. Est-ce que c’est la poussée d’Archimède qui le freine ?

Archimède et le parachute ?

Clairement la poussée d’Archimède de l’air sur le parachute ne compense pas le poids du parachutiste (poids du parachute négligé). Il y donc une autre force (principe d’inertie) qui doit agir pour éviter la chute libre du parachutiste … ! Ce sera l’objet d’un prochain article sur les forces de frottement … 🙂

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Le climat – Quatrième épisode – La circulation générale de l’atmosphère

La plupart des processus déjà discutés dans le troisième épisode sont liés à la circulation de l’atmosphère. C’est cette circulation qui transporte la chaleur, la quantité de mouvement, les nuages, l’eau, l’ozone et la pollution dans le monde entier. Le transfert d’énergie vers les pôles est essentiel à l’équilibre énergétique global. C’est lui qui permet de compenser la diminution de la puissance incidente du Soleil avec la latitude. Environ la moitié de ce transfert, d’un montant de plusieurs pétawatts (1 PW = 1015 W) se produisent dans l’atmosphère, et le reste dans les océans. 

Comment circule donc l’atmosphère terrestre?

La circulation océanique est couplée à celle de l’atmosphère par la quantité de mouvement et le transfert de chaleur entre les vents proches de la surface et la surface de l’eau. Si la Terre avait une surface uniforme et ne tournait pas, le chauffage solaire serait maximum au point sub-solaire et zéro partout ailleurs, du côté de la nuit. (Le point sub-solaire est le point situé à la surface de la Terre exactement à la verticale du soleil.) La persistance de cette situation conduirait à une circulation atmosphérique du point sub-solaire vers le point anti-solaire en passant symétriquement autour de l’équateur (voir la figure ci-dessous).

C’est simple, n’est-ce-pas ? Cependant cela ne décrit pas la réalité ! Considérons d’abord le cas de Vénus …

Grâce à l’observation de notre planète soeur, Vénus, nous savons qu’elle ne tourne qu’une fois en 243 jours terrestres. A cette faible vitesse de rotation, le chauffage solaire se redistribue autour de l’équateur de façon assez efficace pour rendre les pôles, situés sur l’axe de rotation, les endroits les plus froids de la planète (comme on en a l’habitude 🙂). De plus, on s’attend à ce que la circulation atmosphérique se compose principalement d’air ascendant dans la région chauffée, d’air descendant lorsque le refroidissement l’emporte sur le réchauffement et une circulation entre les deux.

Dans le cas de Vénus, l’air chaud aux basses latitudes monterait et se déplacerait vers les pôles, se refroidissant au fur et à mesure ; près des pôles, il descendrait et se déplacerait à un niveau plus bas vers l’équateur. (L’air chaud est moins dense que l’air froid et donc reste au dessus 🙂.) L’air complète ainsi une grande circulation appelée cellule de Hadley. Ce schéma simple semble bien décrire la circulation atmosphérique moyenne sur Vénus (voir la deuxième figure ci-dessous)

Circulation générale

Bon, et sur Terre alors ?

Sur Terre, ce schéma n’est hélas pas stable à cause d’une rotation plus rapide de la planète sur elle-même. Au lieu de cela, l’effet Coriolis (ah, voila de la mécanique) ajoute une composante parallèle à l’équateur aux flux en direction des pôles. Cet effet ferme la la circulation dans la cellule de Hadley en forçant le flux nord-sud dans une direction est-ouest avant de pouvoir atteindre les hautes latitudes. Plus loin les cellules se développent et, pour des raisons non intuitives mais démontrables, la rotation de 24 heures de la Terre provoque le développement de trois cellules de circulation dans chaque hémisphère au lieu d’un seul : les cellules de Hadley, de Ferrel et de Polar (voir la troisième figure ci-dessus).


Bref, il faut toujours que ce soit compliqué sur Terre. C’est sans doute pour cela que nous pouvons y vivre 🙂

En plus, cette image simplifiée (non, en plus c’est simplifié ! 🙂) n’est valable qu’en moyenne à long terme de la circulation atmosphérique générale. Elle explique seulement à moitié le transport de chaleur vers les pôles. L’autre moitié du transport méridional total est le résultat de tourbillons, dont font parties les systèmes orageux en latitude moyenne, les vagues et la turbulence sur une large gamme d’échelles de temps et d’espace.

Une question cruciale à laquelle les scientifiques ne peuvent pas répondre avec des modèles ou concepts physiques simples est :

Pourquoi la combinaison de transfert cellulaire et turbulent conduit au gradient de température particulier observé entre l’équateur et le pôle ?

Il s’agit là d’un facteur déterminant du climat et de son changement possible. Un élément de réponse est que le système climatique agit de manière à maximiser le taux de production d’entropie (c’est une espèce de principe directeur ; zut ! , encore de la thermodynamique).

Production d’entropie

Ainsi, il apparaît que le transfert d’énergie dynamique au sein du système climatique tend non seulement vers un état d’entropie maximum, comme l’exige le deuxième loi de la thermodynamique, mais aussi qu’elle va dans cette direction à la vitesse la plus rapide possible. L’explication, en gros, est que les processus impliqués sont complexes et chaotiques, et offrent donc une nombre infini de chemins menant à l’état de désordre maximal.

Chouette alors !, du désordre, du désordre 🙂 

(Le cycle d’absorption, de transfert et d’émission de radiations par le système climatique, qui implique un taux de production d’entropie supérieur à celui du transport de chaleur, n’a pas cette propriété et ne se comporte pas de cette manière.)

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Le climat – Troisième épisode – L’atmosphère et le climat

Chère lectrice, cher lecteur, nous voici déjà dans l’épisode 3 des articles sur le climat et je vais décrire ici les effets liés à l’atmosphère sur le climat. Mais pour commencer en musique (ou du moins avec l’image et le son 🙂 ), revoyons d’abord ce qu’est l’effet de serre et quels sont les gaz à effet de serre. Nous décrirons alors comment l’atmosphère a évolué depuis les origines.

On pense que l’atmosphère terrestre primitive se composait principalement d’hydrogène et d’hélium dans des proportions d’environ 2 : 1. Cette atmosphère primitive a disparu en raison : 1) des températures de surface élevées qui prévalaient à l’époque, conduisant à la perte relativement rapide des gaz de faible poids moléculaire dans l’espace et 2) de l’action de piégeage du rayonnement intense et du flux de particules provenant du jeune Soleil dans sa phase ‘T Tauri’, qui fit disparaitre les molécules plus lourdes également.

Plus tard, une atmosphère secondaire a été produite lorsque les gaz ont été expulsés de l’intérieur de la planète. Sa composition était probablement similaire à celle qui est encore libérée par les volcans à l’heure actuelle (principalement de l’H20, avec un faible pourcentage de C02 et de S02, plus de plus petites quantités de CO, S, Cl2, N2 et H2) et des quantités inconnues, mais probablement significatives, de substances volatiles comme le NH3 (ammoniac) et le CH4 (méthane).

La vapeur d’eau se condensa lorsque la planète se refroidit et forma l’océan ; de l’oxygène fut produit par photosynthèse et de l’ozone par photochimie, le tout équilibré par l’échappement continu de gaz légers du haut de l’atmosphère, l’élimination du dioxyde de carbone par la formation de fossiles et la perte d’oxygène par des processus d’oxydation. C’est l’équilibre que nous constatons aujourd’hui.

Ouahhh, que de choses se sont déroulées depuis les origines ! Mais il y a plus … 🙂

Il y a une structure verticale de la température dans l’atmosphère, pourquoi, comment cela s’est-il produit ?

Je vous propose ici trois vidéos qui expliquent quelques concepts thermodynamiques (ou de mécanique des fluides) utiles pour comprendre ce qu’il se passe dans l’atmosphère. Si vous êtes allergiques aux mathématiques, passez simplement votre chemin et retrouvons nous en bas de chaque vidéo pour un résumé en 1 ligne de cette vidéo 🙂

Commençons par voir et comprendre pourquoi il y a une variation de pression avec l’altitude dans l’atmosphère.

Variation de pression avec l’altitude

La pression diminue donc de façon exponentielle avec l’altitude z dans l’atmosphère. C’est d’ailleurs ce qui permet aux avions de savoir à quelle altitude ils sont …

Ensuite, voyons comment le premier principe de la thermodynamique, mis sous forme adéquate pour étudier les transformation isobares (même pression) dans l’atmosphère nous permet de déterminer la variation de température avec l’altitude dans la troposphère.

1er principe de la thermodynamique pour étudier les phénomènes ayant lieu dans l’atmosphère
Variation de température avec l’altitude dans la troposphère

La température diminue donc avec l’altitude à une vitesse de 10°C (ou 10 K) par km, si l’air est sec, dans la troposphère. Brrr, il ne fait pas bon monter trop haut. L’Himalaya, très peu pour moi … 🙂

La structure verticale moyenne de la température de l’atmosphère résulte de l’équilibre entre le chauffage et le refroidissement à différents niveaux est illustré ici :

Variation de température et de pression avec l’altitude dans l’atmosphère

La séparation en grandes régions par la tendance générale à la hausse et la baisse des températures a conduit à l’attribution de noms à ces régions. Ainsi, les 10 km les plus bas, où la température baisse avec l’altitude, à une vitesse à peu près constante, est connue sous le nom de troposphère. ‘Tropos’ vient du mot grec qui signifie « tourner », une référence à l’importance des mouvements convectifs pour le transport vertical de la chaleur.

Convection – pour une poêle et dans l’atmosphère

Rappelons que le gradient adiabatique de la température par rapport à la hauteur, qui est juste stable vis-à-vis de la convection, peut être calculé simplement et vaut environ 10 K km-1, la valeur exacte dependant de la composition, et en particulier de l’humidité.

Au sommet de la troposphère (la tropopause), la température tend à devenir invariante avec la hauteur et l’atmosphère est stratifiée de façon stable (c.-à-d. que les couches d’air n’ont pas tendance à se déplacer ni vers le haut ni vers le bas), d’où le nom de stratosphère pour cette région.

Pour quelle raison ?

La principale différence entre la stratosphère et la troposphère est que, au-dessus de la tropopause, du à une densité atmosphérique plus faible, le rayonnement infrarouge est plus efficace que la dynamique de transfert vertical d’énergie, de sorte que la convection est supprimée. Un mouvement vertical de l’air se produit dans la stratosphère, bien sûr, généralement à cause des flux d’air et de la turbulence, mais pas aussi vigoureusement qu’en dessous de la tropopause, et dans des zones plus limitées.

Plus haut dans la stratosphère, la température recommence à augmenter et, au niveau de la stratopause, la température est presque revenue à la valeur de surface. Le réchauffement responsable de ce comportement est dû en grande partie à l’absorption de rayonnement à courte longueur d’onde provenant du Soleil, principalement dans la partie UV du spectre, et particulièrement par l’ozone. Evidemment, plus la densité diminue, moins l’absorption est importante et la température baisse également, atteignant sa valeur la plus basse (moins de 200K) près d’une altitude d’environ 80 km.

Cette zone où la température baisse continument est appelée la mésosphère. Assez confusément, puisque méso signifie moyen, la stratosphère et la mésosphère sont maintenant collectivement connues sous le nom d’atmosphère moyenne. De plus, l’expression  » basse atmosphère  » est utilisée pour désigner la troposphère et  » haute atmosphère” est utilisé pour tout ce qui est au-dessus de la mésopause.

La haute atmosphère présente des températures très élevées en raison de l’énergie libérée lors de la dissociation des molécules et des atomes atmosphériques sous l’influence des photons solaires énergétiques et des particules de rayons solaires et cosmiques.

Des couches de particules chargées (l’ionosphère) existent également. Bien qu’un peu de physique intéressante s’y trouve, cette région est trop faible en densité pour être d’une grande importance au niveau du bilan énergétique de la Terre ou du climat présent à la surface de la Terre.

On a donc vu jusqu’ici que des variations de pression, de composition et de température existent dans l’atmosphère. Quelle est la résultante de tous ces effets sur la dynamique de l’atmosphère ?

Dans toute l’atmosphère basse et moyenne, la pression varie en fonction de la hauteur. selon les lois familières de l’hydrostatique, comme je l’ai décrit ci plus haut. L’équation hydrostatique prédit que la pression diminue exponentiellement avec la hauteur dans une atmosphère isotherme. De fait, même lorsque les variations de température réelles décrites ci-dessus sont prises en compte, la diminution exponentielle de pression en fonction de la hauteur reste à peu près vraie.

À l’exception de la vapeur d’eau, la composition de la basse atmosphère est à peu près constante partout, puisque les autres constituants principaux (azote, oxygène, dioxyde de carbone et argon) sont en grande partie chimiquement inactifs et ne se condensent pas. Bien que l’oxygène soit important pour la formation d’ozone et que certains composés azotés soient actifs dans le cycle chimique qui détruit l’ozone, la fraction totale des atomes de N et 0 impliqués dans ces réactions est très faible par rapport à ceux qui composent la majeure partie de l’atmosphère sous forme de N2 et 02, de sorte que les abondances de ces derniers restent effectivement constantes.

D’autre part, les constituants mineurs de l’atmosphère peuvent être présents en quantité extrêmement variables et ont un rôle très important dans la physique du climat. La vapeur d’eau  est un puissant absorbeur de rayonnement infrarouge (c’est donc un gaz à effet de serre) et, bien sûr, le niveau d’humidité est un facteur clé dans la production de nuages et du transfert de chaleur latente. Les autres gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane sont également des constituants mineurs de l’atmosphère, qui représentent beaucoup moins d’un pour cent du total. Quelques cycles chimiques ayant lieu dans l’atmosphère, comme ceux qui forment et appauvrissent la couche d’ozone stratosphérique, impliquent des gaz qui ne sont présents qu’en parties par million ou en parties par milliards, voire moins …

Par ailleurs, la structure de la température atmosphérique présente des variations, non seulement avec la hauteur, mais aussi avec la latitude et la saison. La figure ci-dessous montre une coupe transversale latitude-altitude de la température moyenne annuelle. 

Remarquons comment la hauteur de la tropopause varie en fonction de la latitude, étant plus élevée dans les régions équatoriales. Elle se trouve à son point le plus bas, souvent à moins de 8 km de la surface, aux latitudes élevées en hiver, et à son plus haut niveau au-dessus de l’Asie du Sud-Est, lors de la mousson d’été, où elle atteint parfois des sommets supérieurs à 18 km. Étant donné que la vitesse à laquelle la température baisse avec l’altitude est à peu près constante partout dans la troposphère, cela signifie que la tropopause est la plus froide dans les tropiques.

La tropopause est une surface dynamique qui peut se déformer et se  » plier « , ce qui apporte de l’air stratosphérique riche en ozone dans la troposphère, et parfois jusqu’à la surface, surtout pendant l’hiver polaire du nord. Le transfert dans la direction opposée se produit principalement dans les tropiques, qui ont les températures de surface les plus élevées et les vitesses de chauffe les plus rapides. Le transfert de la chaleur et de l’humidité vers le haut par convection y est particulièrement vigoureux. L’activité orageuse qui en résulte peut se manifester dans toute la tropopause, ce qui entraîne le transfert de grandes parcelles d’air dans la stratosphère. Il s’agit probablement du principal mécanisme de transfert de l’air troposphérique pollué, y compris les composés chlorés nocifs pour la couche d’ozone, dans la stratosphère.

Voila voila, j’en ai fini pour cet article 🙂 J’espère que vous l’avez aimé. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

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Le climat – 2ème épisode – Rayonnement solaire et bilan énergétique de la Terre

La source de pratiquement toute l’énergie du système climatique est le rayonnement du soleil. D’où provient ce rayonnement énergétique ? Et comment intervient-il dans la balance énergétique de la Terre ?

Nous devons ici nous faire une idée de la façon dont le soleil fonctionne, comment le rayonnement qu’il produit varie avec la longueur d’onde (c’est-à-dire le spectre solaire) et quelle quantité d’énergie atteint une sphère imaginaire à la distance moyenne de la Terre au Soleil (égale à 1,37 kW/m2, appelée la constante solaire).

Commençons tout d’abord par nous rappeler ce qu’est une onde électromagnétique 🙂 :

Onde électromagnétique

Ceci étant fait, et les choses étant claires (du moins je l’espère), voyons alors quels types de réactions ayant lieu dans le coeur du Soleil lui permettent d’être si chaud en surface et donc de permettre à la photosphère d’émettre les rayons que nous recevons sur Terre : la fusion thermonucléaire

Fusion thermonucléaire

Hoho, on avance dans les connaissances, pas vrai ? Bon, je vous embarque maintenant dans une autre petite vidéo pour visualiser à quoi le spectre du soleil ressemble et déterminer sa température de surface grâce à la détermination de son maximum d’émission :

Spectre solaire

Voila, voila, on connait tout, ou presque : la température de surface du soleil est donc d’environ 6000°C et la longueur d’onde du maximum maximum d’émission que nous recevons sur Terre est légèrement en dessous de 500 nm : c’est du bleu. Par contre, si nous considérons la Terre, et la température de sa surface, disons à 27°C pour faire simple, ceci correspond à une température absolue de 300K. Donc, en appliquant la loi de Wien (ou loi de déplacement de Wien), la Terre émet des ondes à des longueurs d’ondes de la dizaine de micromètres, loin dans l’infrarouge. Remarquez que c’est pareil pour nous, êtres humains. Avec notre température corporelle de surface de l’ordre de 20-30°C, nous émettons aussi dans l’infrarouge, d’où l’usage de lunettes permettant de voir l’infrarouge pour nous discerner dans le noir (pour certains jeux comiques ou moins … 🙂 )

Tout va bien ? vous suivez ? Continuons alors !

Le Soleil, comme les autres étoiles, évolue sur de très longues périodes. Par rapport à l’attention actuelle portée sur le climat, l’activité du Soleil passe aussi par des cycles plus courts, par exemple celui marqué par une activité variable des taches solaires. Cependant, depuis le début des mesures, la variation de production du rayonnement solaire observé n’est qu’une fraction de 1%. Un effet beaucoup plus important résulte du fait que la distance de la Terre au Soleil varie au cours de l’année, car l’orbite n’est pas tout à fait circulaire mais présente une excentricité d’environ 3%. Actuellement, cela fait que le flux solaire arrivant sur Terre varie de 1 435 W/m2 le 3 janvier à environ 1 345 W/m2 le 3 juillet.

Obliquité et surfaces éclairées

Quoique l’effet de cette fluctuation de 6% de l’insolation due à l’excentricité de l’orbite de la Terre autour du Soleil peut être détectée par les instruments, elle échappe à tout activité quotidienne parce qu’à un endroit particulier de la planète, le climat est dominé par le cycle saisonnier normal produit par l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de l’écliptique. Cette quantité, appelée l’obliquité, est d’environ 23 °, de sorte que l’angle auquel la lumière du soleil éclaire la surface à une latitude de, disons, 45 °, varie de 22 ° à 68 ° du milieu de l’été au milieu de l’hiver. Puisque l’énergie par unité d’aire à la surface de la Terre dépend du cosinus de l’angle d’incidence, l’obliquité est responsable d’une variation saisonnière moyenne de l’insolation quotidienne de plus de 100% à cette latitude (Aïe aïe aïe 🙂 ). Il est également responsable du phénomène de la « nuit polaire » dans les cercles arctique et antarctique.

Emission – absorption – réflection – diffusion

Une variable climatique importante, mais plus insaisissable, est la fraction de l’énergie solaire incidente effectivement absorbée par la planète dans son ensemble. La fraction de l’énergie qui est réfléchie ou diffusée dans l’espace sans être absorbée, qui dans le cas de la Terre vaut environ 30%, est appelé l’albédo de la planète. La fraction (1 – albédo) de la constante solaire qui est disponible pour alimenter le système climatique de la Terre peut varier d’un grand facteur parce que l’albédo est en grande partie déterminé par la quantité et le type de nuages ​​présents à un moment donné. Bien entendu, cela fluctue considérablement de jour en jour, voire d’heure en heure et il est très difficile de mesurer les propriétés globales des nuages de manière précise sur des bases suffisamment larges et systématiques.

L’albédo de la Terre n’est pas non plus une quantité facile à mesurer directement : elle nécessite non seulement une plateforme dans l’espace mais aussi des mesures sur toutes les angles d’émission, sur toutes les longueurs d’onde et elle doit être effectuée sur l’ensemble de la surface éclairée de la planète, le tout simultanément. Évidemment, cela n’est pas possible avec un seul satellite, ou un nombre fini de satellites, et, avec les systèmes de mesures actuelles, même une estimation raisonnablement complète est difficile. Il existe néanmoins certaines évidences que la valeur moyenne mensuelle varie de 20% annuellement, avec des tendances à long terme encore totalement inconnues à l’heure actuelle. Une si grande variabilité, si elle était confirmée, dominerait toutes les autres incertitudes concernant le bilan budgétaire de la Terre, l’équation fondamentale sur laquelle le climat dépend finalement.

Réflection – Albédo

En moyenne, environ la moitié de l’énergie du Soleil qui arrive sur la Terre atteint la surface. Le reste est soit réfléchi dans l’espace, principalement par les nuages, mais aussi par réflexion sur la surface de la Terre et diffusion dans l’atmosphère soit absorbé dans l’atmosphère. Néanmoins et fort heureusement, la plupart de l’absorption atmosphérique est due à des constituants mineurs, c’est-à-dire ceux présents en très petites proportions, car les principaux composants tels l’azote et l’oxygène sont en grande partie transparents à la lumière du soleil sauf aux très courtes (ultraviolets, UV) longueurs d’onde. Les raisons pour lesquelles certains gaz interagissent avec les rayonnements visible et l’infrarouge, alors que d’autres non, sont une conséquence des propriétés de symétrie de la molécule de gaz considérée.

Réactivité moléculaire dans l’atmosphère

Comme la Terre dans son ensemble absorbe en permanence 70% de l’énergie du soleil, ce qui correspond à une puissance absorbée d’environ 2 x 1017 W, la même quantité d’énergie doit être perdue au même rythme afin de maintenir un équilibre global. Ceci se fait également par rayonnement mais, dans ce cas, à de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge. En final, toute l’énergie absorbée doit être renvoyée dans l’espace car nous observons qu’en moyenne, sur de longues durées, la planète ne se réchauffe ni ne se refroidit. Ceci est vrai même si le phénomène de «réchauffement de la planète» se produit, car ce dernier consiste en un réchauffement de la surface dû à un changement de structure de la température de l’atmosphère et pas à une augmentation du taux de réchauffement ou de refroidissement de la Terre dans son ensemble.

Le bilan énergétique moyen doit s’équilibrer, pas seulement pour la planète entière, mais aussi pour ses différentes régions, de la plus grande à la plus petite échelle. En particulier, puisque les régions équatoriales reçoivent beaucoup plus d’énergie du Soleil que les régions polaires, tandis que le refroidissement du globe terrestre est presque identique partout, l’océan et l’atmosphère doivent circuler de façon à transporter la chaleur vers les pôles afin de maintenir un équilibre énergétique.

Bilan énergétique

Nous examinerons la dynamique de l’atmosphère et de l’océan et les rôles joués par leurs circulations sur le climat dans les prochains articles.

Voila voila, J’espère que vous avez aimé cet article. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

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Le climat – 1er épisode- Qu’est-ce que c’est ? – introduction

Chères lectrices et chers lecteurs, bonjour 🙂

Je démarre ici une petite série d’articles sur le climat pour mieux comprendre les tenants et aboutissants de cette thématique et surtout se rendre compte des effets de nos actions quotidiennes sur son évolution.

Mais ne précipitons rien, commençons d’abord par cerner ce que l’on entend par climat et déterminons ses influenceurs …

Le «système» climatique comprend principalement la terre, les océans et la glace à la surface de notre Terre, l’atmosphère qui la recouvre, et le rayonnement solaire qui fournit de l’énergie. Tous ces éléments interagissent pour produire les conditions sur et autour de la surface de notre planète que nous appelons le climat. Tandis que le terme peut faire référence à l’état moyen (moyenne sur l’espace st sur le temps) de l’ensemble du système, l’accent est généralement mis sur les paramètres qui affectent le plus la vie sur la planète, en particulier la température de surface, et ses variations saisonnière et globale.

Comme facteurs aussi important que la température, on trouve l’abondance en oxygène dans l’atmosphère et la pression moyenne de surface (pression atmosphérique). Des facteurs tels que la couverture nuageuse, les champs de vitesses du vent et de quantités de précipitations, sujets aux fluctuations naturelles et aux changements à long terme, sont aussi considérés comme faisant partie du climat.

Les physiciens du climat cherchent à pouvoir calculer l’état du climat à partir d’une compréhension des lois physiques qui le régissent. Ils veulent comprendre à quel point il est stable et comment il peut changer en réponse à une perturbation, plus ou moins importante, externe ou interne. La variabilité solaire, ou l’impact d’un gros météore ou d’une comète sur la Terre sont des exemples de perturbations externes. Les changements d’abondance de constituants mineurs de l’atmosphère, dus au volcanisme ou à la pollution par les activités industrielles et autres activités humaines sont des exemples de perturbations internes.

Tout cela est extrêmement complexe et, pour comprendre et prévoir le climat, il faut tirer parti d’une vaste gamme de disciplines en physique. En voici une liste non exhaustive :

1 Les processus dans le Soleil qui produisent son spectre électromagnétique
2 les interactions entre les photons solaires et les molécules atmosphériques
3 l’effet du rayonnement solaire sur la composition atmosphérique (photochimie)
4 la thermodynamique de l’atmosphère
5 la dynamique des fluides de l’atmosphère et de l’océan
6 les phénomènes de transfert radiatif dans l’atmosphère
7 la physique des nuages
8 les mesures géophysiques, y compris les observations à distance des satellites
9 la modélisation numérique du climat, y compris des modèles prédictifs couplant les phénomènes océaniques et atmosphériques.

Principales composantes et relations du système climatique

Dans cet article et les suivants, nous examinerons, de façon simple, un par un, ces différentes composantes et disciplines 🙂 Mais revenons d’abord à la question principale : qu’est ce que le climat ?

L’adage « le climat est ce que l’on attend et le temps qu’il fait est ce que l’on obtient » attribué au météorologiste britannique L.F. Richardson, bien qu’il ait peut-être cité Mark Twain, traduit utilement les différences fondamentales entre les deux. Le climat est l’état moyen du géosystème, en particulier à la surface, après que les fluctuations aléatoires (au hasard) diurnes (jour-nuit), saisonnières (hiver-été) ou interannuelles (d’une année à l’autre) aient été moyennées. Ainsi, les systèmes météorologiques, qui ne durent que quelques jours, ne contribuent au climat que dans un sens statistique moyen et, lorsque l’on parle de changement climatique, ce ne peut être que quelque chose qui peut être détecté par des mesures couvrant plusieurs années au moins.

La température est la variable climatique clé, et lorsque l’on choisit un seul paramètre pour représenter le climat et le changement climatique, il s’agit généralement de la température moyenne de la surface de la Terre. Souvent les distributions (liées aux variations) de cette température avec la hauteur et à travers les diverses régions du monde sont également d’intérêt, ainsi que leur investigation sur des échelles de temps saisonnières, annuelles ou même de l’ordre de la décennie.

Bien entendu, les climatologues s’intéressent également à d’autres quantités comme l’humidité, les précipitations, la quantité de nuages, la force des vents et leur direction en termes de leur comportement statistique au cours du temps. L’essentiel est de découvrir et comprendre, comment et pourquoi certains événements extrêmes – ouragans, par exemple, ou sécheresse – se produisent chaque année, et comment cela peut changer à long terme, afin d’annoncer ces événements et de protéger la population de leurs effets dévastateurs …

Les prévisions météorologiques, sur des échelles de temps de quelques jours, sont complexes et exigent de vastes ressources, tant au niveaux humain que matériel. Encore aujourd’hui, même les prévisions à court terme sont parfois (souvent 🙂 ) inexactes, même si une amélioration constante est clairement visible, grâce au développement de modèles (constructions mathématique et / ou numérique) météorologiques, de l’obtention accrue de meilleures données et l’utilisation d’ordinateurs de plus en plus rapides.

Des prévisions annuelles, voire sur des décennies ou plus dans le futur, restent impossibles quant à elles (et ce sera toujours le cas) si nous demandons le même genre de détail que nous avons dans les prévisions à deux ou trois jours sur de telles échelles de temps. Toutefois, si nous réduisons les exigences de résolution spatiale et temporelle à des échelles d’un continent et de l’année (ou au moins saisonnière), respectivement, alors il devrait être possible, dans un proche futur, de prédire le climat. La première étape consiste à pouvoir construire des modèles qui montrent comment le climat actuel est généré. Ensuite, il s’agira d’utiliser ces modèles adéquatement pour tenir compte des variations passées avant de faire face à l‘impressionnante tâche de prédire l’avenir et du rôle de l’homme dans cet avenir.

Comme vous l’avez compris, comprendre l’origine du climat actuel et pouvoir le prédire sont des tâches extrêmement difficiles. Je ne suis pas moi-même un expert dans ce domaine, mais je vais essayer de faire un bout de chemin avec vous dans cette direction. L’introduction que vous pouvez lire ici est essentiellement une traduction légèrement personnelle (c’est-à-dire pas complètement fidèle) du chapitre introductif de l’excellent livre de F. W. Taylor [1].

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[1] Elementary Climate Physics

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Les Forces – une petite introduction aux vecteurs

Aujourd’hui, je vais changer de mode de présentation et vous faire un « pencast » : une diffusion d’infomation sonore (comme le podcast), mais en ajoutant l’image avec le stylo (une vidéo stylo quoi 🙂

Cette article fait suite au précédent, qui concernait la question « Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ? » en apportant certaines précisions mathématiques sur la notion de vecteur.

Bonne vidéo !

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Pourquoi la fleur du soleil se tourne-t’elle vers lui tout au long de la journée ?

Suite à l’article précédent concernant un sujet assez physique : Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ?, une lectrice qui avait manifestement juste lu le titre m’a demandé : Mais non, on ne sait pas exactement pourquoi les plantes tournent autour du soleil, si ?. Cette lectrice avait bien entendu confondu les noms plantes et planètes 🙂

Mais qu’en est-il de sa question ? En particulier, si le tournesol se nomme ainsi, c’est qu’il a pour habitude de suivre le trajet du soleil tout au long de la journée. Mais qu’est-ce donc qui le motive ainsi à se tourner en fonction de la position de l’astre du jour ?

Et bien j’ai été cherché la réponse et elle est, ma foi, fort intéressante :

Il faut tout de suite préciser que cette croyance n’est que partiellement exacte. Ce ne sont pas tous les tournesols qui bougent. En effet une fois adultes, dès la floraison des capitules (fleur jaune), les tournesols s’immobilisent vers l’est (même si les têtes et les feuilles continuent bien de se tourner vers le Soleil au cours de la journée, suivant sa course d’est en ouest).

En revanche si le tournesol est encore jeune et en pleine croissance alors c’est toute la plante qui suit le mouvement. Et il est vrai qu’il suit alors le soleil.

Allons un peu plus dans le détail …

Le tournesol Helianthus tuberosus est une plante célèbre pour son héliotropisme (du grec helios, « Soleil », et tropos, « tour » : se tourner vers le Soleil), c’est-à-dire sa capacité à s’orienter vers le soleil durant sa croissance. Ce phénomène permet à la face supérieure des feuilles des jeunes tournesols de conserver une exposition optimale au rayonnement solaire tout au long de la journée, afin d’assurer la meilleure photosynthèse. Le matin, les jeunes plants de tournesol sont orientés vers l’est. Durant la journée, ils suivent le soleil pour regarder vers l’ouest en fin de journée, puis retournent vers l’est la nuit.

Une fois que la fleur s’ouvre, la plante s’oriente vers l’est et s’immobilise définitivement. Si la rotation a été observée dès le XVIe siècle, c’est à la fin du XIXe siècle que le naturaliste Charles Darwin et son fils Francis rebaptisèrent ce phénomène « phototropisme » : ils avaient compris que la plante suivait en fait la lumière. Ce n’est par ailleurs qu’en 2016 que le mécanisme causant le phototropisme a été découvert par Stacey Harmer, une botaniste de l’Université de Davis, en Californie.

Son équipe de recherche a principalement découvert que l’orientation des plantes vers la lumière est d’abord due à une croissance différentielle entre les deux faces de la tige. Le côté situé à l’ombre pousse plus vite que celui exposé à la lumière, ce qui a pour effet de courber la plante vers le Soleil.

À l’Université Davis, en Californie, les biologistes des plantes ont en effet découvert comment les tournesols utilisent leur horloge circadienne interne, agissant sur les hormones de croissance, pour suivre le soleil pendant la journée [1].

«C’est le premier exemple d’une horloge modulant la croissance d’une plante dans un environnement naturel et ayant de réelles répercussions sur celle-ci», a déclaré Stacey Harmer, professeur de biologie végétale à l’UC Davis.

D’est en ouest et retour

Les tournesols en croissance commencent la journée avec la tête tournée vers l’est, pendulent vers l’ouest toute la journée et se retournent vers l’est la nuit.

« La plante anticipe le moment et la direction de l’aube, une raison pour avoir un lien entre l’horloge et la trajectoire de croissance », a déclaré Harmer.

Hagop Atamian, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Harmer a mené une série d’expériences sur les tournesols sur le terrain, dans des pots en extérieur et dans des chambres de croissance intérieures.

En jalonnant les plantes pour qu’elles ne puissent pas bouger, ou en tournant les plantes en pot chaque jour pour qu’elles se retrouvent dans la mauvaise direction, Atamian a montré qu’il pouvait perturber leur capacité à suivre le soleil. Le suivi du soleil stimule la croissance des plantes. Les chercheurs ont découvert que les tournesols plantés ne pouvaient pas bouger, que leur biomasse et leur surface foliaire étaient moindres.

Lorsque les plantes ont été déplacées dans une chambre de croissance intérieure avec une lumière zénithale immobile, elles ont continué à se balancer d’avant en arrière pendant quelques jours. C’est le genre de comportement que l’on pourrait attendre d’un mécanisme piloté par une horloge interne, a déclaré Harmer.

Enfin, les plantes d’intérieur ont commencé à suivre «le soleil» à nouveau lorsque la source de lumière apparente a été déplacée à travers la chambre de croissance en allumant et éteignant les lumières adjacentes pendant la journée. Les plantes pouvaient suivre le mouvement de manière fiable et revenir la nuit lorsque le jour artificiel était proche d’un cycle de 24 heures, mais pas lorsqu’il était plus proche de 30 heures.

Horloges et deux mécanismes de croissance

Alors, comment les plantes déplacent-elles leurs tiges pendant la journée? Atamian mit des points d’encre sur les tiges et les filma avec une caméra vidéo. Sur une vidéo accélérée, il pouvait mesurer la distance qui changeait entre les points.

Il a trouvé que lorsque les plantes suivaient le soleil, le côté est de la tige poussait plus rapidement que le côté ouest. La nuit, le côté ouest grandissait plus vite lorsque la tige basculait dans l’autre sens. L’équipe a identifié un certain nombre de gènes qui étaient exprimés à des niveaux plus élevés du côté de la plante tourné vers le soleil pendant la journée ou de l’autre côté la nuit.

Harmer a déclaré qu’il semble y avoir deux mécanismes de croissance à l’œuvre dans la tige de tournesol. La première définit un taux de croissance de base pour la plante, basé sur la lumière disponible. La seconde, contrôlée par l’horloge circadienne et influencée par la direction de la lumière, fait que la tige pousse plus d’un côté que de l’autre et par conséquent se balance d’est en ouest pendant la journée.

À mesure que le tournesol mûrit et que la fleur s’ouvre, la croissance globale ralentit et les plantes cessent de bouger pendant la journée et s’installent face à l’est. Cela semble être dû au fait que, lorsque la croissance globale ralentit, l’horloge circadienne garantit que la plante réagit plus fortement à la lumière tôt le matin que l’après-midi ou le soir, de sorte qu’elle cesse progressivement de se déplacer vers l’ouest pendant la journée.

Pourquoi faire face au soleil?

Pourquoi les tournesols mûrs font-ils face à l’est, de toute façon? Les chercheurs ont cultivé des tournesols en pots dans le champ et en ont fait pivoter certains vers l’ouest. En mesurant les fleurs avec une caméra infrarouge, ils ont constaté que les tournesols orientés vers l’est se réchauffaient plus rapidement le matin et attiraient également cinq fois plus d’insectes pollinisateurs. Réchauffer des fleurs orientées vers l’ouest avec un appareil de chauffage portatif a ramené plus de pollinisateurs vers les fleurs.

«Les abeilles aiment les fleurs chaudes», a déclaré Harmer.

« Tout comme les gens, les plantes dépendent des rythmes quotidiens du jour et de la nuit pour fonctionner », a déclaré la directrice du programme, Anne Sylvester. « Les tournesols, comme les panneaux solaires, suivent le soleil d’Est en Ouest. Ces chercheurs puisent dans les informations contenues dans le génome du tournesol pour comprendre comment et pourquoi les tournesols suivent le soleil. « 

Voilà, je crois avoir répondu à la question, en recherchant les informations principalement sur ce site, de l’Université Davis, et dans la publication originale [1]. J’espère que la réponse vous satisfait et, si vous avez aimé cet article, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Hagop S. Atamian, Nicky M. Creux, Evan A. Brown, Austin G. Garner, Benjamin K. Blackman, Stacey L. Harmer, Science  05 Aug 2016: Vol. 353, Issue 6299, pp. 587-590; DOI: 10.1126/science.aaf9793

Pourquoi les planètes tournent autour du soleil ?

Dans deux articles précédents, j’ai expliqué « pourquoi le soleil se lève toujours à l’Est et se couche toujours à l’ouest ? » et « quelle est l’origine des saisons ? » Dans les deux cas, j’ai fait appel à la description de mouvements pour expliquer ces phénomènes.

Dans le premier cas, j’ai en effet mentionné que c’était principalement dû au mouvement de rotation de la Terre sur elle-même et, dans le second cas, que c’était dû au fait que l’axe de rotation était incliné par rapport à la normale au plan de l’écliptique (plan dans lequel les planètes effectuent une trajectoire elliptique autour du soleil).

Cette partie de la mécanique qui concerne la description des mouvements s’appelle la cinématique (du grec kinêma, le mouvement). Cette sous-branche de la mécanique se focalise sur la description des principaux mouvements rencontrés dans la nature, tels :

  • le mouvement rectiligne uniforme (m.r.u.) qui décrit le mouvement d’un objet se déplaçant en ligne droite à vitesse constante
  • le mouvement rectiligne uniformément varié, c’-est-a-dire uniformément accéléré (m.r.u.a.) ou uniformément ralenti, qui est le mouvement d’un objet en ligne droite avec une accélération constante positive (a > 0) ou négative (a < 0)
  • le mouvement circulaire uniforme (m.c.u.) qui est le mouvement d’un objet qui parcourt un cercle à vitesse constante

Le mouvement le plus général que l’on peut considéré est le
mouvement curviligne varié, où l’objet suit une trajectoire
quelconque avec une vitesse quelconque également (m.Cu.v.).

La question posée dans le présent article est en fait pourquoi tel ou tel objet possède tel type de trajectoire ? En particulier, pourquoi les planètes décrivent une trajectoire elliptique (presque circulaire) autour du soleil ?

La réponse à ces questions est donnée cette fois par l’étude de la dynamique (une autre sous-branche de la mécanique) qui étudie les causes responsables des trajectoires observées. Cette dynamique (du point) comporte un certain nombre de principes qui permettent de comprendre les causes qui produisent certains effets. Les deux premiers principes sont particulièrement éclairants et sont appelés lois de Newton.

La première loi de Newton, ou principe d’inertie, stipule que,
en l’absence d’influence extérieure, tout corps ponctuel perdure
dans un mouvement rectiligne uniforme. En l’absence d’influence extérieure, un corps au repos (ayant une vitesse nulle) reste donc au repos et un corps avançant en ligne droite à vitesse constante continue à avancer en ligne droite à vitesse constante. C’est comme un patineur qui, après s’être élancé sur la glace, se laisse glisser « en ne faisant plus rien » et supposant que la glace soit tellement lisse qu’elle ne freine pas le patineur : le patineur a tendance à conserver sa vitesse en continuant son mouvement rectiligne. C’est ce que l’on appelle l’inertie d’un corps, dans un référentiel galiléen, c-est-à-dire dans un référentïel où aucune influence extérieure ne se manifeste. Le m.r.u. d’un objet est donc simplement gouverné par le principe d’inertie.

Qu’en est-il d’un objet uniformément accéléré ?

Le mouvement rectiligne uniformément accéléré ne satisfait pas au principe d’inertie. Il y a accélération du mouvement (a < 0 ou
a > 0) et donc une influence extérieure doit agir.

Quelle est cette influence extérieure ?

Imaginez-vous dans votre voiture. Vous accélérez en appuyant sur la pédale d’accélérateur et donc, vous bénéficiez de la force moteur du moteur de votre voiture. Si vous voulez ralentir, vous appuyez sur la pédale de frein et donc, vous utilisez les forces de frottements des disques sur vos roues. Dans les deux cas, une action est exercée sur la voiture pour modifier son état de mouvement : une force.

Cette force, de contact, dans le cas présent, a 4 caractéristiques :
– un point d’application
. une direction
– un sens
– une grandeur
c’est ce que l’on appelle un vecteur.

Si cette force agit parallèlement à votre trajectoire, elle vous permet de changer votre état de mouvement en changeant la vitesse. La force motrice et les forces de frottements mentionnés ci-dessus agissent dans la direction de votre trajectoire. La force motrice agit dans le même sens que le mouvement et donc vous accélérez. Au contraire, les forces de frottement agissent dans le sens contraire du mouvement et donc vous décélérez.

Est-ce cette force qui agit sur les planètes ?

On vient de voir que si la force est parallèle à la trajectoire, on pouvait changer l’état de mouvement d’un objet en changeant sa vitesse.

Qu’en est-il pour les planètes ?

En fait, d’après le principe d’inertie, si aucune force n’agissait sur les planètes, celles-ci continueraient leur mouvement rectiligne uniforme, c-est-à-dire qu’elles s’éloigneraient à jamais du soleil en continuant sur une trajectoire en ligne droite à vitesse constante :

Ainsi, à l’instant t1, si aucune force n’agit sur la planète P, celle-ci continuerait son m.r.u. et donc s’éloignerait à jamais, en ligne
droite, du soleil. Si cela était, tous les habitants de la Terre finiraient dans un état congelé, loin de la source de chaleur qu’est le soleil.

On sait que les planètes tournent autour du soleil. Une force doit donc s’exercer sur ces planètes pour éviter quelles décrivent un m.r.u. Cette force doit s’exercer de façon telle à changer continûment la direction prise par la planète sur sa trajectoire.

C’est comme lorsque vous faites tourner une pierre avant de la lancer avec une fronde. c’est la lanière de la fronde, entourant la pierre, qui l’empêche, au début, de s’en aller en ligne droite. La lanière exerce donc une force de « rappel » sur la pierre. cette force de « rappel » s’exerce perpendiculairement à la trajectoire à tout instant, gardant la pierre emprisonnée dans un mouvement circulaire. Si l’on relâche un bord de la lanière à un instant donné, la pierre s’échappe alors, fonçant en ligne droite vers sa cible à vitesse constante, satisfaisant alors au principe de l’inertie.

Il se passe la même chose pour une planète entour du soleil :

A tout instant, il existe une force s’exerçant perpendiculairement
à la trajectoire de la planète, qui l’oblige à garder une trajectoire circulaire autour du soleil. Cette force, qui agit dans la direction joignant les positions de la planète et du Soleil à tout instant, dans le sens allant vers le Soleil, qui occupe le centre du cercle, s’appelle force centripète.

Cette force est due à l’attraction gravitationnelle qu’exerce le Soleil sur la planète. La grandeur de cette force à distance, est proportionnelle au produit des masses de la planète et du soleil et inversement proportionnelle en carré de la distance qui sépare ces deux objets. Le mouvement des planètes autour du soleil est donc dû à l’influence d’une force qui modifie l’état de mouvement du corps considéré. C’est là l’expression du principe fondamental de la dynamique, encore appelé deuxième loi de Newton. 

COOL, non ?

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Ellipses – Coniques

Dans deux articles précédents (le soleil …, les saisons), j’ai parlé de la trajectoire elliptique décrite par les planètes autour du soleil. J’ai défini l’ellipse de façon très sommaire comme étant un cercle aplati qui, de ce fait, possédait un grand axe et un petit axe. J’ai même précisé que le Soleil occupait l’un des foyers de cette ellipse.

Mais de quoi s’agit-il exactement ? Qu’est ce qu’une conique ? Qu’est ce qu’une ellipse ?

Les coniques sont des courbes définies comme l’intersection entre un plan et un cône de révolution. Trois familles de coniques sont ainsi définies, selon la position du plan par rapport au cône. On a les paraboles, les hyperboles et les ellipses.

On obtiendra une ellipse si le plan de section est incliné sur l’axe, mais il ne coupe qu’une seule des deux nappes. On aura une hyperbole si le plan est incliné ou parallèle à l’axe et coupe les deux nappes. Enfin, on aura une parabole si le plan est parallèle à un plan tangent au cône. Le cercle est un cas particulier d’ellipse, lorsque le plan de section est perpendiculaire à l’axe.

C’est déjà un peu plus clair comme cela, pas vrai ?

De manière intéressante, les coniques ont été étudiées depuis l’antiquité.  C’est APOLLONIUS DE PERGE au IIIe siècle av. J.-C. qui a écrit un ouvrage de référence sur les coniques: Kônika (traité sur les sections coniques), ouvrage qui sera restauré par Fermatsous le titre: Lieux plans d’Apollonius

Ce sont, après les droites, les courbes planes les plus simples et les plus fréquemment rencontrées. A l’heure actuelle, elles sont surtout considérées, d’un point de vue mathématique, comme les courbes planes ayant une équation polynomiale du second degré. Elles jouissent de propriétés géométriques remarquables et interviennent dans de nombreux problèmes physiques, en particulier en cinématique (mouvement des planètes) et en optique géométrique (miroirs). Comme je l’ai écrit à de multiples reprises, les planètes décrivent une ellipse autour de leur étoile. Les comètes non périodiques suivent des paraboles ou hyperboles. Les fusées ou engins spaciaux décrivent des courbes constituées de tronçons de coniques (approximation). Les télescopes à réflexion concentrent la lumière en utilisant les propriétés d’une des trois coniques (la parabole dans la majorité des cas). Le grand public connait bien les antennes paraboliques servant à capter la télévision.

Mais comment les définit-on, ces coniques, de manière plus précise, en mathématiques ?

Il existe de nombreuses façons de les définir, comme lieux géométriques de points satisfaisant une propriété donnée. Ainsi, le cercle peut être définit de manière très simple comme le lieu géométrique des points situés à égale distance d’un point fixe.

Si l’on appelle O, le centre du cercle, le point fixe mentionné, on obtient bien évidemment que les points M du cercle doivent être situés à une distance du centre O égale au rayon (R) de ce cercle. Dans le repère approprié suivant :

on peut donc écrire que la distance MO = R, et donc :

Une ellipse, quant à elle, peut être définie comme le lieu géométrique des points dont la somme des distances à deux points fixes est constante.

Si l’on appelle F1 et F2 les deux points fixes et 2a la somme des distances des points M de l’ellipse à ces deux points fixes, on aura MF1 + MF2 = 2a dans le repère approprié suivant, et donc :

et sont respectivement le demi-grand axe et le demi-petit axe de l’ellipse, comme montré sur la figure ci plus-haut. Remarquez que l’on retrouve bien le cercle comme cas particulier de l’ellipse, avec a = b = R 🙂

Pour l’hyperbole, étant donnés deux points fixes et F’, c’est l’ensemble des points du plan dont la différence des distances à et F’ est constante. la situation est représentée sur la figure suivante :

Etant donnés deux réels strictement positifs et b, une hyperbole est l’ensemble des points M(x, y) du plan vérifiant |MF – MF’| = Constante = 2a. On montre que cela conduit à l’équation :

porte le nom de demi-grand axe, b celui de
demi-petit axe et , sur le graphique ci-dessus, les droites en bleu sont ce que l’on appelle les asymptotes de l’hyperbole.

Nous finissons (ouf !) avec la parabole qui, étant donnés un point et une droite D, est l’ensemble des points du plan dont les distances au point et à sont égales : MF = MH. Dans un repère approprié de nouveau :  

On montre que l’équation de la parabole est :

où F est le foyer, D s’appelle la directrice et p, un nombre réel positif,  porte le nom de paramètre de la parabole.

Voilà voilà, on en a fini pour cette fois avec les coniques. Sachez qu’il y a d’autres façons de les définir, plein de propriétés amusantes encore à découvrir. Soyez curieux et, si cela vous intéresse, explorez le web pour en savoir plus. Pour ma part, comme ce coin des maths sert à donner quelques bases mathématiques aux notions qui sont développées dans le coin des sciences, je m’arrêterai ici 🙂

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