Atmosphère terrestre

Latmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse, entourant la Terre, que l'on appelle air. L'air sec se compose à 78,087 % de diazote, à 20,95 % de dioxygène, à 0,93 % d'argon, à 0,041 % de dioxyde de carbone, et de traces d'autres gaz. L'atmosphère protège la vie sur Terre en filtrant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant partiellement les écarts de température entre le jour et la nuit.

Les nuages, parfois liquides, parfois solides, ne sont pas considérés comme des constituants de l'atmosphère. En revanche, la vapeur d'eau contenue dans l'air humide représente, en moyenne, 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère. La vapeur d'eau possède la particularité notable d'être le seul fluide de l'atmosphère terrestre susceptible de changer rapidement de phase (solide, liquide, gaz), essentiellement en fonction de la température, et dont la concentration est très variable dans le temps et dans l'espace. La chaleur a tendance à faire monter l'air et son humidité, alors que la pression atmosphérique et la  diminuent avec l'altitude dans la troposphère.

Description 
Il n'y a pas de limite précise entre l'atmosphère et l'espace, car elle devient de plus en plus ténue avant de s’évanouir, dans l'espace, de manière continue. Cependant, à partir de l'observation de la variation de la densité des gaz terrestres, on peut établir que l'épaisseur de l'atmosphère terrestre varie entre  (selon l'activité solaire), l'épaisseur moyenne étant d'environ . Cette limite correspond à la frontière entre thermosphère et exosphère.

La littérature scientifique fait mention d'autres définitions de la limite de l'atmosphère terrestre selon différents paramètres. Par exemple,  : seuil en dessous duquel se trouve 99 % de la masse de l'atmosphère ;  : base de l'ionosphère ;  : limite à partir de laquelle la densité des gaz n'est plus distinguable de celle issue des vents solaires ;  : limite de l'exosphère.

La ligne de Kármán, à , est considérée comme la frontière entre l'atmosphère et l'espace par la Fédération aéronautique internationale.

L'altitude de  marque la limite où les effets atmosphériques deviennent notables durant la rentrée atmosphérique de tout objet solide.

La limite entre l'atmosphère terrestre et l'atmosphère solaire n'est pas définie précisément : la limite externe de l'atmosphère correspond à la distance où les molécules de gaz atmosphérique ne subissent presque plus l'attraction terrestre et les interactions de son champ magnétique. Ces conditions se vérifient à une altitude qui varie avec la latitude - environ  au-dessus de l'équateur, et  au-dessus des pôles. Ces valeurs ne sont toutefois qu'indicatives : le champ magnétique terrestre, en effet, est continuellement déformé par le vent solaire. L'épaisseur de l'atmosphère varie donc notablement. En outre, comme l'eau des océans, l'atmosphère subit l'influence de la  et les interférences gravitationnelles de la Lune et du Soleil. Comme les molécules de gaz, plus légères et moins liées entre elles que les molécules de l'eau de mer, ont de grandes possibilités de mouvement, les marées atmosphériques sont des phénomènes beaucoup plus considérables que les marées océaniques.

La plus grande partie de la masse atmosphérique est proche de la surface : l'air se raréfie en altitude et la pression diminue ; celle-ci peut être mesurée au moyen d'un altimètre ou d'un baromètre.

L'atmosphère est responsable d'un effet de serre qui réchauffe la surface de la Terre. Sans elle, la température moyenne sur Terre serait de , contre  actuellement. Cet effet de serre découle des propriétés des gaz vis-à-vis des ondes électromagnétiques.

Composition chimique détaillée 

Elle a beaucoup varié selon les époques.

Les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés, l'atmosphère n'est pas homogène, tant par sa composition que par ses caractéristiques physiques. La concentration des composants minoritaires, et en particulier les polluants, est très hétérogène sur la surface du globe, car des sources d'émission très locales existent, soit liées à l'activité humaine (usines, air intérieur ou extérieur) soit à des processus naturels (géothermie, décomposition de matières organiques).

Principaux constituants 
Au niveau de la mer, l'air sec est principalement composé de 78,1 % de diazote, 20,9 % de dioxygène. Le 1 % restant est dominé par 0,93 % d'argon et 0,04 % de dioxyde de carbone. Il comporte aussi des traces d'autres éléments chimiques, les gaz mineurs, dont la proportion varie avec l'altitude. Ceux-ci constituent moins de 0,03 % de l'atmosphère. Ce sont en majorité les gaz rares : néon, hélium, krypton, xénon et radon. Parmi ces constituants, les gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote et l'ozone.

D'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière (apportées par exemple par la Couche d'air saharien), le pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries. De très nombreux aérosols d'origine naturelle ou anthropique sont aussi présents dans l'air, ainsi que des polluants. Ce sont notamment le CO (contrairement à une idée reçue, le  n'est pas un polluant de l'air mais un gaz à effet de serre qui a peu d'effet direct sur la santé), les matières particulaires, les oxydes d'azote, le chlore (élémentaire ou surtout composés), le fluor (composés), le mercure et le soufre (en composé tel que le SO2). Les régions agricoles sont aussi sources de méthane (fermentation des lisiers, rizières), de pesticides (plus ou moins solubles dans l'air ou dans l'humidité de l'air selon leur tension de vapeur), d'azote (issu des engrais). Fusées et avions polluent aussi l'atmosphère par la combustion de leur carburant.

Évolution du taux de  

La concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère a oscillé entre  entre  dans le passé et le début de la révolution industrielle, ces valeurs minimales et maximales correspondant respectivement aux périodes glaciaires et interglaciaires. Depuis, principalement en raison de la combustion de grandes quantités de carbone fossile, la concentration en  dans l’atmosphère augmente régulièrement, elle atteint  en 2023. La concentration de  augmenterait actuellement cent fois plus rapidement qu'à la sortie du dernier âge glaciaire il y a , avec une variation d'environ  par an contre environ  () de moyenne à l'époque.

Des concentrations supérieures à l'actuelle ont certainement existé il y a environ cinquante millions d'années ; cependant, d'après ce qui a pu être déterminé, la variation annuelle n'a jamais dans l'histoire récente atteint le niveau actuel.

En mai 2013, l'observatoire du Mauna Loa à Hawaï annonce que la teneur atmosphérique en  a franchi, sur ce site, le cap symbolique des  ( de moyenne relevé le ), niveau le plus élevé depuis  de mesures en ce lieu et certainement depuis deux à trois millions d'années, c'est-à-dire depuis le Pliocène. Il est important de noter que des concentrations supérieures ont déjà été mesurées par le passé, mais en d'autres lieux, par exemple en avril 2012, au Canada, en Norvège (début 2013), en Équateur et aux îles Canaries, ainsi que par les mesures indépendantes de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (en Arctique en 2012 par exemple) et du Scripps Institution of Oceanography (seuil aussi franchi le 10 mai 2013 pour ces deux derniers). Les spécialistes estiment que l'hémisphère sud devrait franchir ce cap symbolique courant 2014, différence de quelques mois qui serait en partie liée au fait que les gaz à effet de serre sont majoritairement émis au nord de l'équateur. Par ailleurs, à cause des fluctuations saisonnières principalement dues à la végétation, des pics sont atteints en mai et en automne alors que le niveau diminue légèrement en été ; en conséquence, le niveau annuel moyen actuel reste légèrement en deçà de ce seuil symbolique, autour de  (taux moyen entre septembre 2012 et septembre 2013, période durant laquelle le niveau a varié entre ), mais le seuil devrait être franchi à toute date de l'année entre 2015 et 2016. Aucun niveau inférieur à  n'a été mesuré à Hawaï depuis octobre 1988.

La fraction molaire en dioxyde de carbone s'élève, en janvier 2017, à , soit  alors qu'en 1998, elle n'était que de .

Historique des mesures
 Pliocène ( d'années) : ,  (moyenne de 400 ppm)
 Stage 11 () : 
 avant la révolution industrielle (avant le ) : 
 1958 : 315 ppm
 1974 : 330 ppm
 2001 : 370 ppm
 juin 2005 : 382 ppm
 2013 : 395 ppm
 2015 : 400 ppm
 2020 : 415 ppm

Structure thermique verticale de l'atmosphère 

L'atmosphère est divisée en plusieurs couches d'importance variable : leurs limites ont été fixées selon les discontinuités dans les variations de la température, en fonction de l'altitude. 

De bas en haut :

 la troposphère la température décroît avec l'altitude (de la surface du globe à 8- d'altitude) ; l'épaisseur de cette couche varie entre  à l'équateur, mais entre  aux pôles. Elle contient  de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents) ;
 la stratosphère  la température croît avec l'altitude jusqu'à  (de  d'altitude à  d'altitude) ; elle abrite une bonne partie de la couche d'ozone ;
 la mésosphère  la température décroît avec l'altitude (de  d'altitude à  d'altitude) jusqu'à  ;
 la thermosphère  la température croît avec l'altitude (de  d'altitude à de  d'altitude) ;
 l'exosphère  de  d'altitude à  d'altitude.

Troposphère 
La troposphère (du mot grec τρέπω signifiant « changement ») est la partie la plus basse de l'atmosphère ; elle commence à la surface et s'étend entre  aux pôles et de  à l'équateur, avec des variations dues aux conditions climatiques. Le mélange vertical de la troposphère est assuré par le réchauffement solaire. Ce réchauffement rend l'air moins dense, ce qui le fait remonter. Quand l'air monte, la pression au-dessus de lui décroît, par conséquent, il s'étend, s'opposant à la pression de l'air environnant. Or, pour s'étendre, de l'énergie est nécessaire, donc la température et la masse de l'air décroissent. Comme la température diminue, la vapeur d'eau dans la masse d'air peut se condenser ou se solidifier, relâchant la chaleur latente permettant une nouvelle élévation de la masse d'air. Ce processus détermine le gradient maximal de baisse de la température avec l'altitude, appelé gradient thermique adiabatique. La troposphère contient grossièrement 80 % de la masse totale de l'atmosphère. 50 % de la masse de l'atmosphère se trouvent en dessous d'environ  d'altitude.

À noter que la partie la plus basse de la Troposphère est aussi appelée Peplos. Cette couche qui trouve sa limite vers  est aussi qualifiée de couche sale en raison de son taux d'impureté très important (aérosol ou nucléus) qui sont des noyaux auxquels viennent se former les gouttes d'eau dans le cas d'un air ayant atteint 100 % d'humidité relative. Cette couche se termine par la péplopause. La présence de cette couche sale explique la quasi-absence d'air sur-saturé dans la couche supérieure de la troposphère.

 Tropopause  La tropopause est la frontière entre la troposphère et la stratosphère.

Couche d'ozone 

Bien que faisant partie de la stratosphère, la couche d'ozone est considérée comme une couche en soi parce que sa composition chimique et physique est différente de celle de la stratosphère. L'ozone (O3) de la stratosphère terrestre est créé par les ultraviolets frappant les molécules de dioxygène (O2), les séparant en deux atomes distincts ; ce dernier se combine ensuite avec une molécule de dioxygène (O2) pour former l'ozone (O3). L'O3 est instable (bien que, dans la stratosphère, sa durée de vie est plus longue) et quand les ultraviolets le frappent, ils le séparent en O2 et en O. Ce processus continu s'appelle le cycle ozone-oxygène. Il se produit dans la couche d'ozone, une région comprise entre 10 et  au-dessus de la surface. Près de 90 % de l'ozone de l'atmosphère se trouve dans la stratosphère. Les concentrations d'ozone sont plus élevées entre  d'altitude, où elle est de .

Stratosphère 
La stratosphère s'étend de la tropopause, entre  et environ . La température y augmente avec l'altitude. La stratosphère contient la majeure partie de la couche d'ozone.

 Stratopause  La stratopause est la limite entre la stratosphère et la mésosphère. Elle se situe vers  d'altitude. La pression représente environ  de la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Mésosphère 
La mésosphère (du mot grec μέσος signifiant « milieu ») s'étend de  à environ . La température décroît à nouveau avec l'altitude, atteignant  () dans la haute mésosphère. C'est dans la mésosphère que la plupart des météoroïdes se consument en entrant dans l'atmosphère. C'est aussi cette même couche qui peut dévier les bolides rasants et affecter leurs caractéristiques (masse, orbite) comme cela a été observé lors de l'évènement du 13 octobre 1990.

 Mésopause  La température minimale se rencontre à la mésopause, frontière entre la mésosphère et la thermosphère. C'est le lieu le plus froid de la Terre, avec une température de  ().

Thermosphère 
La thermosphère est la couche atmosphérique commençant vers  et allant jusqu'à  d'altitude, la température y augmente avec l'altitude. Bien que la température puisse atteindre les , un individu ne la ressentirait pas à cause de la très faible pression. La station spatiale internationale orbite dans cette couche à une altitude maintenue autour de . Comme description moyenne le modèle MSIS-86 est recommandé par le .

 Thermopause  La thermopause est la limite supérieure de la thermosphère. Elle varie entre  d'altitude.

Ionosphère 
L'ionosphère, la partie de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires, s'étire de  et se constitue de trois couches :
 La couche D () ;
 La couche E () ;
 La couche F () qui chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère. Elle joue un rôle important dans l'électricité atmosphérique et forme le bord intérieur de la magnétosphère. Grâce à ses particules chargées, elle a une importance pratique car elle influence, par exemple, la propagation des ondes radio sur la Terre. Elle est le lieu où se déroulent les aurores et les phénomènes lumineux transitoires liés aux orages.

Exosphère 

L'exosphère commence avec l'exobase, qui est aussi connue comme le « niveau critique », vers 500– et s'étire jusqu'à plus de  d'altitude. Elle contient des particules circulant librement et qui migrent ou proviennent de la magnétosphère ou du vent solaire.

Pression et épaisseur 

La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, est de  ; la masse atmosphérique totale est de .

La pression atmosphérique est le résultat direct du poids total de l'air se trouvant au-dessus du point où la pression est mesurée. La pression de l'air varie en fonction du lieu et du temps, car la quantité et le poids d'air varient suivant les mêmes paramètres. Toutefois, la masse moyenne au-dessus d'un mètre carré de la surface terrestre peut être calculée à partir de la masse totale de l'air et la superficie de la Terre. La masse totale de l'air est de  et la superficie de  soit 510 072 giga mètres carrés. Par conséquent . Ceci est environ 2,5 % inférieur à l'unité standardisée officielle de  représentant , ce qui correspond à la pression moyenne, non pas au niveau de la mer seul, mais à la base de l'atmosphère à partir de l'élévation moyenne du sol terrestre et du niveau de la mer.

Si la densité de l'atmosphère restait constante avec l'altitude, l'atmosphère se terminerait brusquement vers  d'altitude. La densité décroît avec l'altitude, ayant déjà diminué de 50 % dès . En comparaison, la plus haute montagne, l'Everest, atteint les  d'altitude, donc l'air est moins de 50 % moins dense à son sommet qu'au niveau de la mer.

Cette chute de pression est presque exponentielle, ainsi la pression diminue de moitié environ tous les  et de 63,2 %  tous les  (hauteur d'échelle moyenne de l'atmosphère terrestre en dessous de ). Même dans l'exosphère, l'atmosphère est encore présente, comme on peut le constater par la traînée subie par les satellites.

Les équations de pression par altitude peuvent être utilisées afin d'estimer l'épaisseur de l'atmosphère. Les données suivantes sont données pour référence :
 50 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de  d'altitude ;
 90 % de la masse de l'atmosphère est en dessous de  d'altitude. L'altitude courante des transports aériens commerciaux est de  et le sommet de l'Everest est à  au-dessus du niveau de la mer. Dans la région supérieure, où les gaz sont raréfiés, se produisent des aurores et d'autres effets atmosphériques. Le vol le plus élevé de l'avion X-15 a atteint, en 1963, une altitude de .

Densité et masse 

La masse volumique de l'air au niveau de la mer est d'environ  (). Les variations naturelles de la pression atmosphérique se produisent à chaque altitude et à chaque changement de temps. Ces variations sont relativement faibles dans les altitudes habitées, mais elles deviennent plus prononcées dans l'atmosphère supérieure puis dans l'espace à cause des variations des radiations solaires.

La densité atmosphérique décroît avec l'altitude. Cette variation peut être modélisée par la formule du nivellement barométrique. Des modèles plus sophistiqués sont utilisés par les météorologues et les agences spatiales pour prédire le temps et l'abaissement progressif de l'orbite des satellites.

D'après le , la « masse totale de l'atmosphère est de  avec une variation annuelle due à la vapeur d'eau de  en fonction de l'utilisation des données sur la pression de surface et la vapeur d'eau. La masse moyenne de la vapeur d'eau est estimée à  et la masse de l'air sec est de  ». Les nuages (liquides parfois solides) ne sont pas pris en compte dans la masse moyenne de la vapeur d'eau.

Opacité 

Les radiations solaires (ou rayonnement solaire) correspondent à l'énergie que reçoit la Terre du Soleil. La Terre réémet aussi des radiations vers l'espace, mais sur des longueurs d'onde plus importantes invisibles à l'œil humain. Suivant les conditions, l'atmosphère peut empêcher les radiations d'entrer dans l'atmosphère ou d'en sortir. Parmi les exemples les plus importants de ces effets il y a les nuages et l'effet de serre.

Diffusion des ondes 

Quand la lumière traverse l'atmosphère, les photons interagissent avec elle à travers la diffusion des ondes. Si la lumière n'interagit pas avec l'atmosphère, c'est la radiation directe et cela correspond au fait de regarder directement le soleil. Les radiations indirectes concernent la lumière qui est diffusée dans l'atmosphère. Par exemple, lors d'un jour couvert, quand les ombres ne sont pas visibles, il n'y a pas de radiations directes pour la projeter, la lumière a été diffusée. Un autre exemple, dû à un phénomène appelé la diffusion Rayleigh, les longueurs d'onde les plus courtes (bleu) se diffusent plus aisément que les longueurs d'onde les plus longues (rouge). C'est pourquoi le ciel parait bleu car la lumière bleue est diffusée. C'est aussi la raison pour laquelle les couchers de soleil sont rouges. Parce que le soleil est proche de l'horizon, les rayons solaires traversent plus d'atmosphère que la normale avant d'atteindre l'œil par conséquent toute la lumière bleue a été diffusée, ne laissant que le rouge lors du soleil couchant.

Absorption optique 

L'absorption optique est une autre propriété importante de l'atmosphère. Différentes molécules absorbent différentes longueurs d'onde de radiations. Par exemple, l'O2 et l'O3 absorbent presque toutes les longueurs d'onde inférieures à . L'eau (H2O) absorbe la plupart des longueurs d'onde au-dessus de , mais cela dépend de la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Quand une molécule absorbe un photon, cela accroît son énergie.

Quand les spectres d'absorption des gaz de l'atmosphère sont combinés, il reste des « fenêtres » de faible opacité, autorisant le passage de certaines bandes lumineuses. La fenêtre optique va d'environ  (ultraviolet-C) jusqu'aux longueurs d'onde que les humains peuvent voir, la lumière visible (communément appelé lumière), à environ  et continue jusqu'aux infrarouges vers environ . Il y a aussi des fenêtres atmosphériques et radios qui transmettent certaines ondes infrarouges et radio sur des longueurs d'onde plus importantes. Par exemple, la fenêtre radio s'étend sur des longueurs d'onde allant de un centimètre à environ onze mètres. Le graphe ci-dessus représente 1-T (exprimé en %) (où T est la transmittance).

Émission 

L'émission est l'opposé de l'absorption, quand un objet émet des radiations. Les objets tendent à émettre certaines quantités de longueurs d'onde suivant les courbes d'émission de leur « corps noir », par conséquent des objets plus chauds tendent à émettre plus de radiations sur des longueurs d'onde plus courtes. Les objets froids émettent moins de radiations sur des longueurs d'onde plus longues. Par exemple, le Soleil est approximativement à  (), ses pics de radiation approchent les  et sont visibles par l'œil humain. La Terre est approximativement à  (), par conséquent ses pics de radiations approchent les  (), ce qui est trop long pour que l'œil humain ne les perçoive.

À cause de sa température, l'atmosphère émet des radiations infrarouges. Par exemple, lors des nuits où le ciel est dégagé la surface de la Terre se rafraîchit plus rapidement que les nuits où le ciel est couvert. Ceci est dû au fait que les nuages () sont d'importants absorbeurs et émetteurs de radiations infrarouges.

L'effet de serre est directement lié à l'absorption et à l'émission. Certains composants chimiques de l'atmosphère absorbent et émettent des radiations infrarouges, mais n'interagissent pas avec la lumière visible. Des exemples communs de ces composants sont le  et l'). S'il y a trop de ces gaz à effet de serre, la lumière du soleil chauffe la surface de la Terre, mais les gaz bloquent les radiations infrarouges lors de leur renvoi vers l'espace. Ce déséquilibre fait que la Terre se réchauffe, entrainant ainsi des changements climatiques.

Circulation 

La circulation atmosphérique est le mouvement à l'échelle planétaire de la couche d'air entourant la Terre qui redistribue la chaleur provenant du Soleil en conjonction avec la circulation océanique. En effet, comme la Terre est un sphéroïde, la radiation solaire incidente au sol varie entre un maximum aux régions faisant face directement au Soleil, situé selon les saisons plus ou moins loin de l'équateur, et un minimum à celles très inclinées par rapport à ce dernier proches des Pôles. La radiation réémise par le sol est liée à la quantité d'énergie reçue.

Il s'ensuit un réchauffement différentiel entre les deux régions. Le déséquilibre ainsi créé a pour conséquence des différences de pression, qui sont à l'origine des circulations atmosphériques. Celle-ci, combinée aux courants marins, est le moyen qui permet de redistribuer la chaleur sur la surface de la Terre. Les détails de la circulation atmosphérique varient continuellement, mais la structure de base reste assez constante.

Phénomènes optiques 
La composition de l'atmosphère terrestre la rend relativement transparente aux rayonnements électromagnétiques dans le domaine du spectre visible. Elle est cependant relativement opaque aux rayonnements infrarouges émis par le sol, ce qui est à l'origine de l'effet de serre. Il s'y produit aussi différents phénomènes optiques causés par des variations continues ou non de l'indice de réfraction du milieu de propagation des ondes électromagnétiques.

Parmi ces phénomènes, les plus notables sont les arcs-en-ciel et les mirages.

La couleur du ciel diurne, quant à elle, est due à la variation de la diffusion du rayonnement solaire en fonction de la longueur d'onde. Des couleurs inhabituelles s'observent cependant lors des aurores polaires (aurores boréales ou australes), qui résultent de l'interaction entre les particules du vent solaire et la haute atmosphère.

Évolution

Historique 
Les premières mesures de l'atmosphère se sont déroulées au sol, en plaine puis au sommet des montagnes.

Le , le beau-frère de Blaise Pascal, Florin Périer, constate au Puy de Dôme que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude prouvant ainsi la pesanteur de l'air.

Au , le progrès scientifique permet de faire des mesures depuis des ballons puis des ballons-sondes permettant de découvrir l'existence de la stratosphère en 1899.

Actuellement, les engins spatiaux permettent d'accéder au-delà de l'atmosphère.

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Bibliographie

Filmographie 
 À la découverte de l'atmosphère terrestre, film de Herb Saperstone, Jeulin, Évreux, 2006, 35 min (DVD et brochure)

Articles connexes

Liens externes 

 Site explicatif et vidéo, sur alertes-meteo.com.
 Qu'est-ce que l'atmosphère ?, une animation de la Fondation polaire internationale, sur educapoles.org.

Climatologie
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