Exercices: La dynamique de l'atmosphère et de l'hydrosphère

Le schéma représente ce qui se passe un matin d'été sur la côte, en quatre étapes numérotées. Expliquer ce qui se passe à chacune des étapes repérées par les numéros de 1 à 4 et justifier pourquoi l'air chaud s'élève au-dessus de la terre et pourquoi se forme une brise de mer qui souffle de la mer vers la côte.

Le vent et les courants marins tirent leur énergie du Soleil. Expliquer, à l'aide d'un exemple de la vie quotidienne (l'air qui se met en mouvement quand on allume un radiateur ou l'eau d'une casserole sur le feu), ce qui arrive à l'air ou à l'eau quand ils sont chauffés et comment ce mouvement donne naissance à des vents ou à des courants.

Ranger dans l'ordre les étapes suivantes de la formation d'une brise de mer pendant la journée : l'air froid situé au-dessus de la mer se déplace vers la côte et forme la brise ; le Soleil chauffe la terre plus vite que la mer ; l'air situé au-dessus de la terre se réchauffe et s'élève ; en altitude, l'air se déplace vers la mer et redescend au-dessus d'elle.

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est le vent et d'où provient l'énergie qui le met en mouvement.

Définir ce qu'est un courant marin et citer un exemple connu, en indiquant s'il est chaud ou froid.

Relier chaque notion à sa définition : vent, brise de mer et courant marin, avec : mouvement de grandes masses d'eau dans l'océan ; mouvement de l'air à l'échelle locale entre la mer et la côte ; mouvement de l'air causé par le réchauffement inégal de la surface.

Un jour d'été, le sable de la plage brûle, mais l'eau de la mer est beaucoup plus fraîche. Relier ce fait à la formation de la brise de mer.

Indiquer si ces affirmations sont vraies ou fausses et corriger les fausses : les courants marins déplacent d'énormes masses d'eau ; l'eau de la mer se réchauffe plus vite que la terre ; la nuit, la brise souffle de la terre vers la mer.

La carte simplifiée montre deux courants marins qui longent deux côtes situées à la même latitude.

1. a) Indiquer d'où vient et où se dirige chaque courant.
2. b) Déterminer laquelle des deux localités, A ou B, aura un climat plus doux et plus humide et expliquer pourquoi.

Le cycle de l'eau et les vents sont liés. Expliquer d'où vient l'énergie qui fait évaporer l'eau de la mer et quel rôle jouent les vents dans le transport de la vapeur d'eau depuis l'océan jusqu'à l'intérieur des continents.

Deux localités situées à la même latitude, l'une sur la côte et l'autre à l'intérieur des terres, ont des climats différents : la localité côtière a des hivers plus doux et des étés moins chauds. Expliquer pourquoi, en tenant compte du fait que l'eau de la mer se réchauffe et se refroidit plus lentement que le sol.

Pendant la nuit, la brise sur la côte souffle de la terre vers la mer, à l'inverse de la journée. Expliquer pourquoi le sens de la brise s'inverse.

Les anciens voiliers utilisaient les alizés pour traverser l'océan. Expliquer ce que sont les alizés et d'où ils tirent leur énergie.

On dit que les courants marins sont comme des rubans qui transportent de la chaleur. Expliquer quel effet a un courant froid sur le climat de la côte qu'il longe et le comparer à celui d'un courant chaud.

Les vagues se forment par le frottement du vent sur la surface de l'eau. Expliquer ce lien entre l'atmosphère et l'hydrosphère et citer un autre phénomène dans lequel ces deux enveloppes interagissent.

Les après-midi d'été très chauds se terminent souvent par des orages. Relier ce fait à l'ascension de l'air chaud et humide et à son refroidissement en altitude.

Londres (Royaume-Uni) et Calgary (Canada) se situent pratiquement à la même latitude (environ 51° N). Pourtant, la température moyenne de janvier à Londres est de 5,5 °C (avec des chutes de neige très rares), alors qu'à Calgary elle est de -7,5 °C (avec de la neige en continu pendant des mois).

1. a) Justifier cette nette différence climatique en analysant comment interagissent la circulation atmosphérique générale et les courants marins de surface dans l'Atlantique nord.
2. b) Un modèle prévoit que le réchauffement climatique provoquera une fonte accélérée au Groenland, déversant d'énormes volumes d'eau douce dans l'océan. Prévoir et justifier l'effet de cet apport sur la densité de l'eau de mer, sur la circulation thermohaline de l'Atlantique Nord (AMOC) et sur les températures hivernales du nord-ouest de l'Europe.

Sur un tronçon de côte à falaises de roche calcaire, une mairie projette de construire une grande digue en béton à la base de la falaise pour freiner la houle, en assurant qu'avec ce seul ouvrage le recul du relief sera complètement stoppé.

1. a) Évaluer de façon critique cette affirmation : justifier pourquoi elle est insuffisante en analysant les processus d'altération et d'érosion que l'atmosphère (précipitations, vent et variations de température) et l'hydrosphère continentale (ruissellement et infiltration) continueront d'exercer sur la partie haute et médiane de la falaise.
2. b) Prévoir les conséquences à moyen terme de l'installation de la digue sur la plage adjacente, en s'appuyant sur la dynamique du transport et de la sédimentation côtiers.

Observer les données thermiques de trois localités situées à la même latitude (43° N) et à une altitude semblable :

• Localité 1 : T. moyenne en janvier : 9,2 °C ; T. moyenne en août : 21,1 °C.

• Localité 2 : T. moyenne en janvier : 2,5 °C ; T. moyenne en août : 28,0 °C.

• Localité 3 : T. moyenne en janvier : 12,0 °C ; T. moyenne en août : 17,5 °C.

1. a) Calculer l'amplitude thermique de chacune et déduire, en justifiant, laquelle correspond à une petite île océanique, laquelle à une ville côtière continentale et laquelle à l'intérieur d'une grande masse continentale.
2. b) Un camarade affirme que l'eau de la mer réchauffe la côte en été et la refroidit en hiver. Réfuter son affirmation en expliquant la propriété thermique de l'eau (capacité thermique massique) qui fait de l'hydrosphère un régulateur thermique pour l'atmosphère.

Sur une plage, on note la direction du vent à 12 h et à 24 h pendant trois jours : le jour 1, il souffle de la mer à midi et de la terre à minuit ; le jour 2, de même ; le jour 3, ciel nuageux, il y a calme à midi et brise de terre à minuit. Interpréter les données, expliquer le schéma général et justifier pourquoi aucune brise de mer ne s'est formée le troisième jour.

Lors d'un épisode intense d'El Niño, les alizés qui soufflent vers l'ouest dans le Pacifique équatorial s'affaiblissent ou même inversent leur direction.

1. a) Prévoir les conséquences immédiates de cet affaiblissement sur la remontée d'eaux profondes (upwelling) au large des côtes du Pérou et justifier l'impact sur les réseaux trophiques marins de la région.
2. b) Un élève affirme que, s'agissant d'un phénomène purement océanique dans le Pacifique, il ne peut pas modifier les pluies sur les terres émergées. Réfuter son affirmation en expliquant comment le déplacement de la masse d'eau chaude modifie les zones de basses pressions et les courants de convection de l'air, provoquant des inondations sur la côte aride sud-américaine et de graves sécheresses en Indonésie.

Lors de la lutte contre un grand incendie de forêt dans une vallée, les pompiers observent deux phénomènes :

1. À la base du feu se forment de forts vents locaux qui soufflent directement vers les flammes et les attisent, alors que le bulletin météorologique général annonçait un temps calme.

2. À grande hauteur au-dessus de l'incendie se forme un dense nuage à développement vertical (pyrocumulus) qui finit par produire des éclairs.

1. a) Justifier physiquement l'apparition de ces vents locaux en reliant la température de l'air, la pression atmosphérique et les courants de convection.
2. b) Expliquer le mécanisme dynamique par lequel la colonne ascendante d'air chaud et de fumée finit par se condenser en un nuage d'orage à plus haute altitude.

Imaginer une planète hypothétique identique à la Terre par sa taille, sa composition atmosphérique et son rayonnement solaire, mais qui ne tourne pas sur son axe (rotation nulle).

1. a) Prévoir comment serait la circulation atmosphérique globale sur cette planète : déterminer combien de cellules de convection existeraient dans chaque hémisphère et dans quelle direction souffleraient les vents en surface.
2. b) Comparer cette prévision à la Terre réelle : justifier pourquoi, sur notre planète, il existe trois cellules de convection par hémisphère (Hadley, Ferrel et polaire) et expliquer comment la subsidence (descente d'air sec) dans les hautes pressions subtropicales détermine la présence des grands déserts chauds autour de 30° de latitude.

Un ouragan de catégorie 4 se déplace sur l'océan Atlantique avec des vents de plus de 210 km/h. Deux événements sont enregistrés sur sa trajectoire :

1. En touchant terre sur une plaine continentale chaude, ses vents diminuent de moitié en moins de 24 heures.

2. En déviant vers le large au-dessus d'un courant océanique froid (20 °C), l'ouragan finit par se dissiper complètement au lieu de se réactiver.

1. a) Un amateur affirme que l'ouragan s'est affaibli sur terre uniquement à cause du choc contre les arbres et les bâtiments, et que sur la mer froide il a été freiné parce que l'eau froide oppose plus de résistance à l'air. Réfuter ces deux idées en expliquant le véritable mécanisme thermodynamique (évaporation et chaleur latente de condensation) qui relie l'hydrosphère à l'atmosphère dans un cyclone tropical.
2. b) Prévoir et justifier ce qui arriverait à la fréquence et à l'intensité des ouragans si la température moyenne de surface de l'océan tropical augmentait de 2,0 °C.

Défi du thème. Imaginer que vous travaillez comme conseiller en environnement de votre commune. Votre mission est d'analyser la réponse de votre environnement face au temps récent en intégrant l'atmosphère et l'hydrosphère.

1. Recueil de données : Se rendre sur le site de Météo-France et télécharger les relevés quotidiens de température moyenne ($^\circ\text{C}$), de précipitations ($mm$) et de pression atmosphérique ($hPa$) de la station la plus proche pour les $7$ derniers jours (en notant s'il y a eu des relevés supérieurs à $0,5\text{ mm}$). Identifier aussi le type de masse d'air ou de front associé.

2. Analyse de la dynamique : Élaborer un tableau et un graphique combiné (température en courbe et précipitations en barres). Expliquer la relation de cause à effet observée : comment la pression (dépression ou anticyclone) et le vent influencent l'évaporation, la nébulosité et le ruissellement de surface de votre bassin versant local.

3. Proposition argumentée : Rédiger un rapport de $1$ page avec vos conclusions et proposer deux mesures durables pour votre quartier ou votre village (comme des revêtements perméables, la renaturation des berges ou des cuves de récupération des eaux de pluie) qui atténuent les risques d'inondation ou de pénurie.

Seront évalués :

• La rigueur dans l'obtention et la représentation graphique des données officielles de Météo-France.

• La compréhension de la dynamique couplée entre l'atmosphère (pression, vent) et l'hydrosphère (précipitations, ruissellement).

• La faisabilité et la justification scientifique des solutions de gestion de l'eau proposées.