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Cours scientifiques - MEC_43033_EP : Dynamique de l'atmosphère et des océans

Domaine > Mécanique.

Descriptif

Ce cours propose, à travers le prisme de la mécanique, une introduction au fonctionnement de la machine climatique. Celle-ci est mise en mouvement par la différence de chauffage solaire entre Équateur et Pôles. L’atmosphère et l’océan en sont des rouages et des régulateurs essentiels car ils transportent vers les Pôles l'excédent équatorial d'énergie. Cela en fait les vecteurs du transport d’eau, d’énergie, de composés chimiques et les place au cœur des problèmes environnementaux de la planète, à toutes les échelles d’espace ou de temps.

Le rôle de ces deux écoulement les oppose: l’atmosphère détermine l’organisation spatiale des températures ou des précipitations sur la planète, mais possède très peu de mémoire ; l’océan au contraire a une inertie (dynamique, thermique) considérable et organise les fluctuations temporelles du climat.

Malgré ces différences, océan et atmosphère se ressemblent au niveau des principes physiques qui les mettent en mouvement : leur extension verticale est faible comparée à leur extension horizontale, leurs caractéristiques varient fortement dans la direction verticale, leur lenteur les rend sensibles à la gravité et aux effets de la rotation de la planète. L'étude de leur mouvement mobilise des nombres sans dimension (nombre de Rossby), des modèles (Boussinesq, quasi-géostrophique), des raisonnements (conservation Lagrangienne), des grandeurs conservées (vorticité potentielle, moment cinétique) assez différents de ceux qui forment le coeur de la mécanique des fluides "ordinaires". À ce titre elle en constitue une branche spécialisée appelée dynamique des fluides géophysiques.

Ce cours est accessible sans pré-requis, même s’il demande un effort initial un peu plus grand aux élèves qui n’ont suivi préalablement aucun module de Mécanique.

En 2024/2025, les supports de cours seront donnés en anglais.

 

Objectifs pédagogiques

Le cours vise à ce que les étudiants:

  • acquièrent une culture factuelle, descriptive, des traits essentiels de la structure verticale et horizontale de l'atmosphère, de l'océan et de leur circulation
  • apprennent les bases fondamentales de la dynamique des fluids géophysiques: nombres sans dimensions, approximations et modèles, équilibres essentiels, énergétique
  • identifient dans quelle mesure l'état actuel du système océan atmosphère résulte de contraintes physiques, et comment celles-ci conditionnent ses futurs possibles
  • puissent s'ouvrir vers d'autres cours plus spécialisés approfondissant les questions que ce cours ne fait qu'effleurer: rôle de l'eau, cycle du carbone, couche limite atmosphérique et climat urbain, observation spatiale de la Terre, articulation science/décision ...

10 blocs ou créneaux

Diplôme(s) concerné(s)

Parcours de rattachement

domaines Saclay

ODD13 Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques, ODD14 Vie aquatique.

Pour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux

Ce cours est accessible sans pré-requis, même s’il demande un effort initial un peu plus grand aux élèves qui n’ont suivi préalablement aucun module de Mécanique.

Format des notes

Numérique sur 20

Littérale/grade réduit

Pour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux

Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)
    L'UE est acquise si note finale transposée >= C
    • Crédits ECTS acquis : 5 ECTS

    La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.

    La note obtenue est classante.

    Pour les étudiants du diplôme Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique

    Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)
      L'UE est acquise si note finale transposée >= C
      • Crédits ECTS acquis : 5 ECTS

      Le coefficient de l'UE est : 10

      La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.

      La note obtenue est classante.

      Pour les étudiants du diplôme Non Diplomant

      Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)
        L'UE est acquise si note finale transposée >= C
        • Crédits ECTS acquis : 5 ECTS

        Pour les étudiants du diplôme M1 Mech - Mécanique

        Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)
          L'UE est acquise si note finale transposée >= C
          • Crédits ECTS acquis : 3 ECTS

          Programme détaillé


          Le cours se décline en trois parties, dont chacune mélange mécanique des fluides et  science des systèmes naturels:

          1. Introduction à la mécanique des fluides géophysiques.

          Les notions qui seront introduites relèvent de concepts mécaniques généraux et sont applicables à des systèmes tournants et/ou stratifiés très variés (turbines, centrifugeuses). Elles se prêtent par exemple à des illustrations par des expériences de démonstration dans des cuves en rotation. Mais les particularités du monde réel s’imposent aussi et des méthodes d’analyse dimensionnelle sont nécessaires pour filtrer les équations et en retenir une version pertinente pour  la description des grandes échelles planétaires.


          2. Reconstruction de la circulation générale de l’atmosphère.

          Cette reconstruction permettra d’opposer deux régimes dynamiques très différents : dans la région intertropicale une circulation très stable, sous forme de cellules convectives, détermine des zones équatoriales humides et la ceinture des déserts subtropicaux. Aux moyennes latitudes les circulations sont instables et fortement marquées par la rotation de la Terre.

          3. Reconstruction de la circulation générale de l’océan.

          L’océan est mis en mouvement à la fois par des variations de densité de l’eau de mer (liées à sa température ou sa salinité), par la rotation de la Terre, mais aussi par l’action directe du vent. Les deux couches limites turbulentes qui se développent de part et d’autre de l’interface air/mer jouent ainsi un rôle considérable, parce qu’elles contrôlent les échanges de quantité de mouvement, d’eau, d’énergie, de polluants, entre ces deux milieux. Nous opposerons dans le cas de l’océan une circulation planétaire à un domaine équatorial très particulier, où se développent des instabilités telles que l’oscillation El Nino.

          Veuillez patienter