[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.

PROJETDEP6-n°45INSAR ouendeNo rmandie

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.quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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