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Composition L'air sec est constitué à 78% du volume (75.54% du poids) d'azote moléculaire (N2), de 21% d'oxygène moléculaire (O2), de 0.9% d'argon et de 0.03% de gaz carbonique (CO2). De faibles quantités d'autres gaz (néon, hélium, krypton, hydrogène, xénon, méthane, protoxyde d'azote, ozone, radon) sont présents à raison de 0.03%. L'atmosphère contient également de la vapeur d'eau en quantités et densités très variables suivant la latitude, l'altitude et la situation météorologique. Elle se présente sous diverses formes (glace, neige, nuages, pluie, brouillard, etc). On estime que l'atmosphère contient 12000 milliards de tonnes d'eau, ce qui représente en 2006 un cube de 126 mètres de côté à la disposition de chaque habitant, du moins en théorie. En moyenne, 18 millions de tonnes d'eau tombent chaque seconde quelque part sur terre tandis que notre planète perd chaque jour 1700 tonnes d'eau. Pour s'imaginer ce que représente toute cette masse d'eau en suspension dans l'air, rappelons que le volume des océans est équivalent à un facteur 2 près (115x) au volume d'eau contenu dans l'atmosphère avec 1.38 milliards de km3. L'atmosphère contient enfin des particules solides en suspension (poussières, sel, sable, etc) qui ne se déposent que très lentement au gré des déplacements des masses d'air. Elles sont amenées au sol par les précipitations. Ces particules sont de deux types : - Inorganiques : principalement constituées de sable provenant de la terre, du sel provenant des embruns, des particules de fumée industrielle, d'incendies de forêts, des cendres de volcans, des poussières de météores enfin. - Organiques : constituées de pollen, de graines tenues, de bactéries et de virus La concentration des particules solides décroît rapidement avec l'altitude, et au milieu des océans on note encore 500 à 2000 particules par mètre cube d'air. Au niveau de la mer la masse volumique de l'air est d'environ 1.2 kg/m3. L'ensemble de l'atmosphère représente une masse de 5.1 x 1018 kg (5 millions de milliards de tonnes) !
Selon qu'on s'intéresse à l'une ou l'autre de ses propriétés, on peut diviser l'atmosphère de différentes manières. Si nous nous basons sur la température, nous observons au moins six couches différentes : - La troposphère, entre 0 et 6-18 km d'altitude en fonction de la latitude où la température décroît avec l'altitude - La stratosphère, entre 6-18 et 50 km d'altitude où la température augmente avec l'altitude - La mésosphère, entre 50 et 85 km d'altitude où la température décroît avec l'altitude - La thermosphère, entre 85 et environ 800 km d''altitude où la température augmente avec l'altitude - L'exosphère, à partir de 800 km d'altitude où l'atmosphère s'évade dans l'espace Sur base de la composition nous pouvons diviser l'atmosphère en deux parties : - L'homosphère, entre 0 et 85 km d'altitude, elle est constituée de la troposphère, de la stratosphère et de la mésosphère - L'hétérosphère, à partir de 85 km d'altitude, elle regroupe la thermosphère et l'exosphère. Enfin, nous pouvons diviser l'atmosphère selon ses propriétés électriques : - L'ionosphère, qui s'étend entre la mésosphère et la thermosphère jusqu'à 800 km d'altitude - l'exosphère, qui commence à 800 km d'altitude - La couche d'ozone, qui se situe entre 10 et 50 km d'altitude - La magnétosphère qui représente la région dans laquelle le champ géomagnétique interagit avec le vent solaire - Les ceinture de radiations de Van Allen où se concentrent les particules émises par le Soleil. La basse atmosphère La troposphère La couche atmosphérique en contact avec la surface de la terre constitue la troposphère. Elle s'étend entre 6 et 18 km d'altitude, plus épaisse à l'équateur en raison du mouvement centrifuge de la Terre. 50% de la masse de l'atmosphère, soit environ 2 millions de tonnes de particules d'air se trouve en-dessous de 5 km d'altitude et 90% se trouve dans la troposphère. On observe donc une chute drastique de la pression à partir de la tropopause, où elle passe de 250 à 1 mb entre 11 et 50 km d'altitude.
La limite supérieure de la troposphère est la tropopause qui divise arbitrairement la troposphère de la stratosphère. Aux latitudes moyennes (45°) cette limite se situe vers 11 km d'altitude où nous observons un changement drastique de température. Aux pôles la température de la tropopause est de -45° C mais elle descend à -80° C à l'équateur en raison de l'épaisseur plus importante de l'atmosphère. Aux latitudes moyennes la tropopause subit des variations d'altitude très importantes, oscillant entre 7 et 13 km en fonction de la situation atmosphérique générale (des mouvements des systèmes synoptiques de hautes et basses pressions), des saisons et des types de masse d'air. La stratosphère Au-dessus de la troposphère et de la tropopause, les sondages aérologiques montrent une augmentation de la température avec l'altitude; on observe une inversion. Cette augmentation est telle qu'on retrouve pratiquement la température au sol à 50 km d'altitude, c'est la stratosphère. Son nom n'est plus du tout approprié. En effet, à l'origine on pensait que le brassage de l'air était très faible et insuffisant pour maintenir l'uniformité de la composition de l'air et que la diffusion par l'effet de la gravité conduisait à une séparation des gaz en fonction de leur poids atomique, conduisant à une stratification de cette région. Or on a découvert que la stratosphère subissait au contraire des mouvements encore plus turbulents que la troposphère. On y observe notamment le phénomène aéronautique de CAT (clear air turbulence) et des turbulences induites par des ondes de gravité (dues au relief) sporadiques dont la longueur d'onde peut atteindre 35 km. Toutefois du fait de cette inversion importante de température qui commence à la tropopause, on observe également une chute de la quantité d'humidité contenue dans l'air. Ces deux facteurs se conjugent pour empêcher ou interrompre toute évolution verticale des particules d'air humide ou des nuages de poussières; leurs mouvements ascendants sont bloqués, il n'y plus de mouvements convectifs, la masse d'air se stabilise, s'assèche et se stratifie. Ceci s'applique bien sûr aux masses d'air et aux nuages. Mais il exite un autre phénomène qui se moque de cette inversion de température et de ces conditions superadiabatiques, ce sont les éruptions volcaniques.
En effet, en de très rares occasions, généralement suite à l'explosion d'un volcan Plinien tel celui du Mont St.Helens (1980, VEI5), le Krakatoa (1883, VEI6) ou encore Toba (il y a 74000 ans, VEI8), l'explosion fut tellement violente que les gaz et les poussières pénétrèrent dans la stratosphère (entre 20 et 40 km d'altitude pour le St Helens, 25 km pour le Pinatubo) et auraient même atteint la mésopause voire la thermosphère située à environ 85 km d'altitude dans le cas des VEI8 !... Ces événements majeurs perturbent le climat durant des années car une éruption VEI8 provoquerait des chutes de la température moyenne à la surface du globe de plusieurs degrés. On en reparlera à propos du super volcan de Yellowstone ainsi que des effets des explosions atomiques. Thermosphère et exosphère Passé la stratopause, à partir d'environ 85 km d'altitude nous entrons dans la thermosphère, également appelée l'atmosphère supérieure. Elle est divisée en trois zones, l'ionosphère entre 85 et 350 km (voir page suivante), la métasphère entre 350 et 500 km et la protosphère entre 500 et 800 km d'altitude. Elle est délimitée dans sa partie supérieure par la thermopause. Selon le Naval Research Laboratory (NRL), du fait de l'augmentation du gaz carbonique dans l'atmosphère, la thermosphère s'est refroidie et s'est contractée ces dernières années au point que sa densité s'est réduite de 10% en 35 ans. Au-dessus de la thermopause, entre 800 et 10000 km d'altitude, nous sommes dans la couche extérieure de l'atmosphère terrestre, c'est l'exosphère où des particules libres et les gaz les plus légers peuvent s'échapper dans l'espace. Ces valeurs d'altitudes sont données à titre indicatif car elles dépendent de la latitude et de l'activité solaire. Des variations de 50 à 100 km ne sont pas exceptionnelles. 2eme partie Les températures dans la haute atmosphère
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