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5.8 : La surface changeante de la Terre - Géosciences

5.8 : La surface changeante de la Terre - Géosciences


Les géologues savent que Wegener avait raison parce que les mouvements des continents expliquent tellement de choses sur la géologie que nous voyons. La majeure partie de l'activité géologique que nous voyons sur la planète aujourd'hui est due aux interactions des plaques en mouvement. Sur la carte de l'Amérique du Nord, où se trouvent les chaînes de montagnes ? En utilisant ce que vous avez appris sur la tectonique des plaques, essayez de répondre aux questions suivantes :

  1. Quelle est l'origine géologique de la chaîne des Cascades? Les Cascades sont une chaîne de volcans dans le nord-ouest du Pacifique. Ils ne sont pas étiquetés sur le schéma mais ils se situent entre la Sierra Nevada et la chaîne côtière.
  2. Quelle est l'origine géologique de la Sierra Nevada ? (Indice : ces montagnes sont constituées d'intrusions granitiques.)
  3. Quelle est l'origine géologique des Appalaches le long de l'Est des États-Unis ?

Rappelez-vous que Wegener a utilisé la similitude des montagnes des côtés ouest et est de l'Atlantique comme preuve de son hypothèse de dérive des continents. Les montagnes des Appalaches se sont formées à la limite d'une plaque convergente lorsque la Pangée s'est réunie.

Avant que la Pangée ne se réunisse, les continents étaient séparés par un océan là où se trouve maintenant l'Atlantique. L'océan proto-Atlantique rétrécit au fur et à mesure que l'océan Pacifique grandissait. Actuellement, le Pacifique se rétrécit au fur et à mesure que l'Atlantique grandit. Ce cycle supercontinental est responsable de la plupart des caractéristiques géologiques que nous voyons et de bien d'autres qui ont disparu depuis longtemps.


CARTES : CONTOURS, PROFILS ET GRADIENT - Pages 45 à 58 de votre manuel de laboratoire

LIGNES HACHURÉES - Représentent des dépressions, des cratères volcaniques et des bassins. Le contour hachuré le plus à l'intérieur a l'élévation la plus basse, le contour hachuré le plus à l'extérieur a l'élévation la plus élevée.

RÈGLE DES « V » - Les lignes de contour forment un « V » lorsqu'elles traversent un ruisseau ou une rivière. La pointe du V pointe en montée les jambes du point "V" en descente.

Lignes de contour rapprochées = pente raide

Gradient - Les cartes topographiques ne sont pas seulement utilisées pour déterminer l'altitude, elles peuvent également être utilisées pour aider à visualiser la topographie. L'une des observations topographiques les plus élémentaires qui peut être faite est le gradient (ou pente) de la surface du sol.

Des gradients élevés (ou raides) se produisent dans les zones où il y a un grand changement d'altitude sur une courte distance. Les pentes faibles (ou douces) se produisent là où il y a peu de changement d'altitude sur la même distance.

Le gradient est simplement la montée sur la piste ou la pente (changement de y (élévation) divisé par le changement de x (distance)). Le gradient est égal au changement d'altitude divisé par la distance horizontale.

Comme la plupart des rivières sont curvilignes, nous ne pouvons pas utiliser directement la règle pour mesurer leurs longueurs. Au lieu de cela, nous devons faire un pas supplémentaire, c'est-à-dire que nous devons utiliser une ficelle et poser soigneusement la ficelle le long des lignes courbes tracées par la rivière. Une fois que nous avons obtenu cette longueur sur la corde, nous allons mesurer cette longueur par rapport à la règle. Alors seulement, nous aurons mesuré la vraie longueur le long des lignes de courbure de la rivière.

Relief - Une propriété importante d'un paysage est son relief : la différence d'élévation entre le point le plus haut et le point le plus bas

Pour la carte ci-dessous, étiqueter tous les contours indiquer la direction dans laquelle les débits du cours d'eau calculer la pente moyenne le long du cours d'eau entre les points A et B calculer le relief maximum et minimum sur la carte, et donner les élévations possibles pour les points D, E et F Les lignes pointillées sont des flux.

L'échelle est un pouce = 5 miles. Le ci. est de 50 pieds. L'altitude du point C est de 774 pieds.

Étiquetez les contours - Déterminez d'abord où coule le ruisseau (règle des V), afin que vous puissiez voir où se trouvent les contours haut et bas.

Direction de l'écoulement du ruisseau - L'eau coule en descendant, en regardant la carte (les V), nous pouvons voir que le ruisseau coule vers le nord.

Gradient entre les points A et B = 11,85 pieds par mile (voir les calculs ci-dessous). J'ai utilisé votre manuel de labo pour mesurer la longueur de la rivière.

Pour la carte ci-dessous, étiqueter tous les contours indiquer la direction dans laquelle les débits du cours d'eau calculer la pente moyenne le long du cours d'eau entre les points A et B calculer le relief maximum et minimum sur la carte, et donner les élévations possibles pour les points D, E et F Les lignes pointillées sont des flux.

L'échelle est 1 = 50 000. Le ci. est de 100 pieds. L'élévation du point C est de 546 pieds.

Étiquetez les contours - Déterminez d'abord où coule le ruisseau (règle des V), afin que vous puissiez voir où se trouvent les contours haut et bas.

Direction de l'écoulement du ruisseau - L'eau coule en descendant, en regardant la carte (les V), nous pouvons voir que le ruisseau coule vers le nord.

Gradient entre les points A et B = 266,67 pieds par mile (voir les calculs ci-dessous). J'ai utilisé votre manuel de labo pour mesurer la longueur de la rivière.

Pour la carte ci-dessous, étiquetez tous les contours, indiquez la direction dans laquelle les débits du cours d'eau, calculez la pente moyenne le long du cours d'eau entre les points A et B, calculez le relief maximum et minimum sur la carte, et donnez les élévations possibles pour les points D, E et F. Les lignes pointillées sont des ruisseaux.

La longueur de la barre d'échelle est de 2000 pieds. Le ci. est de 25 pieds. L'altitude du point C est de 467 pieds.

Étiquetez les contours - Déterminez d'abord où coule le ruisseau (règle des V), afin que vous puissiez voir où se trouvent les contours haut et bas.

Direction de l'écoulement du ruisseau - L'eau coule en descendant, en regardant la carte (les V) nous pouvons voir que le ruisseau coule vers le sud.

Gradient entre les points A et B = 37,5 pieds par mile (voir les calculs ci-dessous). J'ai utilisé votre manuel de laboratoire pour mesurer la barre d'échelle et la longueur de la rivière.

Pour la carte ci-dessous, étiqueter tous les contours tracer un profil le long de la ligne AB sur la grille prévue sous la carte indiquer la direction dans laquelle les débits du cours d'eau déterminer l'exagération verticale du profil calculer la pente moyenne le long du cours d'eau entre les points M et N calculer le relief maximal de la zone de la carte. Notez l'échelle d'un pouce fournie pour le profil. Les lignes pointillées sont des flux.

Échelle horizontale 1 = 62 500. Le ci. est de 50 pieds. L'altitude du point X est de 727 pieds.

Étiquetez les contours - Déterminez d'abord où coulent les ruisseaux (règle des V), afin que vous puissiez voir où se trouvent les contours haut et bas.

Tracez un profil le long de la ligne A-B - À partir de chaque point où une ligne de contour est touchée par la ligne A-B, tracez une ligne perpendiculaire sur le profil (assurez-vous que la ligne est droite et à exactement 90 degrés des lignes de profil). Voir le graphique complété ci-dessous.

Direction de l'écoulement du ruisseau - L'eau coule en descendant, en regardant la carte (les Vs), nous pouvons voir que le ruisseau de gauche coule vers le nord-est et le ruisseau de droite coule vers le sud-ouest.

Exagération verticale du profil - En plongeant l'échelle horizontale par l'échelle verticale (mesures du bot dans les mêmes unités), on voit que le VE = 52,08 (voir calculs ci-dessous).

Gradient entre les points M et N = 62,5 pieds par mile (voir les calculs ci-dessous). J'ai utilisé votre manuel de labo pour mesurer la longueur de la rivière.

Relief maximum - Prenez le point le plus haut possible environ 850' et soustrayez le point le plus bas possible environ 500'. 850' - 500' = 350'. Le relief maximum est juste inférieur à : 150'

Pour la carte ci-dessous, étiqueter tous les contours tracer un profil le long de la ligne AB sur la grille prévue sous la carte indiquer la direction dans laquelle les débits du cours d'eau déterminer l'exagération verticale du profil calculer la pente moyenne le long du cours d'eau entre les points M et N calculer le relief maximal de la zone de la carte. Notez l'échelle d'un pouce fournie pour le profil. Les lignes pointillées sont des flux.

Échelle horizontale 1 = 62 500. Le ci. est de 20 pieds. L'altitude du point X est de 623 pieds.

Étiquetez les contours - Déterminez d'abord où coulent les ruisseaux (règle des V), afin que vous puissiez voir où se trouvent les contours haut et bas.

Tracez un profil le long de la ligne A-B - À partir de chaque point où une ligne de contour est touchée par la ligne A-B, tracez une ligne perpendiculaire sur le profil (assurez-vous que la ligne est droite et à exactement 90 degrés des lignes de profil). Voir le graphique complété ci-dessous.

Direction du débit du ruisseau - L'eau coule en descendant, en regardant la carte (les V), nous pouvons voir que les deux ruisseaux coulent vers le sud.

Exagération verticale du profil - En plongeant l'échelle horizontale par l'échelle verticale (mesures bot dans les mêmes unités). VE = 65,1 (faites les calculs et voyez si vous pouvez obtenir le même nombre).

Gradient entre les points M et N = 11,58 pieds par mile (faites les calculs et voyez si vous pouvez obtenir le même nombre). J'ai utilisé votre manuel de labo pour mesurer la longueur de la rivière.

Soulagement maximum - Le soulagement maximum est juste inférieur à : 120' (faites les calculs et voyez si vous pouvez obtenir le même nombre).


Scénario de l'évolution du système terrestre - Changer la vie

Vous trouverez ci-dessous des intrigues conçues par Cheryl Mosier, enseignante en sciences de la Terre au lycée Columbine à Littleton, Colorado.

  1. Le changement au cours du temps a produit la Terre, le résultat net de la constance, des changements graduels et des changements épisodiques sur les échelles de temps et d'espace humaines, géologiques et astronomiques.
  2. Les sphères fluides du système terrestre comprennent l'hydrosphère, l'atmosphère et la cryosphère, qui interagissent et s'écoulent pour produire des conditions météorologiques, un climat, des glaciers, des paysages marins et des ressources en eau en constante évolution. Ceux-ci affectent les communautés humaines, façonnent la terre, transfèrent des matériaux et de l'énergie terrestres et modifient les environnements de surface et les écosystèmes. Les risques naturels associés aux processus et événements de la Terre comprennent la sécheresse, les inondations, les tempêtes, l'activité volcanique, les tremblements de terre et le changement climatique. Ils présentent des risques pour les humains, leurs biens et leurs communautés. Les sciences de la Terre sont utilisées pour étudier, prévoir et atténuer les risques naturels afin que nous puissions évaluer les risques, planifier judicieusement et nous adapter aux effets des risques naturels.
  3. Les environnements et les écosystèmes dynamiques sont produits par l'interaction de toutes les géosphères à la surface de la Terre et comprennent de nombreux environnements, écosystèmes et communautés différents qui s'affectent les uns les autres et changent au fil du temps.
  4. Afin de maintenir la présence et la qualité de la vie humaine, les humains et les communautés doivent comprendre leur dépendance à l'égard des ressources et des environnements de la Terre, comprendre comment ils influencent les systèmes terrestres, apprécier la capacité de charge de la Terre, gérer et conserver les ressources et les environnements non renouvelables, développer des sources d'énergie alternatives et les matériaux nécessaires à la subsistance humaine, et inventer de nouvelles technologies.

Activité 1 – Le climat actuel dans votre communauté

Activité 2 – Paléoclimats

Activité 3 – Comment les variations orbitales de la Terre affectent-elles le climat ?

Activité 4 – Comment la tectonique des plaques et les courants océaniques affectent-ils le climat mondial ?

Activité 5 – Comment les concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère affectent-elles le climat mondial ?

Activité 6 – Comment le réchauffement climatique pourrait-il affecter votre communauté ?


Comment les ouragans changent la surface de la Terre

Grâce au GPS par satellite, les géologues peuvent mesurer les changements à la surface de la Terre sur de vastes zones et dans le temps. Le système est utilisé pour mesurer les mouvements tectoniques lents, comme le fluage de grandes failles. Lundi, le Nevada Geodetic Laboratory a publié une carte montrant comment les points de surveillance GPS autour de Houston ont subi un mouvement vertical de près de 0,8 pouce en une journée.

Tweet du géophysicien Chris Milliner montrant le mouvement du sol autour de Houston, le 4 septembre 2017.

Les stations situées à la fois sur des sols alluviaux (sédiments mous déposés par les rivières) et sur des affleurements rocheux ont montré les mêmes vitesses de mouvement. Il est donc peu probable que la saturation en eau du sol et le compactage par les inondations survenues à Houston puissent à elles seules expliquer les déplacements. Selon les experts, il est plus probable que le modèle de mouvement observé ait été causé par le poids de toute l'eau inondant Houston.

L'ouragan Harvey a provoqué des pluies torrentielles et a poussé de la mer 25 à 33 000 milliards de gallons d'eau, équivalant à une masse de 275 000 milliards de livres, vers les régions côtières. La masse ajoutée était suffisante pour pousser la surface de la Terre vers le bas. En géologie, cet effet est connu sous le nom d'isostasie. Comme les couches inférieures de la croûte terrestre ne sont pas rigides, mais ductiles, elles réagissent aux changements de répartition des masses à la surface par une flexion locale. L'ajout de masse fera couler le sol. Retirer à nouveau la masse provoquera un rebond et un soulèvement.

L'ouragan Harvey près de la côte du Texas a atteint un pic d'intensité tard le 25 août 2017. Source et . [+] Crédit : RAMMB/CIRA SLIDER, Image dans le domaine public.

Selon certaines recherches préliminaires publiées en 2013, les ouragans peuvent déplacer suffisamment de masse et modifier le champ de contrainte tectonique local, augmentant ainsi le risque de petits tremblements de terre. Après l'ouragan Irene qui a frappé la Virginie en 2011, d'autres petits tremblements de terre ont été enregistrés dans la région. Une semaine plus tôt, un tremblement de terre de 5,8 a été ressenti dans l'est des États-Unis et le sud-est du Canada, parmi les événements les plus importants survenus dans cette région au cours du siècle dernier. Le séisme de 5,8 a peut-être rompu diverses failles plus petites dans la région. Comme les changements de pression d'air causés par Irma ont mis un stress supplémentaire sur les défauts activés, ils ont glissé plus facilement, déclenchant des répliques mineures.

Les ouragans peuvent également être détectés avec des sismomètres, utilisés dans la détection des tremblements de terre. Mardi, lorsque l'ouragan Irma est devenu une tempête de catégorie 5, le bruit produit par les vents rapides de 175 mph et les vagues frappant la côte, a été capté par des sismomètres sur la Guadeloupe, une île du sud de la mer des Caraïbes.

Tweet du sismologue Stephen Hicks montrant l' approche de l' ouragan Irma dans le sismomètre . [+] enregistrements de Guadeloupe, 5 septembre 2017.

Porto Rico et les îles Vierges américaines ont déclaré l'état d'urgence en raison de cette tempête imminente.


5.8 : La surface changeante de la Terre - Géosciences

Circulation et tourbillon

1. Conservation du moment angulaire absolu

La vitesse linéaire tangentielle d'un colis sur un corps en rotation est liée à la vitesse angulaire du corps par la relation

(1)

Si l'équation (1) est appliquée à un point sur la terre en rotation, w est la vitesse angulaire de la terre et r est la distance radiale à l'axe de rotation, r = R cos où R est le rayon de la terre et est la latitude. [1]

Le moment angulaire est défini comme Vr et, en l'absence de couples, le moment angulaire absolu (c'est-à-dire le moment angulaire par rapport à un observateur stationnaire dans l'espace) est conservé

(2)

où Ve est la vitesse tangentielle de la surface terrestre.

L'équation (2) indique que le moment angulaire absolu d'une parcelle d'air est la somme du moment angulaire transmis à la parcelle d'air par la surface rotative de la terre et du moment angulaire dû au mouvement de la parcelle d'air par rapport à la surface rotative. de la terre (où l'indice r pour « par rapport à la terre » est supprimé.

(3)

Une parcelle d'air au repos par rapport à la surface de la terre à l'équateur dans la haute troposphère se déplace vers le nord jusqu'à 30N en raison de la circulation des cellules de Hadley. En supposant que le moment angulaire absolu soit conservé, quelle vitesse tangentielle le colis d'air posséderait-il par rapport à la terre en atteignant 30N ?

(1)

Notez que w est positif si la rotation est dans le sens antihoraire par rapport au pôle Nord. Ainsi, V est positif si le vecteur de mouvement zonal est orienté d'ouest en est.

(2)

Résoudre pour VF, la vitesse tangentielle par rapport à la terre à la latitude finale.

(3)

r = distance radiale à l'axe de rotation = (4)

(5)

où est la vitesse angulaire de la terre, 7,292 X10 -5 s -1 .

Remplacez (5) par (3) et simplifiez en insérant le V initialje = 0 et en se rappelant que le rayon moyen de la terre est de 6378 km on obtient

De toute évidence, bien que de telles vitesses de vent ne soient pas observées à 30N dans la haute troposphère, cet exercice prouve qu'il devrait y avoir une ceinture de vents rapides dans la haute troposphère sans rapport avec les considérations baroclines (c'est-à-dire le vent thermique) et uniquement liée à la conservation de moment angulaire. Dans l'atmosphère réelle, de telles vitesses ne sont pas observées (les vitesses des jets subtropicaux sont de l'ordre de 200 km/h) à cause des effets de viscosité/frottement.

La circulation est la mesure macroscopique du « tourbillon » dans un fluide. C'est une mesure précise du débit moyen de fluide le long d'une courbe fermée donnée. Mathématiquement, la circulation est donnée par

(4)

est le vecteur de position. En coordonnées naturelles, . Pour un écoulement purement horizontal, l'équation (4) se réduit à

(5)

(6)

Pour une colonne d'air de section circulaire r 2 tournant avec une vitesse angulaire constante w , où V = w r, la distance s est donnée par la circonférence 2 r, la circulation V s est donnée par

(7a)

(7b)

Notez que le "quotomega" dans les équations (7a et b) représente la vitesse angulaire de la parcelle d'air par rapport à un axe perpendiculaire à la surface de la terre.

Les équations (3) et (7a) nous disent que la circulation est directement proportionnelle au moment cinétique. La définition fondamentale du tourbillon est (2 w) , c'est-à-dire deux fois la vitesse angulaire locale. Ainsi, le réarrangement (7a) montre que la circulation par unité de surface est le tourbillon, et est directement proportionnelle à (mais pas la même que) la vitesse angulaire du fluide. La vorticité est donc la mesure microscopique du tourbillon et la mesure vectorielle de la tendance de l'élément fluide à tourner autour d'un axe passant par son centre de masse.

Au pôle Nord, une colonne d'air avec une section transversale circulaire au repos par rapport à la surface de la terre aurait une circulation par rapport à un observateur stationnaire dans l'espace en raison de la rotation de la terre autour de la verticale locale, équation (7c) .

(7c)

(7d)

Ainsi, la circulation communiquée à une colonne d'air par la rotation de la terre est juste le paramètre de Coriolis multiplié par la surface de la colonne d'air. La division des deux côtés par la zone montre que le paramètre de Coriolis n'est que le "tourbillon de la Terre".

Un observateur dans l'espace notera que la circulation totale ou absolue subie par la colonne d'air est due à la circulation imprimée à la colonne par la surface rotative de la terre ET à la circulation que la colonne possède par rapport à la terre.

Ainsi, en divisant (8) par la surface de la colonne d'air donne

(9)

qui stipule que le tourbillon absolu est le tourbillon relatif plus le tourbillon terrestre (paramètre de Coriolis).

Puisque la circulation est proportionnelle au moment angulaire, cela signifie que la circulation absolue et le tourbillon absolu sont analogues au moment angulaire. Puisque, en l'absence de couples, le moment cinétique absolu est conservé, alors on peut affirmer qu'en l'absence de couples

(10)

Bien sûr, bien que cela puisse être vrai aux échelles synoptique et macroscopique, cette hypothèse échoue, comme nous le verrons, en général. Elle permet pourtant de faire quelques observations utiles sur le comportement de l'atmosphère.

Par exemple, supposons qu'une colonne d'air soit au repos par rapport à la surface de la terre au pôle nord. Conceptuellement, quelle circulation relative se développerait (le cas échéant) si cette colonne d'air se déplaçait vers l'équateur ?

1. Une colonne d'air au repos par rapport à la surface de la terre à l'équateur a un rayon de 100 km. Cette colonne d'air se déplace vers le pôle Nord. Déterminez (a) quelle circulation relative, le cas échéant, la colonne d'air se développera, et (b) quelle serait la vitesse tangentielle (en km/h) qui se développerait à la périphérie de la colonne d'air à son arrivée au pôle Nord. Supposons qu'il n'y a pas de couples réels et que la surface de la colonne d'air ne change pas.

2. Une colonne d'air initialement au repos par rapport à la surface de la terre à 60N se dilate jusqu'au double de sa surface d'origine en raison de la divergence horizontale. Quelle vitesse tangentielle par rapport à la terre (en km/h) va se développer à la périphérie de la colonne d'air.

(11)

et qu'en coordonnées naturelles les composantes du vent sont V et w les composantes du vecteur de position sont ds et dz, la circulation absolue peut s'écrire

(12)

Le changement de circulation absolue (en supposant que ds et dz ne changent pas) serait donné par

(13)

Pour un écoulement sans friction et non incurvé, les équations du mouvement en coordonnées naturelles sont

(14)

Supposons que le modèle de pression ne change pas (ce n'est pas une bonne hypothèse pour des périodes de plus d'une heure environ). Rappelons également que les surfaces de g sont parallèles aux contours de z et que l'évaluation de l'intégrale de ligne de gdz donnera 0. Ensuite, la substitution de (14) en (10) et la collection de termes donnent

(15)

où dp est la variation de pression le long du circuit considéré. Le terme à droite du signe égal est connu sous le nom de terme solénoïde. Un solénoïde est la figure trapézoïdale créée si les isobares et les isopycniques se croisent. A pression donnée, la densité est inversement proportionnelle à la température. Par conséquent, un solénoïde est la figure trapézoïdale créée si les isobares et les isothermes se croisent.

L'équation (15) stipule que la circulation ne se développera (augmentera ou diminuera) que lorsque les isothermes sont inclinés par rapport aux isobares (appelé état « barocline »). Lorsque les isothermes sont parallèles aux isobares (appelé état « barotrope »), aucun développement de circulation ne peut se produire. (Rappelez-vous, nous supposons qu'il n'y a pas de couples de friction.)

4. Théorème de la circulation de Bjerkenes

En prenant la dérivée temporelle de (8), la résolution de la circulation relative après substitution de l'équation (15) donne

(16)

qui est connu sous le nom de théorème de circulation de Bjerkenes. L'équation (16) répond à la question importante, comment se développe la circulation par rapport à la surface de la terre ? Le terme solénoïde est très important près des fronts, des interfaces de brise marine, des limites d'écoulement, des stries de jet, etc., toutes caractéristiques à l'échelle méso-échelle ou à l'échelle synoptique bas de gamme. Pour la plupart des caractéristiques synoptiques et macroscopiques, le terme solénoïde peut être négligé par ordre de grandeur. Cependant, le théorème de la circulation de Bjerknes exclut toujours la circulation (et les changements de tourbillon) dus à l'inclinaison.

5. Équation de tourbillon simplifiée

D'après les discussions ci-dessus, la circulation absolue peut être définie comme

(1)

où z est le tourbillon absolu

Prendre la dérivée temporelle des deux côtés

(2)

(3)

Appliquer la définition fondamentale de la divergence

(4)

L'équation (4) est l'équation simplifiée du tourbillon. Il indique que le changement de tourbillon absolu (proportionnel à la vitesse angulaire absolue) subi par une parcelle d'air est dû à la divergence ou à la convergence. Ceci est analogue au principe de conservation du moment cinétique absolu appliqué à un niveau microscopique. C'est l'effet dit « danseur de ballet » appliqué à une parcelle fluide. N'oubliez pas que (4) est simplifié. Elle ne s'applique que dans des circonstances extrêmement restrictives. Près des fronts, des limites de brise de mer, des limites d'écoulement, etc., l'équation (4) ne fonctionnera pas, car elle ne contient pas les effets solénoïdes discutés en classe.

L'équation (4) peut également être dérivée directement en obtenant la courbe de l'équation du mouvement et en effectuant une mise à l'échelle synoptique (dans laquelle les termes d'inclinaison, d'étirement et de solénoïde sont supprimés par ordre de grandeur) et une mise à l'échelle synoptique est effectuée.

L'équation (4) peut être étendue en utilisant la définition de la dérivée lagrangienne/totale de l'équation simplifiée du tourbillon.

(4a,b,c)

où 4(b) et 4(c) sont les versions en coordonnées rectangulaires et naturelles, respectivement.

Étant donné que les vitesses verticales sont petites par rapport aux vitesses horizontales et que le gradient vertical du tourbillon absolu est d'un à deux ordres de grandeur plus petit que les gradients horizontaux du tourbillon absolu, le dernier terme à droite de 4(b) et 4(c) peut être négligée sur une base d'ordre de grandeur.

L'équation de vorticité simplifiée résultante (souvent appelée équation de vorticité barotrope) en coordonnées naturelles peut être réécrite comme suit :

(5)

L'équation (4a) indique que les parcelles d'air subissent des changements de tourbillon en raison de la divergence/convergence (à l'échelle synoptique). Mais l'équation (5) est une version de l'équation qui nous permet de relier les modèles d'advection de vorticité aux modèles de divergence et de convergence, si les arguments d'échelle synoptique avancés ci-dessus sont valides.

[1] Le symbole w est également utilisé pour désigner la vitesse verticale dans le système de coordonnées x, y, p.


La formation de Sion

Aperçu

Il y a plus de 250 millions d'années, les caractéristiques géologiques étonnantes de Sion se sont formées. Une fois que la zone était couverte par une faible étendue d'eau, d'énormes rivières ont fini par se frayer un chemin à travers le paysage. Plus tard, il a été laissé l'un des plus grands déserts de la terre. Les dunes de sable de ce désert sont devenues les falaises à couper le souffle de 2 000 pieds du parc national de Zion. Le parc abrite désormais certaines des vues sur les canyons les plus pittoresques du pays. Dans un rayon de seulement 229 milles carrés, se trouvent d'énormes plateaux couverts de pins et de genévriers, d'étroits canyons de grès, la rivière Virgin et de nombreux suintements, sources et cascades.

Le plateau du Colorado

Le parc national de Zion est situé le long du plateau du Colorado, une vaste région surélevée qui s'étend du centre de l'Utah au nord de l'Arizona, et comprend une partie du Colorado et du Nouveau-Mexique. Sur une période de millions d'années, les couches rocheuses de cette région se sont soulevées, inclinées et érodées, exposant une série de falaises colorées appelées le Grand Escalier. Cet « escalier » présente un enregistrement spectaculaire de l'histoire de la Terre depuis près de 2 milliards d'années jusqu'à la période géologique la plus récente. Les couches rocheuses du Grand Canyon, de Zion et de Bryce Canyons enregistrent les événements géologiques séquentiels de cette région avec une clarté remarquable.

Sédimentation

Sion était un bassin relativement plat près du niveau de la mer il y a 240 millions d'années. Les montagnes voisines ont érodé le sable, le gravier et la boue, et les ruisseaux ont transporté ces matériaux dans le bassin, où ils se sont déposés en couches.

Le poids de ces couches a fait couler le bassin et la surface supérieure est restée proche du niveau de la mer. Au fur et à mesure que la terre montait et descendait avec le changement climatique, l'environnement fluctuait des plaines côtières aux mers peu profondes en passant par un désert de sable soufflé par le vent. Ce processus, appelé sédimentation, s'est poursuivi jusqu'à ce que plus de 10 000 pieds de matériau s'accumulent.

Lithification

Les eaux chargées de minéraux filtrèrent lentement à travers les couches de sédiments compactées. Travaillant comme agents de cimentation, l'oxyde de fer, le carbonate de calcium et la silice ont transformé les couches en pierre sur de longues périodes de temps. Les anciens fonds marins se sont transformés en calcaire, la boue et l'argile sont devenues des mudstones et du schiste, et le sable du désert s'est transformé en grès. Comme chaque couche provenait d'une source distincte, chacune est maintenant différente en épaisseur, couleur, teneur en minéraux et apparence générale.

Soulèvement

Lentement, des forces profondément ancrées dans la terre ont poussé la surface vers le haut dans un processus appelé soulèvement. C'était une poussée verticale qui forçait d'énormes blocs de la croûte vers le haut. Ainsi, l'altitude de Sion est passée du niveau proche du niveau de la mer à 10 000 pieds au-dessus du niveau de la mer. Ce soulèvement est toujours en cours : en 1992, un séisme de magnitude 5,8 a provoqué un glissement de terrain visible juste à l'extérieur de l'entrée sud du parc à Springdale.

Érosion

/> Le soulèvement a donné aux cours d'eau une plus grande force de coupe alors qu'ils se frayaient un chemin vers la mer. L'emplacement de Sion le long du bord ouest du soulèvement a fait chuter rapidement les ruisseaux du plateau. En creusant les couches rocheuses, ils emportaient avec eux des sédiments et de gros rochers, formant des canyons profonds et étroits. Depuis le début du soulèvement, la fourche nord de la rivière Virgin a emporté plusieurs milliers de pieds de roches qui se trouvaient autrefois au-dessus des couches les plus hautes visibles aujourd'hui.

La rivière Virgin trace toujours son chemin. Un glissement de terrain a jadis endigué la rivière Virgin, formant un lac. Au fur et à mesure que les sédiments se sont déposés au fond des eaux calmes, la rivière s'est rompue et le lac s'est vidé. Ce qui restait était une vallée à fond plat. Ce changement peut être observé depuis la route panoramique au sud du Zion Lodge, près du Sentinel Slide. Le glissement était de nouveau actif en 1995, endommageant la route. Les crues éclair ont également joué un rôle clé dans la formation du parc. Ceux-ci se produisent lorsque des orages soudains déversent de l'eau sur la roche exposée, et avec peu de sol pour absorber l'humidité, l'eau s'écoule en descendant, accumulant du volume à mesure qu'elle se déplace. Ces crues souvent spontanées peuvent multiplier par plus de 100 le débit d'eau. En 1998, une crue soudaine a augmenté le volume de la rivière Virgin de 200 pieds cubes par seconde à 4 500 pieds cubes par seconde, endommageant à nouveau la route panoramique du Sentinel Slide.


Géosciences au Texas

Les géosciences sont l'étude de la Terre et des processus géologiques, marins, atmosphériques et hydrologiques complexes qui soutiennent la vie et l'économie. Comprendre la surface et le sous-sol de la Terre, ses ressources, son histoire et ses dangers nous permet de développer des solutions aux défis économiques, environnementaux, sanitaires et sécuritaires critiques.

Votre source nationale d'informations géoscientifiques

Bureau de géologie économique du Texas

Main-d'œuvre au Texas

  • 54 266 employés géoscientifiques (hors travailleurs indépendants) en 2017 1
  • 107 652 $ : salaire médian moyen des employés en géoscience 1
  • 39 départements universitaires de géosciences 2

Utilisation de l'eau au Texas

  • 7,2 milliards de gallons/jour : prélèvement total d'eau souterraine 3
  • 14,1 milliards de gallons/jour : prélèvement total d'eau de surface 3
  • 2,89 milliards de gallons/jour : prélèvement d'eau d'approvisionnement public 3
  • 5,49 milliards de gallons/jour : prélèvement d'eau pour l'irrigation 3
  • 323 millions de gallons/jour : prélèvement d'eau douce industrielle 3
  • 95% de la population est desservie par l'approvisionnement public en eau 3

Énergie et minéraux au Texas

  • 5,22 milliards de dollars : valeur de la production minérale non combustible en 2017 4
  • Pierre (concassé), ciment (portland), sable et gravier (construction) : les trois principaux minéraux non combustibles par ordre de valeur produits en 2017 4
  • 39 millions de tonnes courtes : charbon produit en 2016 5
  • 6,83 billions de pieds cubes : gaz naturel produit en 2017 5
  • 1,28 milliard de barils : pétrole brut produit en 2017 5
  • 67,1 millions de mégawattheures : éolien produit en 2017 5

Risques naturels au Texas

  • 254 déclarations de catastrophes au total, dont 154 incendies, 36 inondations et 20 ouragans (1953-2017) 6
  • 1,47 milliard de dollars : subventions d'aide individuelle (2005-2017) 6
  • 1,66 milliard de dollars : subventions d'atténuation (2005-2017) 6
  • 1,95 milliard de dollars : subventions de préparation (2005-2017) 6
  • 3,73 milliards de dollars : subventions d'aide publique (2005-2017)⁶
  • 99 événements météorologiques et/ou climatiques, chacun avec des coûts dépassant 1 milliard de dollars (ajusté en fonction de l'inflation) (1980-2017) 7

Service géologique des États-Unis (USGS)

  • 1,15 milliard de dollars : budget total de l'USGS pour l'exercice 2018 (augmentation de 5,8 % par rapport à l'exercice 2017) 8
  • Le programme national coopératif de cartographie géologique finance des projets de cartographie géologique avec des partenaires fédéraux (FEDMAP), étatiques (STATEMAP) et universitaires (EDMAP)
  • 2,62 millions de dollars : financement Texas STATEMAP (1993-2016) 9
  • 4 universités du Texas, dont l'Université du Texas à Austin et la Texas Tech University, ont participé à EDMAP 9
  • Les jauges de l'USGS collectent des données en temps réel ou récentes sur les débits, les eaux souterraines et la qualité de l'eau dans tout le Texas

Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA)

  • 20,7 milliards de dollars : budget total de la NASA pour l'exercice 2018 (augmentation de 5,5 % par rapport à l'exercice 2017) 10
  • 1,9 milliard de dollars : budget total de la NASA pour les sciences de la Terre au cours de l'exercice 2018 (0 % de variation par rapport à l'exercice 2017) 10
  • Les satellites GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) mesurent les changements des eaux souterraines au Texas
  • Le satellite Soil Moisture Active Passive (SMAP) mesure l'humidité du sol au Texas

Administration nationale des océans et de l'atmosphère (NOAA)

  • 5,9 milliards de dollars : budget total de la NOAA pour l'exercice 2018 (augmentation de 4,1 % par rapport à l'exercice 2017) 11
  • Next-generation geostationary (GOES) and polar orbiting (JPSS) satellites provide weather forecasting over Texas
  • Deep Space Climate Observatory (DISCOVR) satellite monitors radiation and air quality over Texas
  • 71 National Weather Service Automated Surface Observing Systems (ASOS) stations in Texas 12
  • 634 National Weather Service Cooperative Observer Program (COOP) sites in Texas 12

National Science Foundation (NSF)

  • $7.8 billion: total NSF budget in FY 2018 (4% increase from FY 2017) 13
  • $1.4 billion: total NSF Geosciences Directorate (GEO) awards in FY 2017 (7.2% increase from FY 2016) 14
  • 133 NSF GEO awards in Texas totaling $70.2 million in 2017 14
  • $9.7 million: NSF GEO grants awarded to the University of Texas at Austin in 2017 14

U.S. Environmental Protection Agency (EPA)

  • $8.1 billion: total EPA budget in FY 2018 (0% change from FY 2017) 15
  • 55 active Superfund sites in Texas in 2018 16
  • $59.6 million: Drinking Water State Revolving Fund (DWSRF) grants in Texas in 2017 17

Federal Facilities in Texas

  • USGS Texas Water Science Center, Austin
  • NOAA Center for Atmospheric Sciences, El Paso
  • NASA Johnson Space Center, Houston
  • USDA ARS Conservation and Production Research Laboratory, Bushland

Les références

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Les références

Clancy, K. B. H., et al. (2014), Survey of Academic Field Experiences (SAFE): Trainees report harassment and assault, PLoS ONE, 9(7), e102172, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0102172.

John, C. M., and S. B. Khan (2018), Mental health in the field, Nat. Geosci., 11, 618–620, https://doi.org/10.1038/s41561-018-0219-0.

Marín-Spiotta, E., et al. (2020), Hostile climates are barriers to diversifying the geosciences, Av. Geosci., 53, 117–127, https://doi.org/10.5194/adgeo-53-117-2020.

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2018), Sexual Harassment of Women: Climate, Culture, and Consequences in Academic Sciences, Engineering, and Medicine, 312 pp., Natl. Acad. Press, Washington, D.C., https://doi.org/10.17226/24994.

Author Information

Alice F. Hill, University of Colorado Boulder now at New Zealand National Institute of Water and Atmospheric Research/Taihoro Nukurangi, Auckland and Mylène Jacquemart, Anne U. Gold, and Kristy F. Tiampo ( [email protected] ), University of Colorado Boulder


The tiny pieces of plastic that we throw away every year are forming a new layer of sedentary rock across the planet - just another sign of our careless attitude to waste.

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More than 20 years since they went overboard in a storm, thousands of plastic ducks - part of a Chinese shipment of bath toys destined for the US - are still washing up on the world's shores. Once yellow, now bleached white, the toys have become a boon for oceanographers who have been tracking them to learn more about ocean currents. Thousands are still expected to make it to shore intact but many will have a much longer legacy.

Plastic is becoming part of the world's geology. Researchers at the University of Western Ontario and the Algalita Marine Research Institute in California say they've discovered a completely new type of rock, formed when discarded plastic softens and combines with volcanic rock, sea shells, sand and corals.

Camp fires on beaches form a particularly dense variety, but any discarded plastic will do: examples found by the team derived from fishing nets, piping, bottle caps and rubber tyres. The plastic becomes incorporated into rock mainly in the form of 'confetti': tiny particles formed as larger items break down. The result is analogous to sedimentary rock such as limestone, says Patricia Corcoran of Western University: "the plastics I see as grains of sediment . because they move on a beach in the same way, comtrolled by wind and water."

Much of the plastic isn't even visible. "Basically, there are probably more microplastics out there than there are larger particles - we just can't see them," says Corcoran. "So, do plastics break down to the point where they don't exist? No. they've been shown to exist in a form that is a monomer, so they do still go on, so there is a process of organisms ingesting these microplastics."

Some of these particles come from the most surprising places - who'd have thought, for example, that body scrubs could be damaging the planet? But, in the US, there's now a move to ban the type that uses tiny plastic microbeads - already outlawed in Illinois, and with New York considering following suit. Incredibly, a single tube of facial scrub can contain as many as 330,000 beads, which aren't removed by standard sewage treatment systems.

In 1997, it was estimated that a staggering 5.8 million tonnes of waste was reaching the oceans every year and in 2005, the United Nations Environment Program (UNEP) concluded that there were over 13,000 pieces of plastic litter floating on every square kilometre of ocean. The amount is rising, with Ocean Conservancy predicting that 'peak plastic' won't occur until the next century.

Many people have heard of the Great Pacific Garbage Patch what's less well known is the fact that this is only one of five rotating ocean currents, known as gyres, all of which are collecting massive quantities of floating plastic - as many as 30,000 pieces per square kilometre. Earlier this month, an expedition by the Ocean Research Project set off from California for Japan, using a high-speed trawl net to gather samples of these ocean plastics in an attempt to quantify the problem.

"The media likes to sensationalise stories, and at some point five or six years ago some media outlet came up with the story of an island of trash, and the concept went viral," says the project's Matt Rutherford. "The truth is there is no island of trash in any ocean. If that was the case the problem would be much easier to solve. If the trash was all in one place we could just go there and clean it up. The reality is much worse than the fairy tale: the ocean is full of plastic trash, microplastics."

Ideas for cleaning up this mess are never short on the ground. The latest, devised by nineteen-year-old Dutch student Boyan Slat, involves a device anchored to the sea bed with a number of V-shaped arms, which take advantage of natural ocean currents to catch pollution at the surface while allowing living organisms to slip under the floating barriers. The idea has been hailed by some as miraculous. But, says Stiv Wilson, policy director of the ocean conservation nonprofit 5Gyres, it's offering false hope - just like all the others that have preceded it.

"I find debating with gyre cleanup advocates akin to trying to reason with someone who will argue with a signpost and take the wrong way home. Gyre cleanup is a false prophet hailing from La-La land that won’t work – and it’s dangerous and counter productive to a movement trying in earnest stop the flow of plastic into the oceans," he writes. "Every time a gyre cleanup proponent has shown me a design for addressing the problem, the first thing I ask is, 'do you have the money to make 20 million of those doo-hickies?' They look at me with a puzzled look, and I just mutter, 'The ocean is really, really, really, big'."

Nor is recycling the answer. In North America, the annual 'consumption' of plastic is over 148kg per head. And the vast majority of this can only be recycled once, before heading for landfill - where, like plastiglomerate, it will remain for thousands of years.

Plastic is by no means the only 'anthropogenic' marker showing man's impact on the planet - others include raised methane concentrations in ice cores and improved fertility in soils. It is, though, one of the most enduring - and may one day be one of the most obviously visible to archaeologists. As Kelly Jazvac, assistant professor of visual arts at Western University says, "People are putting their imprint on the earth in a way that can't be changed - it's irrevocable it's permanent."


Geology and History

The gentle slope of Mauna Loa as seen from the flanks of Mauna Kea to the north. Younger lava flows appear dark on the volcano's flank, and clouds rest in the eastern saddle between the two volcanoes. (Public domain.)

Mauna Loa's large summit caldera (Moku‘āweoweo) measures 6 by 2.5 km (2.8 by 1.6 mi), including the summit collapse pits, and is elongated in a northeast-southwest orientation. The caldera floor is about 180 m (590 ft) below the summit on the western rim (top right). (Credit: Gaddis, Ben. Public domain.)

Mauna Loa is the largest active volcano on Earth. It dominates the Island of Hawai‘i, covering just over half the island. It has a surface area of about 5,100 km 2 (1900 mi 2 ) and a submarine area that is even more massive. Mauna Loa is in the shield-building stage of Hawaiian volcanism, a period when the volcanoes grow most rapidly, adding as much as 95 percent of their ultimate volume. Scientists calculate Mauna Loa's volume to be at least 75,000 km 3 (18,000 mi 3 ). The volcano's earliest lava flows erupted onto the seafloor and submarine flanks of adjacent Hualālai or Mauna Kea volcanoes between about 0.6 and 1 million years ago. It likely emerged above sea level about 300,000 years ago, and it has grown rapidly upward since then.

When describing the location of eruptions and lava flows on Mauna Loa, scientists refer to five broad areas on the volcano. The summit area is that part of the volcano above the 3,660-m (12,000 ft) elevation, includes Moku‘āweoweo Caldera and the uppermost parts of the two rift zones. Below that elevation are the northeast and southwest rift zones, and the southeast and north and west flanks. Geologists have mapped at least 33 radial vents on the north and west sectors of the volcano, which signifies lava can erupt from these sectors of the volcano in addition to the rift zones and summit area.

Map of Mauna Loa's activity over the past

Map showing the subaerial extents of historical lava flows from Mauna Loa. Lava flow hazard zones and districts of the County of Hawai‘i are also depicted. (Credit: K. Mulliken, HVO. Public domain.)

Recent lava flows spread alternately from the summit area and rift zones.

Aerial view by the Naval Air Service of the 1933 Mauna Loa eruption from a fissure across the rim and floor of Moku‘āweoweo Crater. (Public domain.)

Detailed geologic mapping and dating of lava flows above sea level have shown that about 90 percent of Mauna Loa's surface is covered with flows erupted within the past 4,000 years. Hundreds of lava flows were erupted during this time, but they did not cover the volcano evenly. By tracing the flows back to their vents and knowing their ages based on radiocarbon dating, geologists have recognized a general pattern in the frequency of lava flows spreading from the summit area and the rift zones during the past few thousand years.

Vent locations for these recent flows have generally alternated twice between the summit area and the rift zones, with each period lasting many centuries. Since 1200 CE, roughly the past 700 years, eruptions occurred primarily from vents located on Mauna Loa's rift zones. Before about 700 years ago back to 200 BCE, lava was erupted primarily from the summit area onto the west, north, and east flanks of the volcano with flows reaching the sea. Summit derived activity lasted for 10 centuries! The decline in summit-derived flows and increase in rift zone activity was likely related to the formation of Moku‘āweoweo Caldera due to collapse of the summit—lava flows erupted within the caldera were trapped, unable to overflow the caldera rim.

To construct a geologic map of this area, USGS Hawaiian Volcano Observatory geologists initially used lava flow type, rock colors, and relative stratigraphic positions to distinguish between individual lava flows, and then relied on laboratory analyses and age-dates of the flows to refine their field mapping. USGS photo. (Public domain.)

The cause of the transition from summit-dominated lava flows to prolonged eruption of flows from the rift zones is not known. It was probably related to significant change in the volcano's magma supply or reservoir plumbing system, the advent of explosive activity, and/or flank instability.

High cliffs of Kealakekua Bay (west side Hawai‘i Island) formed as a result of a large Mauna Loa landslide (‘Ālika 2). View to east-southeast of Kealakekua Bay State Historic Park. (Public domain.)

Large landslides dissected Mauna Loa during its rapid growth

The submarine flanks of Mauna Loa and adjacent seafloor are mantled by several enormous landslide deposits that significantly altered the shape of the volcano. Two of the youngest and largest landslides occurred from a source area on the west flank of the volcano that includes Kealakekua Bay—the ‘Ālika 1 and 2 landslides. The ‘Ālika 1 slide moved directly west about 80 km (50 mi) down the steep submarine slope and produced a broad hummocky deposit on the seafloor. The younger ‘Ālika 2 slide also moved west for a short distance, then turned northwest because it was diverted by the ‘Ālika 1 deposit the second landslide also traveled a distance of about 100 km (60 mi). The ‘Ālika 2 landslide may have produced a giant tsunami that swept Lāna‘i about 105,000 years ago. Upslope of Kealakekua Bay, a zone of unusually steep slopes is interpreted by geologists as buried faults, the head land of one or both landslides that subsequently were covered by lava flows.

Landslides have also occurred from the volcano's southwestern flank. The South Kona landslide occurred after about 250,000 years ago, which corresponds to the approximate time when Mauna Loa emerged above sea level. Landslides and faulting helped shape the southern embayment of the coast and steep west-facing scarp of the submerged Southwest Rift Zone.

The older or original suggested location of this rift is shown with a blue dashed line. Black arrows show one possibility for the westward migration of the Nīnole Hills rift to the location of Mauna Loa's current Southwest Rift Zone (yellow dashed line). The South Kona Slump and ‘Ālika-1 and ‘Ālika-2 landslides are shown off the west coast of the island. (Public domain.)

Nīnole Hills – old flows mark the site of abandoned rift zone

The Nīnole Hills are steep-sided and heavily vegetated flat-topped ridges located on the southeastern flank of Mauna Loa. Age dating and chemical analysis of lava flows exposed in Nīnole Hills indicates they were erupted about 125,000 years ago from Mauna Loa. In 2013, a detailed gravity survey of the area identified an elongate gravity high, which suggests a concentration of intrusive rocks associated with a rift zone. Geologists now interpret the Nīnole Hills as part of the volcano's original southern rift zone, which was later abandoned as a new rift zone formed to the west. The "hills" subsequently formed as erosion carved deep canyons and valleys into the old flows. Geologists infer that the large landslides from Mauna Loa's western and southern flanks caused the rift to migrate westward to the present location of the Southwest Rift Zone.

Mauna Loa has an explosive history

Mauna Loa is not known to have produced an explosive eruption since 1843, but there is geologic evidence for some explosive activity in the past 1,000 to 300 years. Geologists have identified at least 4 debris fans comprised of fragmented rock deposits on top of pāhoehoe lava flows that spread from the summit. The largest blocks found in these deposits are as large as 2.2 m (7.2 ft) in diameter and weigh more than 17,000 kg (38,000 lbs). The fine-grained fragments typical of explosive deposits are hard to find, and were probably removed by storms, rain and strong winds that frequently sweep across the summit. Geologists estimate that the 4 sites represent three separate explosive eruptions. This evidence suggests that future explosive eruptions in the summit area are possible.

Block ejected from the summit of Mauna Loa volcano less than 1,000 years ago. (Public domain.)


Voir la vidéo: La dérive des continents et lhistoire climatique de la Terre - Yves Godderis 3 février 2009