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Couches atmosphèriques

Climatologie > Atmosphère
L'atmosphère terrestre et ses différentes couches
L'atmosphère terrestre peut être découpée en quatre couches principales qui sont la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. De façon générale, le climat terrestre dépend étroitement des effets qui existent entre la chaleur du Soleil et l'ensemble de l'atmosphère.

Au-delà des 4 couches citées ci-dessus, on trouve l'exosphère, une couche qui assure la transition entre l'atmosphère et l'espace interplanétaire.

La météorologie et la climatologie s'intéressent cependant plus spécialement aux événements qui se produisent dans la couche la plus basse, la troposphère. Ce sont eux 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.
Couches atmosphériques
Composition de l'atmosphère
Bien que ses 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 part 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 - 18 °C, contre 15 °C actuellement. Cet effet de serre découle des propriétés des gaz vis-à-vis des ondes électromagnétiques.
La troposphère
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. La troposphère est plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles. La frontière entre la troposphère et la stratosphère s'appelle la tropopause.

La troposphère terrestre présente trois caractères essentiels qui la distinguent des autres régions de l'atmosphère : 1d c'est la couche la plus troublée (d'où son nom) ; 2d le brassage assure une constance relative de la composition sur toute l'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) ; 3d la température décroît rapidement, de 0,6 dC par 100 m, en moyenne, 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, mais elles restent dans des limites assez bien définies à la surface du globe. Pour autant, les variations qui se produisent à l'intérieur de ces limites sont importantes sur le plan météorologique, dans la mesure où ce sont les différences de pression qui sont à l'origine du vent.
La stratosphère
Couche de l'atmosphère située au-dessus de la troposphère et caractérisée par une faible croissance de la température avec l'altitude. La stratosphère 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 celle-ci est réchauffée par l'absorption des rayons ultraviolets provenant 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.
Atmosphère terrestre
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
Couche de l'atmosphère située entre la stratosphère et la thermosphère et caractérisée par une décroissance de la température avec l'altitude. La mésosphère est située entre 50 km d'altitude, au-dessus de la stratosphère et 90 km d'altitude. C'est à sa limite supérieure qu'on trouve les températures les plus basses de l'atmosphère terrestre : elle peut atteindre 173,1 kelvins, soit - 100 °C. La mésopause, qui est la frontière entre la mésosphère et la thermosphère, est l'endroit le plus froid de la Terre.

C'est une zone de transition entre la Terre et l'espace. En pénétrant dans la mésosphère, pour descendre sur Terre, les météorites, satellites, débrits de fusée, etc. s'échauffent contre les quelques particules d'air qu'ils rencontrent et sont détruits avant d'atteindre le sol, sauf pour les plus grosses pièces.
La thermosphère
Couche de l'atmosphère située au-dessus de la mésosphère et caractérisée par une forte croissance de la température avec l'altitude. La thermosphère est située entre 85 et 600 km d'altitude.
Entre 100 et 150 kilomètres d'altitude, le dioxygène moléculaire absorbe l'ultraviolet solaire de très courtes longueurs d'onde (entre 100 et 200 nm). En résulte une augmentation de température avec l'altitude qui oscille entre 300 °C et 1600 °C selon l'activité solaire. Les températures sont élevées, mais la densité de matière est extrêmement faible.
L'exosphère
Couche la plus haute de l'atmosphère terrestre. L'exosphère se trouve au-dessus de la thermosphère, au-delà de 600 km. Sa densité est de l'ordre de 106 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 réside dans l'exceptionnelle capacité de durée de vie des satellites artificiels placés dans ses couches les plus hautes, notamment les satellites géostationnaires positionnés à 36 000 km d'altitudes.
L'ionosphère
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. L'ionosphère est comprise entre environ 50 et 600 km d'altitude et recouvre ainsi une partie de la mésosphère, toute la thermosphère et une partie de l'exosphère.

Elle est composé 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 tellement importante qu'elle a la capacité de modifier par absorption et par réflexion la propagation des ondes radioélectriques. Elle est le lieu où se déroulent les aurores et les phénomènes lumineux transitoires liés aux orages.
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