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Formation, structure et composition de l'atmosphère

terreL'atmosphère est la couche d'air qui entoure le globe terrestre. Du point de vue de la physique, l'atmosphère obéit aux mêmes lois que l'eau puisqu'il s'agit d'un fluide. La seule différence est que la densité de l'atmosphère est plus faible que celle de l'eau.

ORIGINE DE L'ATMOSPHÈRE

Tout a commencé par le « big bang »; une méga explosion donnant naissance à notre univers, il y a de cela une vingtaine de milliards d'années. Depuis ce temps, chaque partie de l'univers s'éloigne des autres : notre univers est en expansion.

Formation des planètes

Le Soleil s'est condensé à partir d'un nuage de poussières interstellaires. Lorsque le volume et la densité du Soleil sont devenus suffisants, sa température a atteint un degré si élevé que des réactions nucléaires se sont déclenchées. Les particules qui gravitaient autour du Soleil se sont ensuite agglomérées pour donner naissance aux planètes il y a 4,5 milliards d'années.

Au début, les planètes étaient froides et chacune possédait une enveloppe d'hydrogène et d'hélium (gaz légers). A mesure que chacune se contractait sous l'effet de sa propre gravité (poids), le centre se réchauffait jusqu'à devenir un noyau incandescent.

Toujours selon des hypothèses, notre planète, avait un noyau en fusion sur lequel flottaient les matières plus légères, qui formaient ainsi une croûte solide. Au début, il n'y avait rien sur cette croûte, et la Terre ne possédait pas d'atmosphère. Celle-ci a dû s'échapper vers l'espace de la même façon que les vapeurs d'un liquide en ébullition. En effet, les gaz de l'atmosphère primitive, l'hélium et l'hydrogène, étaient suffisamment légers pour échapper à la force d'attraction de la Terre sous l'effet du rayonnement intense du Soleil, et la plus grande partie de ces gaz s'est perdue dans l'espace.

Formation de l'atmosphère terrestre

À mesure que la Terre se refroidissait, d'énormes quantités de méthane, d'ammoniac, de vapeur d'eau et de gaz carbonique furent expulsés du centre de la Terre vers l'extérieur. Cela constitua la première atmosphère de la Terre. Cette atmosphère, agissant comme une serre, permit de réduire la perte de chaleur de la Terre vers l'espace et notre planète demeura ainsi assez chaude pour que puisse naître la vie. Sa température se situait probablement entre 15 et 30 oC.

Ensuite, il y a environ 4,5 milliards d'années, la vapeur d'eau s'est condensée pour former les océans. Le gaz carbonique se combina à des minéraux et fut absorbé par les océans, et il fut utilisé par les premiers êtres vivants. L'azote est resté dans l'atmosphère parce que cet élément réagit peu avec les autres. Il y a 3 milliards d'années, l'atmosphère contenait encore peu d'oxygène. Des réactions chimiques compliquées entre le méthane, l'ammoniac, l'eau et le rayonnement solaire donnèrent naissance à une couche d'ozone. Celle-ci joue un rôle important dans l'évolution de la vie sur Terre, car elle empêche une grande partie des rayons solaires ultraviolets, rayons nuisibles à la vie, d'atteindre le sol.

Les premières plantes apparurent il y a 2 milliards d'années et transformèrent une grande partie du gaz carbonique en oxygène. Ce processus se poursuit toujours et l'atmosphère d'aujourd'hui contient environ 78 % d'azote et 21 % d'oxygène.

Le Soleil s'est condensé à partir d'un nuage de poussières interstellaires. Lorsque le volume et la densité du Soleil sont devenus suffisants, sa température a atteint un degré si élevé que des réactions nucléaires se sont déclenchées. Les particules qui gravitaient autour du Soleil se sont ensuite agglomérées pour donner naissance aux planètes il y a 4,5 milliards d'années.

L'atmosphère actuelle est faite d'un mélange de gaz et de particules qui entourent notre planète. L'atmosphère est si mince qu'on peut se représenter son épaisseur relativement à la Terre comme la pelure d'une pomme relativement à l'ensemble du fruit. C'est la force d'attraction de la Terre qui retient l'atmosphère autour du globe.

  Vue de l'espace, le bord de l'atmosphère est un fin halo de lumière bleu foncé sur un horizon en forme de courbe.
L'atmosphère joue plusieurs rôles : elle nous fournit l'air que nous respirons, ses gaz retiennent la chaleur dont bénéficie la Terre, et sa couche d'ozone protectrice nous sert d'écran contre le rayonnement solaire nocif.
Elle sert également de réservoir pour les substances naturelles ainsi que les émissions qui découlent de l'activité humaine. Dans cet «entrepôt», il se produit des actions et des réactions physiques et chimiques, dont la plupart peuvent altérer nos systèmes climatiques ou météorologiques.

Composition de l'atmosphère

L'atmosphère fait partie de la famille des gaz. Les gaz qui composent notre atmosphère viennent du centre de la Terre! Ces gaz ont été expulsés par les volcans au début de l'existence de la Terre. 

Composition actuelle de l'atmosphère près de la surface

Nom du gaz % présent
Azote (N2) 78 %
Oxygène (O2) 21 %
Argon (A) 0,93 %
Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 %
Gaz carbonique (CO2) 0,033 %
Néon (Ne) 0,0018 %
Krypton (Kr) 0,000114 %
Hydrogène (H) 0,00005 %
Oxyde d'azote (N2O) 0,00005 %
Xénon (Xe) 0,0000087 %
Ozone (O3) 0 - 0,000001 %

Les constituants les plus importants dont la quantité est variable dans le temps sont : la vapeur d'eau, le gaz carbonique, l'ozone et certaines particules en suspension dans l'air (les polluants par exemple).

L'eau existe dans les trois états (ou phases) : liquide, solide et gazeux, et cela, à cause des températures caractéristiques et variables de notre planète.

L'atmosphère est plus épaisse à l'équateur (13-16 km) qu'aux pôles (7-8 km).

On évalue la quantité de molécules dans l'atmosphère à 10 exposant 44 (44 zéros après le 1!!!). Toutes ces molécules sont soumises à deux forces:

  • les molécules elles-mêmes ont une vitesse d'environ 500 m/s qui tentent d'aller vers l'espace;
  • le poids des molécules tend à les faire tomber sur notre globe (conséquence de l'attraction terrestre).

Le résultat de ces deux forces fait en sorte que la moitié de la masse de l'atmosphère se trouve dans les 5 premiers kilomètres d'altitude. Il faut s'élever jusqu'à 20 km pour atteindre 90% de la masse totale de l'atmosphère.

Les couches de l'atmosphère

couches-atmosphere

Troposphère

La troposphère est la couche atmosphérique la plus proche du sol terrestre. Son épaisseur est variable: 7 kilomètres de hauteur au-dessus des pôles, 18 kilomètres au-dessus de l'équateur et environ 13 kilomètres, selon les saisons, dans la zone tempérée

C'est dans cette couche qu'on retrouve la plus grande partie des phénomènes météorologiques. Au fur et à mesure qu'on s'élève dans la troposphère la température décroît de façon régulière d'environ 6 degrés Celsius tous les 1000 mètres pour atteindre  -56 oC à la tropopause (zone séparant la troposphère de la stratosphère). L'air près du sol est plus chaud qu'en altitude car la surface réchauffe cette couche d'air.

Stratosphère

La stratosphère est au-dessus de la troposphère. C'est dans la stratosphère qu'on trouve la couche d'ozone. Cette dernière est essentielle à la vie sur Terre, car elle absorbe la majorité des rayons solaires ultraviolets qui sont extrêmement nocifs pour tout être vivant. Cette absorption provoque un dégagement d'énergie sous forme de chaleur. C'est pourquoi la température augmente lorsqu'on s'élève dans la stratosphère. 

Les mouvements de l'air y sont beaucoup moindres. Il s'agit d'un environnement beaucoup plus calme. La stratopause sépare la stratosphère de la mésosphère.

Mésosphère

La mésosphère est au-dessus de la stratosphère. Dans cette couche, la température recommence à décroître avec l'altitude pour atteindre  -80 oC à une altitude d'environ 80 km.

Les poussières et particules qui proviennent de l'espace (les météores) s'enflamment lorsqu'elles entrent dans la mésosphère à cause de la friction de l'air. Ce phénomène nous apparaît sous la forme « d'étoiles filantes ».

Thermosphère

Aurore Boréale (photo ci contre)

La couche la plus haute est la thermosphère. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude et peut atteindre environ 100 degrés Celsius. La thermosphère atteint des milliers de kilomètres d'altitude et disparaît graduellement dans l'espace. La thermosphère est la région où près des pôles se forment les aurores boréales et australes.La pression y devient presque nulle et les molécules d'air sont très rares.

La partie inférieure de la thermosphère est appelée l'ionosphère. L'ionosphère réfléchit les ondes courtes (ondes radio). Ces ondes, émises par un émetteur, rebondissent sur l'ionosphère et sont renvoyées vers la Terre. Si elles sont retournées avec un certain angle, elles peuvent faire presque le tour du globe. L'ionosphère permet donc de communiquer avec des régions très éloignées.

La séparation entre la mésosphère de la thermosphère s'appelle la mésopose.

La séparation entre la troposphère et la stratosphère porte le nom de Tropopause.

L'atmosphère standard

L'O.A.C.I.(Organisation de l'Aviation Civile Internationale) a défini une loi de variation de la pression atmosphérique et de la température qui permet de caractériser l'atmosphère standard. Cette caractéristique permet, entre autres, l'étalonnage d'instruments de vol et l'homologation de records.

 

Altitude en
mètres
Température
en degrés
Centigrades (°C)
Pression en
hectopascals(HPa)
Décroissance de la
pression pour 1000m
d'altitude en HPa
0 15°0 1 013 114
1 000 8°5 899 104
2 000 2°0 795 94
3 000 - 4°5 701 85
4 000 -11°0 616 76
5 000 -17°5 540 68
6 000 -24°0 472 62
7 000 -30°5 410 53
8 000 -37°0 357 50
9 000 -43°5 307 43
10 000 -50°0 264 37
15 000 -56°5 120 13
20 000 -56°5 55 4