[PDF] PROJET DE P6 LA CONVECTION ATMOSPHÉRIQUE

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PROJETDEP6

LACONVECTI ONATMOSPHÉRIQUE

Figure1:Vu esatellitedelaTerre

CamilleCAHARD,Cla raCORBEL,Mat hiasDUCHATEAU,Justine

HAFFEMAYER,AdamPICARDetLéoVALLOIS

Annéeuniversita ire2020-2021

Cettepageest laisséeinten tionnelle mentvierge.

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Remerciements

Noustenions àremerciertoutesle spe rsonnesquiontcontribuéànotre projetetqui nousont aidéelorsden osrec herches. Nousvoudrion sdansunpremiertempsre mercier,notreres ponsabled eprojetS.Paillat,pro- fesseurdephysiqueàl' INSARou enNormandie,poursapatie nce ,sadisponibili téetsurtoutses précieuxconseils,q uiontcontribuéàal imenternot erréflexion. Nousremerci onségalementtoutel'équipepéda gogiquedel'INSAdeRouenpoura voirassuréle bondéro ulementdechaqueséance.

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Datede remisedu rapport:12/06/2021

Référenceduproj et:STPI/P6/2021-N°45

Typedeproj et:Bibliographique,expérimentation

Objectifsduprojet:

L'objectifdeceproje testde comprendre etdedéfinirlacirculationatmosph érique. Pourcefai re,nou sallonscaractéris erlesphénomè nesdeconvectiondan sl'atmosphèreauxdi

renteséchelles,é tudierlesmouvementsetlaconv ectionàpartirdemodèlesp hysiques plussimples

etenfin,mo déli serunmouvementconvectifdansunli quide enlaboratoire.

Mots-clefsduprojet:

- Convection - Atmosphère - Cellules - Gradient

INSTITUTNATIONALDESS CIENCESAPPLIQUEESDEROU EN

DépartementSciencesetTechniquesPo url'Ingénieur

avenuedel'Uni versit é-76801Saint-Etienne-du-Rouvray-tél: +33 (0)232959700-f ax:+33(0)232959860

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Tabledesmatières

1Int roduction4

2Mét hodologie/Organisationdutravail 5

3Tr availréaliséetrésultats 6

3.1Rech erchesetdéfinitions..................................6

3.1.1L'atmosp hèreterrestre...............................6

3.1.2Lacon vection(Qu 'est-cequec'est?,Qu'est-cequi l'engendre?) ........7

3.1.3Lesp hénomèn esauxdi

érenteséchelles .....................13

3.1.4Ap prochethéoriquedel'expérience........................15

4Ex périences22

4.1Première expérience....................................22

4.2Deuxième expérience....................................23

5Co nclusionetperspectives25

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1In troduction

L'objectifdenotreprojet dephysiqu eestde comprendreetdecaractéris erlacircu lationatmo- sphériqueainsiquelesphénomènesde convectiondans l'atmosphère auxdi

érenteséchelles.

Laprob lématiquequinousguideralelon gdecep rojetsera" Quellessontlescaus esd econvec - tiondan sl'atmosphèreet quelssontlesphénomène sphysiqu esquiendé coulent?". Pourrépon dreàcesquestions,nousal lon sétudierl acirculationatmosphériqueetla convection grâceàd es recherchesbibliograph iquesetgrâceàlaréalisationd'expériencespratiques. Notrepro jets'intéresseauphé nomènedeconvection:unphénomè nep hysiquedetransportde

chaleurdansunfluide pardéplaceme ntdemo lécules.Pluspré cisémentno uschercheronsàsavoir

commentelle secaractérisedansl'atmosphèr e.N ousobservonsqu'elleestnotamment àl' originede nombreuxphénomènesmétéoro logiques. Remarquonsquenotresu jetfaitun lienaveclesmatières denotrecursus.E nparticulier,il nouspermetd' avoirdesapppo rtsetdemettreenrelation lec oursdemécaniquedesfluideset de transfertsthermiques(P8).Cepro jetnouspermettrad'améliorerno tretravailengr oup eenplus d'appliquerdesconnaissancesscienti fiqueset deréaliserdesexpériences.No tammentsurlescom- pétencesd'organisatio netdetravaild'équipeainsiquedesavoirmeneru ntrava ilder echerchede documentationscientifique.

Dansunpre miertemps, nousallonsdéfinird emanièregénéralelaconv ectiondansl'atmosph ère.

C'est-à-diresonorigine,lesphénomè nesquil' accompagnent:lescellule sdeconvec tionetlesautres

phénomènesmétéor ologiques. Dansund euxièmetemp s,nousréaliseronsunmodè lethéoriquedecycled econvectionvisan tà expliquerphysiquementcephé nomènepardeséquationsetdesnombrescaractéristiques. Enfin,nous mettronsen placeuneexpérienceenlabo rat oireafindemodéli seruncy clede convectiondansunfluide.

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2Métho dologie/Organisationdutrav ail

Notregrou pedetravailes tcomposéd esixétudiants. Parconséqu ent,ilnousafallun ousorga- niserd'unemani èrepart iculièreafindetrav aillere cacement. Paraill eurs,lecontextedeconfinementd ansle quelnousnoustrouvions lorsq uenousavons commencéà tra vaillersurnotreprojetnousademandéuneadaptationsupplémentai re. Lespre-

mièresséancesont étéconsacrées àuneapproche globaledusujet :nousavonsc herc héàmieux

appréhenderlesujetainsiquelesp roblématiques quiendécoulent.Nousnous sommesrapidement renducomptedel'imp ortancedecephénom èneph ysique,suscitantchezc hacund'e ntrenous un intérêtvif. Dansunep roblématiquedegainde temps,nousnoussommese nsuiterép artisles tâchesen deux groupesdi érents:trois personn essesontpen chéessurl'aspectthéoriquetan disqu elestroisautres ontréfléch iauxexpériencespossibles. Voiciunorgani gramme représentantlamanièredonts'estdivi séletravaildansnotregroupe. Trèsvite,l etravails'estr éparti demanièrenaturelle,c hacunayantétépo usséparsesa nités personnelles. Lorsquenousétionsenco reenpériode deconfinement,Clara CORBELaréaliséunepr emièr e expériencequinousatrèsrapidemen tdonnéuneidéede ceq uenousa llionsproduir e.Nousavons consacréunepart iesur sadescriptionplustarddans ler apport . Ensuite,nousavo nspunousrenco ntreretletrava ils' estdivisé delamanièresuivante: LéoVALLO ISetMathiasDUCHATEAUo ntess entiellementtravaillé surl'expérience. AdamPICARDetL éoVALLOISseso ntpenc héssurl' aspectthéorique,ma théma tiquedelacon vec- tionatmosp hérique.

JustineHAFFEMAYERs 'estintéresséeauxphénomè nesatmosphériquesqu idécoulentdelaconvec-

tion. ClaraCORBELetCa milleCAHARDseso ntpart agéeslespartiessu rlesdi

érentescouchesde

l'atmosphèreetsurlefonc tionnement delaconvection .

MathiasDUCHATEAUarédigé lerapportsurLaTex.

Cetteorganis ationréfléchienousapermisd'avancere cacementensachantoùnous enétio ns dansl'av ancéedenotreprojet.

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3Tr availréaliséetrésultats

3.1Rec herchesetdéfinitions

3.1.1L'atmosph èreterrestre

Qu'estcequel'atm osp hèreterrestr e?L'atmosphèreterrestreestl'env eloppedegazqui

entourelaTerre.Sonép aisseu restd'environ600k ilomètres .Iln'yapasderéellefrontière entre

l'atmosphèreetl'espace.L'air dansl'atmosph èresecomposetrèsmajoritairementd ediaz ote(78 %),dedio xygène (21%)etd'autresgazdontl'ar gonetledi oxyded ecarb one.Cesgazrestent maintenusprèsdelaT erregrâceà laforce gravitationnelle. Ene et,la quasi-totalitédela mas se, environ99%,del'atmosphèreter restr esesi tueentre0et30kilomètres delaTerre. 1 Cetteenvelop pegazeuseestcomposéedeplus ieurscouches(Figure2 a)quisont caractériséespar leurprofilthe rmique:c'est-à-d ireparlafaçondontvarie late mpératuredel'airdanscesdi

érentes

couches.Ilya: - labasseatmosphèreaveclatroposphère,coucheallantdusolàunealtituded'unedizaine deki lomètresenviron.Laplupartdesphénomènes météorologiquesetconvectifson tlieudans cettepartiedel 'atmosphère.Danscettecouche ,la températurediminueavecl'alt itude.La partiesupérieuredelat roposphères'appellela tropopa use. - lamoyenneatmosphèreaveclastratosphèrequivaju squ'à50kilomètre sd'altitudeet lamésosphèrequis'éte ndde50à80kilomètresd'altitude environ.Dans lastratosph ère, latemp ératuredel'airaugmenteàcaused elacomposition dec ettecouchegazeus epu iselle diminueunefoisarri véda nslamésosphère.La couched'ozonesetrouvedanslast ratosphère. - lahauteatmosphère composéedelathermosphère,coucheallantjusqu'àprèsde700 kilomètresd'altitudee tdanslaquellelatempératu reaugmentea vecl'altitudeet del'exo- sphèreoùlaq uantité degazdevienttrèsfaibleà causedel'éloignemen tav eclaTerre. (a)Struct uredel'atmosphère(b)Profil thermiquede l'atmosphère

Figure2

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Commeditprécé demment, latempératuredel'airévoluedansl'atmosp hèreet doncdansles di érentescouchesquila composent.Nous pouvonsv oirsurle graphiqueci-dessusqu'elledimin ue ouqu'elle augmenteselonl 'altitudeetla couch edanslaquellel'airsetrouve.(Figure2b)

3.1.2Laconvection( Qu'est- cequec'est?,Qu'est-cequil 'engendre?)

Commeévoquéep récédemment,l'atmosp hèren'estpassimplementunecoucheimmobi le.Au contraire,elleestbelleetbien animéepardiversmouvements formant laconvection. Maisalors, commentexpliquerl'origi nedecesmouvementset pourquoidisons-nousquel' atmo- sphèreestmobile?C' estcequen ousallonstenterd'exp liquerdansc eparag raphe.Dan sunpremier temps,nousétudie ronslechau agedi érentieletdansuns econdtemp s,lestroiscellulesde convec - tion. 2

Lechau

agedi érentielqu'est-ce-qu ec'est?Avantd'explic iterlechau!agedi!érentiel,il fautd'ab ordseconsacreraurayonnementque reçoi tnotreplanèteTer re.Ene et,c'estgr âceau phénomènederayonnementquelaTerr ereçoi tsonénergie.Ils 'agitd'unmoded'éch angether - miqueparémissi ond'ondes électromagnétiquesdansl edomainedesradiation sInfra-rouges.Le

Soleilémetdesondesélectro mag nétiq uesquisont absorbéesouréfléchiesparnotresystèmeTerre-

atmosphère.Onconsidèrequ e30%d el'énergiesolairequiatteintl'atmosp hèreserap erdu eparla

Terrecarelle estréfléch ieenreparta ntdansl'e spacesousformederayonne mentél ectromagnétique

IR.C'est cequel'onapp ellel'albédo.Les70%restantseuxsontabsorbés,c'est-à-direquel'énergie

dera yonnementseraconvertieenchal eur.Onconsi dèrefinalementqu'enmoyenne,240W.m-2son t reçusparlesol. 2

Seulementvoilà ,laTerreétantsphérique,tout esasurfacene reçoitpaslamêmequa ntitéd'énergie

solaire(Figure3a). (a)Sché madelapuissancemoy enne (W/m 2 )absorbéeparlaTerre (en moyenneannuelle) (b)Sché madesondesatteignantla

Terreenfonctiond el'an gle

Figure3

les-mouvements-de-l-atmosphere

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Iles ttrèsclai rquelesrégi onssituéesenfac eduSolei l,(i.e.àl 'ÉquateuretauxTropiq ues)

perçoiventplusdepuissancether miquequeles région spolaires.Cecis'expliquepar l'inclinaisonde laTe rreparrapportauSole il,cequele schémaded roiteillus tre.Lerayonqui arriveperpe ndi- culairementàlasurfaceamoinsde surfaceà chau erque celuiquile frappedebi ais.Ainsi, les

régionstropicalesre çoiventparunitéde surface,plusd'énergiedus oleilqueles régionspolaires,

ilyf aitp luschaud .Justement,en moyenne,lesrégionspolaire sperdentplusd'énergieissu edu rayonnementqu'ellesn'enreçoivent acontrariodesrégionstro picaleetéqu atoriale.C'estceque l'onapp ellelechau!agedi!érentiel. 2 Figure4:Sc hémadelaqualitéd'energiereçu eetperdue surT erreenfonction delalatitude

Légende:

Lesc hémaci-dessus(Figure4)pe rmetdecomparerl'énergiereçue/perdu eparnotres ystème

Terre-atmosphèreaveclalatitude.

Sil' onfaitunbilanther miquemoyenàla surfa cedelaTerre(Fig ure4),celui-ciestexcédentai re. Dansl'atmos phèrec'estl'inverse,lebilanestdéfici taire.Commeonpe utlevoir,del'Équateur jusqu'auxtropiques,l asurfaceterrestregagneplusd'éner gieparr ayonnementqu'el len'enperd tandisqu'auxpôles elleenperdplus.Com mentexpliquerce ttedi

érence?

D'unepart,l'éne rgieexcéde ntairedestropiquesvas edéporterverslespôlescequipartic ipeàleur

réchau ement.Sanscefluxd 'énergielestemp ératuresse raientplusch audesauxtropiquesetplus froidesauxpôles.D 'autrepa rt,desmouvementsascendan tstransportentl'énergie dusoljusqu'en

altitudesansquoila températureglob aledelaplan èteseraitd e40°Csupérieureàcellequel'on

connaît.

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Commentl'énergiepeut-el leêtretransportéedestro piquesjusqu'auxpôles?

Commenousl'av onsénoncépr écédemment,l'airàl'éq uateurestchauddon cplusléger.Ilva

alorsav oirtendanceàmonter enaltitudecequiprovoque ladimin utiondelap ression.Au contraire despô lesoùl'airestplus froiddonc pluslourd:lapressiona univ eaudusolv aaugmenter. Deplu s,au-dessusd 'unezoneàbassepression,l'airs'accum uleetlapressions'au gmente(récipro- quementau-dessusd'u nezoneàhautepression,lapressionyd iminue). Pouruneme illeureco mpréhensiondelacirculation atmosphérique,définissonslesanticyclones etles dépressions. L'anticycloneestunezone dehaute pressi onoù unesubsidenceal ieu.Quandlecourant d'altitude

arriveauniveau des latitudesplustempérées,l'air subsiste,cequi augmentelapressionetmène à

lacré ationd'unanticyclon e.Lecourantse csubsidant/descendant aucoeu rdel'anticyclonevaalors

divergerentournantdans lesens horairedansl'hémisphèreNordet anti-ho raireda nsl' hémisphère

Sudpo urrejoindreladépression,quiestunezonedebassepression. L'airremp lid'humiditéc onvergecettefoisentournantdans lesensanti-horairedansl'hé misphère Nordet horairedansl'h émisphère Sudverslec oeurdeladépressionetmonte,créant unmouvement ascendant. L'airre mplid'humiditécon vergecettefoisentournantd anslesensanti-horairedans l'hémi- sphèreNord ethorairedansl' hémisphère Sudverslecoeurdeladépression etmon te,créantun mouvementascendant. L'airse dirigetoujou rsdeshau tespressionsversle sbassespre ssions(doncdesantic yclonesvers lesdép ressions).GeorgeHadley(météorologueanglaisamateur)avaitconclu àunmod èledecir-

culationatmosphériquecomposé d'uneseulecellules'étendantdel' Équateurauxp ôles.(Figur e5)

Cettethéoriea depuisétéréfutée,ceq uen ousétudieronsparl asuite. 3

Figure5:Sc hémahaute(H)etbasse(L)p ression

Cependant,uneforceestinitié eparlaro tationdelaTerre :laforce deCoriolis.Cettedernièr e estunefor ced' inertieq uidévielesmouvementsdesparticules:dansl 'hémisphèreNor d,lesparti- culessontdévi éesversl eurdroiteetvers leurgauchedansl'hémisphère Sud.

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Ainsi,l'airnesed ép lacepasen lignedroited'u nanticyclone(bassepres sion)vers unedép ression (hautepression ),c'estcequenousvoyonss urleschémasuiv ant: Figure6:E!etdela forced eCoriol issurunetrajec toire Pourêtreplu sprécis,voic iladéfinitio ndelaforcedeCoriolis: F C =!2m (t)"!v Avecmlamass edelaparticule ouducorps étud ié,etvleve cteurvitesseducorpsétudié .!estle vecteurvitesseangul airedelarotationdela Terre.Nousobtenonslavaleur de!grâceàla formu le suivante. T 2" T sideral =7,2921.10 !5 rad.s !1 Surlesché masuiv ant,nousvisualiso nscequ'engendrelaforced eCoriolissurl estrajectoires desven tsetcommentcesdernières sont modifiéesselonl'hémi sphère.

Figure7:Vent setconvectionav ecCori olis

L'énergiesolairereçuep arrayonne mentsevoitdoncrep artirversd eslatitudessupérieuresgrâce

auxmouvemen tsatmosphériquesamorcéspar3systèmesdecouran tsatmosphériquesappeléscel- lules.Commeonlevoit surleschéma ci-con tre,la troposphère sedécoupe entrel acelluledeHadley (quitients onnomdeGeorgeHadle y)situéee ntre0°(l'Équateur)et30°,lacelluledeFerrelcom-

priseentre3 0°et60°dela titudeetlacellulePolair eau-del àde60°jusqu'auxpôles.(Fi gure8a)

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Àprésent,nousallonsnousattardersurlacelluledeHadley,situéeentre0°et30°dela titude. pause.C'estunezone debassepress ion.Ensu ite,l'airsed irige versunezonedeha utepression, vers30°dela titude.Danscettezone,l'air yestdescendant. Laforc edeCorioli sprovoqu eladéviationdesmouvementsdel'air etdoncl'apparitiondevents

appeléslesalizés.Ceson tdesvent sdunord-estdansl'hém isp hèreNordetdu sud-estd ansl'hémi-

sphèreSud. Lazon ederencontre entrelesaliz éss'appellelazonedeconv ergencein tertropicalesituéedans larégion équatoriale(alias ITCZ).

Ensuite,concernantl acellulepolaire(despôlesà60°dela titude),lebilanradiatifesten déficit.

Aupôle ,l'airyestfroid :c'estunezoned eha utepress ion.Ilvaalorssed épl acerversleszon esde bassepression.Co mmedanslacelluledeHadley,l aforcedeCori olisvaprovoq uerl' apparitionde ventsd'est.Ici, cetteforceestmaxim ale:ene et,l'axe delarotationdel aterr eestdi rigéselonla verticale. Pourfinir, nousallonsévoque rlacelluledeFerrel(entre30°et60°dela titude).Ellesesitueentre lacell ulepolaireetlacellul edeHadley.Ceciexpliqu equ'el lesoi tcomposéed'unealterna nceen tre anticycloneetdépression, ceq uienfaitalorsunezonep lutôttempérée(voir Figure9).Lebilan radiatifvariese lonlalatitude. Vers60°dela titude,lazonedebassepressiondel acellule polair ea une etsurl acel luledeFer reletvers30°,c'estlazonedehautepressiondelacelluledeHadley quiaune et. Iles timporta ntdesoulignerlefaitquedepa rtetd' autredecettecellulesetrouv entdes vents d'ouestenest:cesontl esjets streams. Ces dernie rssontcausés parlafor cedeCoriolis. Ilen existedeux:lejetstream polai re( entrel acell ulepolaireetcel ledeFerrel)etlejetstr eamtropical (entrelacelluledeH adley etcelledeFerrel).Cesve ntsse créentlorsqu'unven tchau dvenantdes tropiquesrencontreunv entplusfroidvenantd espôles(Figu re8b). 4 (a)Org anisationdescellulesconvecti ves(b)Lesjets stream

Figure8

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Lorsde nostravau x,nousav onsschématiséunec ellulecommenou spouvonslevoirci-d essous. (Figure9)

Figure9:Sc hémaàlamaind'unecellule

Nousavons réussiàcalculer leslongueursdescellules àpartir deslatitudes.Ene et,les3c ellules évoquéesdanscerapporton ttout esunel atitudede30°(seuleleurhauteu rdi!ère).Ladistance entrechaquedegréde latituderestequasiment constante.Mais laT erreayantuneformeelli ptique,

ilya une légère variationentrelesde grés.Enmoye nne1°dela titudemesure111kilomètres,a lors

qu'àl'Équateu r,ilvaut110,57Kmetauxpôles1 °mesure111,699km.La variation étantnégli-

geabledevan tlatailledescellules,nousn'en avon spas tenucompte.Ainsi, nousav onstrouvéune longueurparcellulede 3335kmdelong pour30°dela titude.Noussavonségalementq uelesalizés, citéesprécédemment,on tunevitessede20km/hetq uecelledujet stream polaireestprochede

300km/h.

5 Ainsi,unepartic ulevamettre166hpou rparcourirles3335kmdelon gueurb asse(alizés )de la cellulecontre11hpourl alongueurhautedelacellule (jet stream). Voiciunbilan finalde scriptifdelaci rculationatm osphérique: Figure10:Sc hémadelacirculationdansl'atmosp hère

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Enconcl usion,lescellulesconvecti vessontà l'originedesdéserts etdesforêtsquitapissentles continents.Ene et,quecesoi entlesdésert sarct iquesouantarcti quesforméspar l'arrivéed'ai rsec dela celluleP olaire,oulesdésertssi tuésentrelesTropiquesetleszonest empéréescommecel ui

deGo biouduSahara .Maiséga lement leszonesdevégétationsl uxuriantesl ocaliséesàl'Équateur

liéesauxfortesp récipitatio ns,résultatd eszonesd'ascendancedescellulesdeHadleye tdeFerrel. L'ensembledecesphénomènes naturelsson tlerésultatde lacirculationatmosphérique.

3.1.3Lesphénomèn esauxdi

érenteséchelles

Danscep aragraphe,nou sallonsnousintéresseraux phénomènes atmosphérique sliésàlaconve c-

tion.Cesdernier ssepro duisentàdeséchellesd'es pacetr èsdiverses.Nousencomptonscinq di s-

tinctes.LacirculationdeHadle y,d ontnousavonsparlép lustôt,alie uàl'échelleplanétaire, à

uneal tituded'environ10km.Nousav onsensuitel'échellesynoptique,de 1000km à100km, la

mésoéchelle,de100kmà10km,l'éc helleaérologique etlamicr oéchelle, quiestd el'ordredu mètre.

Pourillus trernospropos,nousallonsno usintéress eràdesphénomènesmété orologiquesq uiont

lieuàde uxé chellesdi érentes.Nousprendronsl'exemp ledescyc lonestropicaux,quiontlieuà l'échellesynoptique,etles oragesquiontlieu,eux,àl'éche lleaérologique. Chaqueannée,envi ron80cyclonessefo rmentau-dessusdeseau xtropi cales.Dansunpremier

temps,définissonsc equ'estuncyclone.Ils'agitdeste mpêtes lesplusviolentesd enotre planète.Le

ventmoyenpe utatteind reunevitesse de118km/h 6

l'été,au-dessusde seauxtrèschaudes.Cestempête ssontassi milablesàde sorganisatio nsnuageuses

formantdestourbillo nscir culaires.Lescycloneschangentdesensderotationselo nl'hémisphère 7 Celaestdûà laforcede Coriol isq uitrad uitl'e etd'in ertieengendréparlarotation delaTerresur uncorp senmouvement.Ce ttefor cedépenddelapositionparrappo rtauxpôles,c 'estpourquoià lalatitud e0,elleestn ulle, etplusn ousnousapproc honsdespôles,p lusellees timportante.Lorsque nousappli quonslesloisfondamentalesde ladynamiq ue,nousmontronsque laforcedeCoriolisest perpendiculaireauventetestdirigéeverslad roite dansl'hémisp hèreno rdetvers lagauchedans l'hémisphèresud.

Lese nsgiratoireanti-horairedan sl'hémisphèrenorde stdûàl'expressionv ectorielledelasomme

desfor cesimpliquéesdans lacirculationatmosphéri que:nous avonsles forcesdepressionainsique laforc edeCoriolis. Nouspouvon svoirsurl'imagesuivantelecyc lonetropical Hellen,quiaeu lieus urlescôtesmal- gachesetaétéprise parles ate lliteMETE OSAT10,le30mars2 014. Uncycl oneestunedépressioni solée.C'es tunemasse nuageusedegrandesdimensions, deforme cylindrique,ayantundiamètred'envi ron2000kmetundéveloppement ver ticalpouvantallerjus- qu'à15km. Lesnuages sontorganisésensp iralesquiconverge ntenformedetourbillon sverslec entre,appelé

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Figure11:Images atellited'un cyclone

Certainesconditionssonti ndispensablesàlaformationd'un cyclonetrop ical.Parmicelles-ci, nouscomptons lessuivantes:unep erturbati onpréexistante,uneréserved'éner gie thermi quesu

sante(unetempérat uredesurface supérieureà28°C),unet rèsfaible variationdu vent,êtreau-delà

de5°delati tude,afinquelaforcedeCorioli ssoitsu"sammentintensepourqu elemouvement tourbillonnairesoitpermis. Uncyc lonefonctionneavec unesourcechaude:l'océan ,unesourcefroide: lahauteatmosphè re.

L'énergiethermiqueesttran sforméeenénergiec inétique:leven t.L'océan,parlebiaisduflu x

d'évaporation,alimentelecycloneenénergie .C'estpourcetteraisonque lecycl ones'a aiblitlors- qu'ilarrivesu rterre:il perdsasource d'alimentationé nergé tique . Lescumu lonimbussontlemoteurducyclone.Lacondens ationnuageuseà l'origined eleurformation produitunelibérati ond' énergiesousformedechaleurlatentetrèsimpo rtante.Leschangements

d'étatdel'eauabsor bent oulibèrentde trèsgrandesquantitésd'énerg ie:c'estce qu'onappelle

lachal eurlatente.Cetteénerg ieesttransféréeverslaha uteatmosphè regrâceauxmouvements

ascendants.Àlasurfacedel'o céanalieu unfl uxd'évaporationqui fournitl'hu miditénécessaireà

lafab ricationdesnuages. Désormais,nousallonsvoircomme ntseformentl esorages.Cesontdes phénomènesat mosphé- riquesdecourte durée,c aractérisésparun eséried'éclairs,decoup sdetonnerreetdecoupsde foudreettoujour sli ésàlaprésencedecumulonimbus.U ncumulonimbusse forme delamanièr e suivante:l'airchau éparl era yonnementdusolei lsurlasurfacedelaterrese dilat eetdevientplus légerquel'airs ituéau-de ssusdelui.Ils'é lèveetsil'aires tsu sammenthumidealorsla vapeur d'eauqu'ilcon tientsecondensepourfor merdesgouttesd'eau.Lorsquel' atmo sphèreestinsta ble, lescourants ascendantssontimp ortantsetfavorisent,parcettecond ensation,legrossis sementdu nuage.Cederniersedé ve loppeetmonteenaltitud e.Les gouttessetransformentencri stauxd e glace.En -dehorsdespériodesd'orage,ilexiste unchampélec triqueàlasurfacedela Terre,d'en- viron100V/m 8

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sphérique,avecunboni solantconstituédespar ties bassesdel'atmosphèr e(latropopause)placé

entredeuxconducteurs:le soletl 'ionosphère.L'ionosphèreestl apart iesupérieur edel 'atmosphèr e

danslaq uellelesbombardementsdeparti culesouder ayonnementssontlesplusimportants.

L'atmosphèreestlesiègeded euxphénomè nes concurrentsqu ifinisse ntpars'équilibrer: lesio-

nisations,nombreusesdanslesparti essupérieuresdel' atmosphère,o ùlespar ticulesalphaetles rayonnementssontnombreux,etlespertes enions,oùl'atmosp hèreestmoinsdense.L'équ ilibre decesdeux phénomènes favo riselapr ésenceimportanted'ionsdanscet tezone,la rendantcond uc- trice.Aucontraired el'ionos phèrequiest globalementn eutre,laTerreestporteused 'unecharge négative,àl'origineduc hampél ectriqueexistantenpermanenceàlasurfacet errest re.Dufaitdu caractèreimparfaitdelacapaci téisolatricedela terr e,ilexist eunpetitcourant defuiteentrelesol etl' ionosphère.S'iln'yavaitpasdes mécanismescommel'orage,ce courantfinir aitpardécharger lesol. Enquel quesmots,cesnuagessontu nevéritableusi nethermod ynamique.Ils'alime nteenaircha ud ethumi depourfournirl' énergienécessair eauxmouvementsascendants. 9

Lesoragess ontassimilable sàdesgénérate ursélectriques:chargésé lectriqu ement,ilscréen tune

tensionentrelesole tlenuage.Lev ent, lesparticule sd'eaue tde glacedunuageentraînentde scol- lisionsquiprov oquentl'é lectrisationdunuage.Lescourantsascendants etdescendantscondu isent entredeuxnuagesouentr ele nuageetlesol (c'est cequ'onappellelafou dre).Sc hématiquement, leso mmetdunuageestchargé positivemen talorsquesabav eestnégative .Aucuneexplic ationde lasé parationdeschargesdan slenuagen'est totalementsatisfais antemaisnouspouv onsd ireque lach argedusommetdu nuage,comp oséessentielle mentdelé gerscristauxdeglace, estpositive, tandisquecelled elabased unuage,quie stcomposé ede gouttesd'eauplus lourdesque laglace au-dessus,estnégative. Lapa rtiedunuagequis etrouveen regarddelaTerre estchargé enégativeme nt.Lesolsec harge alorspositiv ementparinfluence. Lorsqu'ilyaunorage ,nou sobte nonsuntrip ôleélectrique :lesommetdun uageestglobalementpo- sitif,labasedunuagenégati ve,etlesol posit if. Sinousnousconcent ronsuniquementauxéchanges entrelabasedunuageet lesol,la situat ionest assimilableà cell ed'ungigant esquecondensateur constituépardel'airpl acéen tre lebasdunuageetlesol,d' unecapacitéde l'ordrede10nF.

3.1.4Approchet héoriquedel'expérience

Nousavons expliquéprécédemme ntlescausesdela convectiondansl'atmosphèreainsiqueles di érentsphénomènesmétéorol ogiquesq uiendécoulent.Lebutdecettepartieestdeproposer unmodèl ethéoriquesi mplepourexpliquerpardeséquatio nscommentfonct ionnelaconvect ion

atmosphérique.Plusprécisément,n ousessaieronsd'établirlemo dèled'uncyclede convectionà

grandeéchelle(parexemp leunmodèleserapp rochant delacellule deHadley).L'obj ectifestausside

préparerladernièrepar tie,consacr éeàlaréalisati ond'expériences.Pourcefair e,nousdéterminerons

desexpr essionsdenombrescaractéri stiq uesquinousserviron tàcomparerlesrésultatsthéoriques

aveclesr ésultatso btenusexpérimentalement.

Page15sur 2714ju in2021

PROJETDEP6-n°45INSAR ouendeNo rmandie

1.Un1er dispositif simplifié:unmodèled'atmosph èreaurepos

Noussouh aitonsreconstituerunmodèlesimplec orrespondantàlabasseatmosphère(jus qu'à latropos phère).Ene et,c'est danscettecouche queseproduis entlaplupartd esphénomènes convectifs,dontlescellulesquenou scherchonsà modéliser .C'estaussilacoucheidéal ecar

leprofi ldetempérature yestcon tinuellementdécroissantj usqu 'àlatroposphère (seréférerà

lapart ierecherche:profil detempératurea ne).C'estuned escondition squivanou saider

àétablirnotremodèle.

Considéronsledispositiflepluss implep ossiblepournotremodèled'atmos phèrea urepos: unfluide confinéent redeuxplaquespla nes,rigidesetconductri cesdec haleur.Noussup- posonscesdeuxpla quesinfini es.Laplaque supérieureestàlatempé ratureT 2 ,laplaque inférieureàlatempératureT 1 desor tequeT 1 >T 2 .Lesdeuxplaquessontdistantesd'une hauteurh.Cet tehauteurnou sserviradelongueurca ractéristiq uelelongdecettepartie .. Afindes'ap proche rd'unmodèleatmosphériqueaureposc'est-à-d iresansconve ction,ladif- férencedetemp érat ureentrelesdeuxplaques:"T=T 2 !T 1 doitêtretr èsfaible.Dansce modèle,seulelaconduction danslefluide estprésen te.

Figure12:Dispositif expérimentalaurep os

Afindecomp rendreles transfertsthermiquesencoursda nsledisp ositif,reprenonsl'expres- siongénér aledel'équationdelachal eurett ransformons-laentenantcomptedesconditions denot remodèle.Nousobtenons :quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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