Chap. 11 LA STRUCTURE DE L`ATMOSPHERE

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Chap. 11 LA STRUCTURE DE L’ATMOSPHERE
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Déterminer les différentes composantes de l’atmosphère ainsi que leur organisation ;
Déterminer les éléments constitutifs de l’atmosphère ;
Relever les caractères de chacune des composantes.
INTRODUCTION
La météorologie est la science qui étudie l'atmosphère terrestre. Elle a pour objet d’en
connaître les états pour comprendre les phénomènes qui s’y déroulent afin de décrire le temps
qu’il fait et de prédire le temps qu’il fera. La météorologie observe et étudie les 30 premiers
kilomètres de l’atmosphère en contact avec la surface de la Terre : la troposphère et la
stratosphère inférieure.
Quant à l’atmosphère, elle est un mélange de gaz et de particules qui enveloppe tout corps
céleste (la Terre, par exemple) possédant un champ de gravitation1 suffisamment fort pour les
empêcher de s’échapper. L’atmosphère est donc constituée d’air2.
Informations générales
Épaisseur
800 km
Pression atmosphérique
1,013 bar
Masse
5.1480×1018 kg
L’atmosphère a une composition précise et une organisation verticale caractéristique.
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La gravitation est un phénomène d'attraction mutuelle entre les corps matériels, dépendant de leur masse et du
carré de leur distance. Cette interaction est inhérente aux masses de ces corps. Le terme de gravité est parfois
utilisé comme synonyme.
Cependant, il ne se réfère précisément qu'à la force d'interaction gravitationnelle entre la Terre et les corps placés
à proximité. Dans ce cas, on parle également de pesanteur. La gravitation est l'une des quatre forces d'interaction
fondamentales de la matière ; les autres sont les interactions nucléaires fortes et faibles, et la force d'interaction
électromagnétique (voir physique). Les tentatives d'unification de ces forces dans une seule théorie n'ont pas
encore abouti (voir champs unifiée, théorie des). Il en va de même pour les tentatives de détection des ondes
gravitationnelles, dont l'existence est suggérée par la théorie de la relativité. Ces ondes pourraient être observées
en perturbant le champ gravitationnel d'un corps très massif de l'Univers.
La loi de la gravitation, formulée pour la première fois en 1684 par le physicien anglais sir Isaac Newton, stipule
que l'attraction gravitationnelle entre deux corps est directement proportionnelle au produit des masses des deux
corps, et inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant. La loi s'exprime sous forme algébrique
m1m2
F=G
d²
Où F représente la force de gravitation, m1 et m2 les masses respectives des deux corps, d la distance entre les
corps et G, la constante gravitationnelle. La valeur de cette constante a été mesurée pour la première fois par le
physicien britannique Henry Cavendish, en 1798, avec une balance de torsion. La meilleure valeur actuelle pour
cette constante est 6,67.10-11 N.m2.kg-2. Ainsi, si on considère deux corps sphériques de 1 kg, séparés d'1 m
(distance mesurée entre les deux centres), la force de gravitation s'exerçant entre ces deux corps est de 6,67.1011 N. Cette force est très faible : elle est égale au poids, mesuré à la surface terrestre, d'un objet ayant une masse
d'environ (1/150).10-9 kg.
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L’air est un fluide gazeux qui constitue l’atmosphère. L’air est un mélange gazeux inodore et incolore sur une
faible épaisseur. Sur des volumes plus grands, il devient bleu à cause du phénomène de diffraction de la lumière
par les atomes qui le constituent. Sa pression dans l’atmosphère a été pour la première fois évaluée par Torricelli
en 1643 : au niveau de la mer, une colonne de mercure de 76 cm de haut est équilibrée par celle-ci. Par la
présence de l'oxygène et des constituants mineurs, l’air est responsable des phénomènes de corrosion (oxydation
et hydratation de certains métaux) et aussi de l’entretien de la combustion.
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I- UNE COMPOSITION DOMINEE PAR TROIS GAZ
Composition de l'atmosphère « sèche »3
de 390 ppmv (0,0390 %)4
(en 2011)
Dioxyde
carbone (CO2)
ppmv: partie par million en volume
Gaz
Néon (Ne)
18,18 ppmv
Hélium (He)
5,24 ppmv
Méthane (CH4)
1,745 ppmv
Krypton (Kr)
1,14 ppmv
Volume
Diazote (N2)
780 840 ppmv(78,084 %)
Dioxygène (O2)
209 460 ppmv(20,946 %)
Argon (Ar)
9 340 ppmv(0,9340 %)
Dihydrogène (H2) 0,55 ppmv
À rajouter à l'atmosphère sèche :
Vapeur
d'eau (H2O)
de <1 % à
(très variable)
~4 %
Les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés.
L'air sec se compose de 78,08 % de diazote, 20,95 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,039 %
de dioxyde de carbone et des traces d'autres gaz. Les autres constituants étant présents en
quantités minimes, leur concentration est généralement exprimée en parties par million (ppm).
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, etc.) soit à des processus naturels
(géothermie, décomposition de matières organiques, etc.).
Les gaz à effet de serre majeurs sont la vapeur d'eau, le méthane, l'oxyde d'azote et l'ozone.
Les concentrations en dioxyde de carbone s'élèvent, en 20111, à 0,0390 %, soit 390 ppm alors
qu'en 1998, elle était de 345 ppm2.
D'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le
pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries.
De très nombreux polluants et aérosols d'origine industrielle, urbaine et agricole sont aussi
présents dans l'air. Ce sont notamment du CO, du CO2, des oxydes d'azote, du chlore
(élémentaire ou surtout composés), du fluor (composés), du mercure et du soufre (en composé
tel que le SO2). Les régions agricoles sont aussi sources de méthane (fermentation des lisiers,
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rizières), de pesticides (plus ou moins soluble 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
leurs trainées.
Ces gaz sont repartis en proportions variables dans les différentes couches de l’atmosphère.
II- STRUCTURE VERTICALE DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE
L’atmosphère3 terrestre s’étend sur une épaisseur de l’ordre de 10 000 km ; cependant, 99 p.
100 de sa masse se concentrent dans ses 25 à 30 premiers kilomètres, ce qui est infime en
comparaison du rayon terrestre (6 400 km). Elle est divisée en une succession de couches
sphériques concentriques, chacune d’entre elles étant définie par ses propriétés physiques
(température, pression, densité de l’air) sur une épaisseur caractéristique.
Le schéma issu du livre de la collection Nathan (4ème) résume les différentes couches de l'atmosphère terrestre
en fonction de la température. On constate aussi que plus on monte en altitude moins la pression qu'exercent les
gaz est forte.
3
Où se termine l'atmosphère ? Il est bien difficile d'en situer exactement les limites. En fonction des variations
que la température y subit, les météorologues partagent l'atmosphère en quatre couches qui sont, à partir du sol :
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A- La 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 7 et 8 km aux pôles (température de
– 40 °C) et de 13 à 16 km à l'équateur (température de – 80 °C), 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 densité de
l’air y étant élevée, la masse de cette couche représente environ 80
p. 100 de la masse totale de l’atmosphère, alors que son volume
constitue seulement 1,5 p. 100 du volume total de l’atmosphère. 50
% de la masse de l'atmosphère se trouvent en dessous d'environ 5,5
km d'altitude. Dans cette couche, le gradient thermique vertical est
négatif, de – 6,5 °C en moyenne pour 1 000 m de dénivellation. De
puissants vents (jet-stream) y circulent d’ouest en est aux latitudes
moyennes, entre 9 et 14 km d’altitude, avec des vitesses de l’ordre
de 200 à 500 km/h. Les lignes aériennes, qui se positionnent au
niveau de la tropopause ou légèrement au-dessus, utilisent
d’ailleurs ces vents afin de réduire leur temps de vol. Cette mince
couche gazeuse troposphérique, où se produisent les phénomènes
météorologiques (formation des nuages, mouvements des masses
d’air), joue un rôle essentiel sur Terre.
À noter que la partie la plus basse de la Troposphère est aussi
appelée Peplos. Cette couche qui trouve sa limite vers 3 km 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 quasiabsence d'air sursaturé dans la couche supérieur de la troposphère.

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 créée par les
ultraviolets frappant les molécules de dioxygène (O2), les séparant
en deux atomes distincts (de l'oxygène) ; ce dernier se combine
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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 50 km 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 20 et 40 km d'altitude, où elle est de 2 à 8 ppm.
B- La Stratosphère
Elle s’élève jusqu’à la stratopause (sa limite supérieure), à une altitude d’environ 50 km. La
température reste constante dans la stratosphère inférieure. Cependant, le phénomène
d’absorption de la couche d’ozone (aux environs de 20 à 30 km d’altitude), qui filtre les
rayons ultraviolets solaires nocifs à la vie, entraîne une augmentation de la température au
sein de la troposphère supérieure. Dans cette couche, le gradient thermique y est donc
globalement positif. Les réactions photochimiques induites par la présence de l'ozone
fournissent à l'air un apport de chaleur de sorte que la température augmente jusqu'à des
températures proches du zéro.
C- La mésosphère
La mésosphère, du mot grec μέσος signifiant « milieu », s'étend de 50 km à environ 80–
85 km. La température décroît à nouveau avec l'altitude, atteignant −100 °C (173,1 K) dans la
haute mésosphère. C'est aussi dans la mésosphère que la plupart des météorites brûlent en
entrant dans l'atmosphère.
D- La thermosphère
La thermosphère est la couche atmosphérique commençant vers 80–85 km et allant
jusqu'à 640 km d'altitude, la température y augmente avec l'altitude. Bien que la température
puisse atteindre les 1 500 °C, un individu ne la ressentirait pas à cause de la très faible
pression. Compte tenu des températures élevées qui y règnent (jusqu’à 1 200 °C au
maximum), cette couche est appelée thermosphère. La station spatiale internationale orbite
dans cette couche, entre 320 et 380 km d'altitude. Comme description moyenne le modèle
MSIS-866 est recommandé par le Committee on Space Research.

Ionosphère
L'ionosphère, la partie de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires, s'étire de 50
à 1 000 km et chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère. En effet, la propagation et
l’absorption du rayonnement solaire dans cette couche atmosphérique entraînent son
ionisation, la rendant ainsi conductrice (formation d’un plasma). Ce plasma, qui présente
notamment la propriété d’absorber et de réfléchir une partie des ondes radios émises depuis la
Terre, permet ainsi à des radiocommunications de s’effectuer sur de très longues distances. Ce
phénomène d’ionisation est également à l’origine des aurores polaires4.
4
Phénomène lumineux de la haute atmosphère, dû à l'interaction des molécules de gaz de cette dernière avec le
vent solaire. Les aurores polaires se produisent dans les régions polaires, au-dessus de 60° de latitude Nord ou
Sud. On les appelle alors respectivement aurore boréale et aurore australe.
Une aurore polaire a généralement la forme de traînées, draperies et autres voiles lumineux (monochromes ou
multicolores), animées de pulsations et de rapides dérives dans le ciel. Les phénomènes les plus intenses sont
accompagnés de perturbations du champ magnétique terrestre et d'interférences avec les signaux radiophoniques
et téléphoniques. Les périodes d'intensité maximale et minimale des aurores polaires coïncident avec le cycle des
taches solaires, sur une durée de onze ans (voir Soleil).
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Aurore polaire (Fairbanks, Alaska)
Les aurores polaires se forment dans la couche de la haute atmosphère appelée ionosphère, où les molécules
de gaz sont ionisées par le vent solaire. Cette spectaculaire aurore boréale, observée à Fairbanks en Alaska,
prend la forme de vagues colorées suivant les lignes du champ magnétique terrestre.
Jack Finch/Science Source/Photo Researchers, Inc.
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E- L’exosphère
La région située au-delà de l’ionosphère est appelée exosphère. Cette couche se prolonge
jusqu’à 10 000 km environ, représentant la limite ultime où l’atmosphère terrestre, devenue
extrêmement raréfiée en air, se dilue dans le vide de l’espace. C’est dans cette couche que
gravitent les satellites artificiels.
CONCLUSION
Au vu de ce qui précède, la troposphère est de loin la couche la plus importante de
l’atmosphère : elle est le siège de la circulation générale de l’atmosphère.