Exercices: Structure et dynamique

Ordonner les couches de l'atmosphère à partir de la surface terrestre et indiquer dans laquelle se produisent les phénomènes météorologiques et dans laquelle se concentre la couche d'ozone.

Quelle différence y a-t-il entre temps météorologique et climat ? Donner un exemple de donnée météorologique et un autre de donnée climatique.

Pourquoi l'atmosphère est-elle indispensable à la vie ? Citer au moins trois fonctions qu'elle remplit.

Citer les trois gaz majoritaires de l'air sec et leur proportion approximative, et nommer deux gaz à l'état de traces de grande importance climatique.

Qu'est-ce que la pression atmosphérique et comment varie-t-elle avec l'altitude ? Pourquoi respire-t-on plus difficilement au sommet d'un quatre-mille ?

Que sont les brises de mer et les brises de terre ? Expliquer à quel moment de la journée souffle chacune et pourquoi.

Que mesure un pluviomètre et que mesure un anémomètre ? Dans quelles unités s'exprime chaque mesure ?

Qu'est-ce que l'humidité relative de l'air et que se passe-t-il lorsqu'elle atteint $100\ \%$ ? Comment s'appelle la température à laquelle cela se produit ?

Le schéma montre la circulation atmosphérique d'un hémisphère avec trois cellules (1–3) et quatre positions de surface marquées par « ? ». Attribuer à chaque position sa latitude (0°, 30°, 60°, 90°), nommer les trois cellules et expliquer pourquoi les ceintures anticycloniques se situent autour de 30°.

Les courants de surface de l'Atlantique nord forment un gyre dans le sens horaire. Expliquer quels facteurs l'engendrent (vents dominants, effet Coriolis, disposition des continents) et quel effet le Gulf Stream a sur le climat de l'Europe occidentale.

Le gradient thermique vertical moyen de la troposphère est d'environ $6,5\ \text{°C}$ par $1\,000\ \text{m}$. Si sur le littoral, au niveau de la mer, la température est de $24\ \text{°C}$, estimer la température à $2\,500\ \text{m}$ d'altitude et expliquer quel processus physique en est la cause.

L'effet Coriolis dévie les vents vers la droite dans l'hémisphère nord. Expliquer sa cause, liée à la rotation de la Terre, et comment il détermine la direction des alizés et des vents d'ouest.

Comparer un front froid et un front chaud : quelle masse d'air avance dans chacun, quels nuages il engendre et quel type de précipitations (intenses et brèves ou faibles et persistantes) lui est associé.

Dans l'hémisphère nord, les dépressions tournent dans le sens antihoraire et les anticyclones dans le sens horaire. Expliquer la circulation de chaque système et le type de temps qu'il apporte à la péninsule ibérique.

Le littoral de la Galice est humide et celui du Maroc beaucoup plus sec. Relier ces différences à la latitude, aux courants marins, aux vents dominants et à l'orientation de chaque côte.

Qu'est-ce que la circulation thermohaline et qu'est-ce qui la met en mouvement (différences de température et de salinité) ? Expliquer le rôle des courants profonds dans le climat global.

Imaginer une bande côtière à 22° S sur la façade occidentale d'un continent. Une entreprise minière prévoit de déverser en haute mer des effluents thermiques qui élèveraient de façon permanente la température de surface de la mer de +4,5 °C sur 300 km de littoral.

1. a) Prévoir en justifiant comment ce réchauffement localisé affectera l'inversion thermique marine de subsidence, la stabilité de la couche limite atmosphérique et la pluviométrie du désert littoral adjacent.
2. b) Un rapport environnemental affirme : « Comme l'eau sera plus chaude, l'évaporation augmentera et il pleuvra davantage sur les sommets montagneux de l'intérieur, mais la côte immédiate restera tout aussi hyperaride parce que la latitude subtropicale détermine entièrement le climat ». Réfuter ou nuancer cette affirmation avec des arguments thermodynamiques en comparant le mécanisme d'un courant froid et celui d'un courant chaud.

À la station météorologique de Darwin (nord de l'Australie), on enregistre pendant plusieurs mois une anomalie barométrique de +3,5 hPa par rapport à la moyenne, tandis qu'à Tahiti les pressions sont anormalement basses. Dans le même temps, sur le littoral péruvien, les captures d'anchois s'effondrent et les capteurs satellitaires enregistrent des alizés anormalement faibles ou inversés.

1. a) Interpréter ces relevés dans le cadre du phénomène ENSO : déduire dans quelle phase se trouve la cellule de Walker et décrire la réorganisation spatiale de ses branches ascendante et descendante par rapport au schéma neutre.
2. b) Justifier l'apparent paradoxe selon lequel cette perturbation atmosphérique provoque simultanément des pluies et des inondations torrentielles sur le littoral désertique du Pérou et de graves sécheresses avec des incendies dans les forêts d'Indonésie.
3. c) Prévoir ce qu'il adviendra de la profondeur de la thermocline équatoriale et de l'inclinaison du niveau de la mer entre les côtes est et ouest du Pacifique au cours de cet événement.

On analyse les données thermopluviométriques de deux stations météorologiques de la péninsule ibérique situées pratiquement à la même latitude (environ 42,2° N) :

• Station 1 : T. moyenne de janvier = 8,8 °C ; T. moyenne de juillet = 19,5 °C ; amplitude thermique annuelle = 10,7 °C. Précipitations annuelles = 1 250 mm.

• Station 2 : T. moyenne de janvier = 3,2 °C ; T. moyenne de juillet = 22,4 °C ; amplitude thermique annuelle = 19,2 °C. Précipitations annuelles = 410 mm.

1. a) Attribuer en justifiant chaque station au littoral atlantique galicien ou à la meseta nord castillane, en fondant la réponse sur la capacité thermique massique de l'eau par rapport à celle de la lithosphère et sur la circulation générale d'ouest.
2. b) Justifier pourquoi la présence de reliefs montagneux intermédiaires accentue le contraste hygrométrique et pluviométrique par l'effet de foehn.
3. c) Prévoir comment changeraient l'amplitude thermique et les températures hivernales de la Station 1 si la Terre tournait dans le sens opposé (d'est en ouest), en conservant la même répartition des terres et des mers.

Une équipe d'astrobiologie modélise l'atmosphère de deux exoplanètes telluriques identiques à la Terre par leur masse, leur rayon, l'inclinaison de leur axe et la composition de l'air, mais de rotation différente :

• Planète A : période de rotation de 120 heures (rotation extrêmement lente).

• Planète B : période de rotation de 6 heures (rotation extrêmement rapide).

1. a) Pour la planète A, prévoir le nombre de cellules convectives par hémisphère, la localisation des ceintures de hautes et basses pressions de surface et le schéma des vents dominants.
2. b) Pour la planète B, justifier pourquoi le nombre de cellules convectives méridiennes par hémisphère doit être nettement supérieur aux trois de la Terre (Hadley, Ferrel et polaire), en s'appuyant sur la force de Coriolis et la conservation du moment cinétique.
3. c) Sur Terre, la cellule de Ferrel est qualifiée de « thermiquement indirecte ». Expliquer pourquoi son mouvement vertical contredit la convection thermique simple et déduire comment elle parvient malgré tout à transférer de la chaleur vers les latitudes polaires.

Le plateau du Tibet joue en été le rôle d'un gigantesque radiateur atmosphérique à plus de 4 000 m d'altitude, qui alimente la mousson asiatique.

1. a) Prévoir en justifiant comment un printemps aux chutes de neige exceptionnellement tardives et abondantes sur le Tibet affecterait la mousson estivale de l'Inde, en analysant le rôle de l'albédo de surface et de la chaleur latente de fusion de la neige.
2. b) Au cours des dernières décennies, le réchauffement anormal des eaux de surface de l'océan Indien équatorial réduit le gradient thermique estival entre le continent asiatique et la mer. Déduire la conséquence de cette tendance sur l'intensité du vent de mousson en surface et sur la pénétration des masses d'air humide vers l'intérieur du continent.
3. c) Malgré l'atténuation possible du vent moyen déduite à la question précédente, les météorologues prévoient une augmentation du caractère destructeur des inondations de mousson locales en raison de la relation de Clausius-Clapeyron (un air plus chaud retient environ 7 % de vapeur en plus par degré Celsius de hausse). Justifier la cohérence thermodynamique de cette apparente contradiction.

Bordeaux (France, 44,8° N) et Halifax (Canada, 44,6° N) sont à la même latitude de part et d'autre de l'Atlantique nord. En janvier, la température moyenne de Bordeaux est de +6,8 °C (il neige rarement), tandis que celle d'Halifax est de -5,5 °C (avec banquise et neige constante).

1. a) Un élève affirme : « Cette différence de plus de 12 °C est due uniquement au fait que le Gulf Stream réchauffe l'Europe et n'atteint pas l'Amérique ». Évaluer de façon critique cette affirmation : démontrer pourquoi elle est incomplète en intégrant dans votre réponse la direction des vents d'ouest et le caractère continental ou maritime des masses d'air qui atteignent chaque côte.
2. b) Expliquer le rôle complémentaire que joue le courant froid du Labrador sur le littoral nord-américain et prévoir ce qu'il adviendrait des températures hivernales de Bordeaux si un apport massif d'eau douce de fonte entraînait l'effondrement de la branche nord-atlantique de la circulation océanique de convoyage.
3. c) Si la masse continentale eurasiatique n'existait pas et que l'Atlantique s'étendait sans barrière vers l'est, comment cela affecterait-il le climat hivernal de la façade atlantique européenne ? Justifier.

Pendant un trimestre d'hiver, on enregistre de façon persistante les valeurs anormales suivantes de pression atmosphérique au niveau de la mer :

• Reykjavik (Islande) : anomalie de -18 hPa (pression beaucoup plus basse que d'habitude, autour de 985 hPa).

• Ponta Delgada (Açores) : anomalie de +12 hPa (anticyclone très renforcé, autour de 1 036 hPa).

1. a) Diagnostiquer dans quelle phase de l'oscillation nord-atlantique (NAO) se trouve le système et décrire comment le jet-stream polaire est positionné et organisé au-dessus de l'Atlantique.
2. b) Prévoir de façon justifiée les conséquences de cette configuration sur :

1) Les précipitations et la recharge des nappes phréatiques dans le quart sud-ouest de la péninsule ibérique.

2) Le régime des tempêtes, les précipitations et la production d'énergie éolienne et hydroélectrique dans les îles britanniques et l'ouest de la Scandinavie.

1. c) Un porte-parole d'irrigants du sud de la péninsule attribue la sécheresse de cet hiver au fait que « le courant d'El Niño a bloqué le passage des nuages en Espagne ». Corriger ses erreurs conceptuelles en distinguant la NAO et l'ENSO du point de vue du bassin océanique, des mécanismes directs de téléconnexion et des échelles spatiales.

Une carte météorologique à 500 hPa montre, fin septembre, une poche d'air froid isolée (-25 °C) sur le golfe de Cadix, détachée de la circulation générale d'ouest (goutte froide, DANA). Parallèlement, dans le bassin de la Méditerranée occidentale, la température de surface de la mer avoisine 26,0 °C.

1. a) Un prévisionniste débutant émet une alerte rouge pour des pluies torrentielles généralisées sur toute la péninsule ibérique en se fondant exclusivement sur la carte en altitude. Justifier pourquoi la présence d'une goutte froide est une condition nécessaire mais non suffisante pour générer un épisode de précipitations extrêmes, en précisant quels facteurs de surface et de basses couches sont indispensables pour déclencher la convection sévère.
2. b) Analyser le rôle de l'orographie du littoral levantin (chaînes bétiques et ibériques) lorsqu'un net flux de vents humides d'est s'établit dans les basses couches, en le reliant au déclenchement orographique et à l'énergie potentielle convective disponible (CAPE).
3. c) À partir des principes de la thermodynamique atmosphérique, déduire comment un réchauffement anormal persistant de la mer Méditerranée (+2,0 °C à +3,0 °C par rapport à la moyenne historique) influence la capacité d'absorption d'humidité de l'air, le taux d'évaporation et la violence et le pouvoir destructeur des précipitations torrentielles qui en résultent.