Atmosphère & Couches atmosphériques
CLIMATOLOGIE
L'atmosphère terrestre
L'atmosphère terrestre est la couche de gaz qui entoure notre planète et est indispensable à la vie. Elle nous fournit l'air que nous respirons, régule les températures pour maintenir un climat tempéré, et protège contre les rayonnements solaires dangereux. Sans elle, la Terre serait un monde aride et hostile, semblable à la Lune, avec des variations de température extrêmes entre le jour et la nuit et sans eau liquide.
Composition de l'atmosphère
Bien que les gaz soient continuellement brassés, l'atmosphère n'est pas homogène, tant par sa composition que par ses caractéristiques physiques. Au niveau de la mer, elle est constituée de 78,11 % d'azote, 20,953 % d'oxygène et de 0,934 % d'argon pour les gaz majeurs. Les gaz mineurs, dont la proportion varie avec l'altitude, sont principalement l'eau sous forme de vapeur, le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et l'ozone.
La plus grande partie de la masse atmosphérique se trouve 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 de l'effet de serre qui réchauffe la surface de la Terre. Sans elle, la température moyenne sur Terre serait de - 18 degrés Celsius, contre 15 °C actuellement. Cet effet de serre découle des propriétés des gaz vis-à-vis des ondes électromagnétiques.
Les différentes couches de l'atmosphère terrestre
L'atmosphère terrestre peut être divisée en cinq principales couches : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, la thermosphère et l'exosphère.
De façon générale, le climat terrestre dépend étroitement des effets qui existent entre la chaleur du Soleil et l'ensemble de l'atmosphère. La météorologie et la climatologie se concentrent principalement sur la couche la plus basse, la troposphère.
Ce sont ces événements qui constituent le temps ; ils comprennent les variations de température et d'humidité, le déplacement de l'air (vent) et l'état physique (solide, liquide ou gazeux) dans lequel se trouve l'eau atmosphérique.
La troposphère
La troposphère est la couche de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles. La frontière entre la troposphère et la stratosphère est appelée la tropopause.
La troposphère présente trois caractéristiques essentielles qui la distinguent des autres régions de l'atmosphère :
- C'est la couche la plus turbulente (d'où son nom) ;
- Le brassage assure une constance relative de la composition sur toute son épaisseur (on y trouve les trois quarts de la masse atmosphérique, pratiquement tous les corps solides en suspension et toute l'eau sous ses trois états) ;
- La température décroît rapidement, en moyenne de 0,6 °C par 100 mètres, avec l'altitude.
La pression atmosphérique
L'atmosphère est une masse constituée d'un mélange de gaz et de particules solides en suspension qui, en raison de la pesanteur terrestre, exerce sur le sol une force dirigée vers le bas. Cette force par unité de surface est appelée pression atmosphérique. Sa valeur moyenne au niveau de la surface des océans est d'environ 1 015 hPa (hectopascals) ou 1 015 mbar (millibars).
La masse volumique de l'atmosphère (environ 1 kg/m³ au niveau de la mer) et sa pression diminuent toutes deux rapidement avec l'altitude. Cependant, elles restent dans des limites assez bien définies à la surface du globe. Les variations de pression à l'intérieur de ces limites sont importantes sur le plan météorologique, car ce sont les différences de pression qui sont à l'origine du vent.
La stratosphère
La stratosphère est située au-dessus de la troposphère et est caractérisée par une faible variation de la température avec l'altitude. Elle s'étend en moyenne entre 12 et 50 km d'altitude. Elle doit son nom à l'existence de courants essentiellement horizontaux. Elle renferme la quasi-totalité de l'ozone atmosphérique. La stratopause est la limite entre la stratosphère et la mésosphère.
La température dans la stratosphère varie en fonction de l'altitude, car cette couche est réchauffée par l'absorption des rayons ultraviolets du Soleil. À l'intérieur de cette couche, la température augmente au fur et à mesure qu'on s'y élève en altitude. Au point le plus haut de la stratosphère, la température tourne autour de 270 K, très près du point de congélation de l'eau. Cette partie de la couche se nomme la stratopause, où la température recommence à chuter lorsque l'on monte. Cette stratification verticale fait en sorte que la stratosphère soit dynamiquement stable : il n'y a aucune convection régulière ni de turbulences associées à cette partie de l'atmosphère.
Le réchauffement est causé par l'ozonosphère, qui absorbe les radiations ultraviolettes du Soleil, ce qui a pour conséquence de chauffer les couches supérieures de la stratosphère. Le bas de la stratosphère est caractérisé par un équilibre entre la chaleur transmise de la couche d'ozone par conduction et la chaleur transmise de la troposphère par convection. Cela implique que la stratosphère commence à basse altitude près des pôles, car la température y est moins élevée.
Diagramme de l'atmosphère montrant la stratosphère
La distance couvrant la surface de la Terre jusqu'au sommet de la stratosphère (50 km) représente un peu moins de 1 % du rayon de la Terre. Cette couche atmosphérique contient 90 % de la masse totale de l'atmosphère, elle est importante, car on y trouve l'air qu'on respire. On trouve dans cette couche la plupart des phénomènes météorologiques. C'est donc dans cette couche que le cycle de l'eau peut se développer, on y trouve une masse importante de vapeur d'eau (H2O).
La mésosphère
La mésosphère est située entre la stratosphère et la thermosphère et est caractérisée par une diminution de la température avec l'altitude. Elle se trouve entre 50 km et 90 km d'altitude. C'est à sa limite supérieure que l'on trouve les températures les plus basses de l'atmosphère terrestre, pouvant atteindre 173,1 K, soit -100 °C. La mésopause est l'endroit le plus froid de la Terre.
La mésosphère joue un rôle crucial en tant que zone de transition entre la Terre et l'espace. Les météorites, satellites et débris de fusée se désintègrent souvent dans cette couche en raison de la friction avec les particules d'air, sauf pour les plus grosses pièces.
La thermosphère
La thermosphère est située au-dessus de la mésosphère et est caractérisée par une forte augmentation de la température avec l'altitude. Elle s'étend entre 85 et 600 km d'altitude. Entre 100 et 150 kilomètres d'altitude, le dioxygène moléculaire absorbe les rayons ultraviolets du Soleil de très courtes longueurs d'onde (entre 100 et 200 nm), entraînant une augmentation de la température pouvant osciller entre 300 °C et 1600 °C selon l'activité solaire. Bien que les températures soient élevées, la densité de matière est extrêmement faible.
L'exosphère
L'exosphère est la couche la plus haute de l'atmosphère terrestre. Elle se trouve au-dessus de la thermosphère, au-delà de 600 km. Sa densité est de l'ordre de 10^6 particules par centimètre cube à environ 700 km d'altitude. À 5 000 km d'altitude, elle n'est plus que de l'ordre de 100 particules par centimètre cube, une densité équivalente à celle du milieu interplanétaire. Un des principaux intérêts de l'exosphère est l'exceptionnelle durée de vie des satellites artificiels placés dans ses couches les plus hautes, notamment les satellites géostationnaires positionnés à 36 000 km d'altitude.
L'ionosphère
L'ionosphère est une zone située dans la haute atmosphère caractérisée par la présence de particules chargées (électrons et ions), formées par photo-ionisation sous l'effet du rayonnement ultraviolet solaire. Elle est comprise entre environ 50 et 600 km d'altitude, recouvrant ainsi une partie de la mésosphère, toute la thermosphère et une partie de l'exosphère.
Elle est composée de trois couches :
- La couche D (60 à 90 km) ;
- La couche E (90 à 120 km) ;
- La couche F (120 à 800 km).
La couche F, qui chevauche à la fois la thermosphère et l'exosphère, joue un rôle important dans l'électricité atmosphérique et forme le bord intérieur de la magnétosphère. La densité en ions et en électrons dans cette zone est suffisamment élevée pour modifier la propagation des ondes radioélectriques par absorption et réflexion. C'est également là que se déroulent les aurores et les phénomènes lumineux transitoires liés aux orages.