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Météorologie élémentaire

L'atmosphère (I)

L'atmosphère représente la couche gazeuse qui entoure la Terre jusqu'à 800 km d'altitude (500 miles). L'air atmosphérique contient un mélange de gaz dont la composition est pratiquement constante jusqu'à 85 km d'altitude où la concentration des éléments devient hétérogène pour des raisons que nous allons évoquer.

L'atmosphère contient également une quantité variable d'humidité qui participe à la formation des nuages et des différentes formes de précipitations (la pluie, la neige, etc).

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 comme le néon, l'hélium, le krypton, l'hydrogène, le xénon et le radon sont présents à raison de 0.03 % dont trois sont en relation avec l'activité biologique ou anthropique (humaine) : le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3).

L'atmosphère de la Terre photographiée lors de la mission STS-127 le 29 juillet 2009. Document NASA.

Parmi ces gaz à l'état de trace mais tout de même relativement abondants, 90 % du méthane atmosphérique provient de l'activité biologique (soit environ 1.65 ppm), environ 40 % du protoxyde d'azote est d'origine anthropique et 60 % d'origine naturelle (totalisant une pollution concentrée à raison de 323 ppb ou parties par milliard en volume), et enfin si une bonne partie de l'ozone est d'origine naturelle (la couche d'ozone qui nous protège des UV), l'autre partie résulte de l'activité anthropique (la pollution générée par la transformation des hydrocarbures non brûlés et du dioxyde d'azote des gaz d'échappements des véhicules en présence d'oxygène sous l'effet de la lumière du soleil). Notons que le gaz carbonique, le méthane et le protoxyde d'azote participent à l'effet de serre.

Le cycle de l'azote produit également un peu d'ammoniac (le gaz NH3) à raison de 0.1-0.2 ppb/an dans les pays où l'agriculture est intensive comme on le voit ci-dessous (selon l'AEE, en 2011 l'agriculture produisait 94 % des émissions d'ammoniac en Europe).

L'ammoniac est un gaz naturel mais un excès est nocif pour les plantes car il provoque l'eutrophisation (une acidification suivie d'un excès de nutriments) et réduit la qualité de l'air et de l'eau en provoquant des dépôts acides. Dans la troposphère, l'ammoniac réagit avec les acides nitrique et sulfurique et forment des particules à base de nitrate qui contribuent à la pollution via les aérosols qui portent atteinte à la santé humaine. Dissous dans les lacs et dans la mer sous forme d'ammoniaque, il abime les algues et crée des "zones mortes" présentant un faible taux d'oxygène.

A gauche, évolution de la concentration du CO2 jusqu'en 2100. A droite, la concentration d'ammoniac en 2017. Documents GIEC et NASA/AIRS/JPL.

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 soit 12900 km3 d'eau. Si toute cette eau était condensée, elle couvrirait la surface du globe d'une épaisseur de 2.5 cm. Elle représenterait un cube d'eau de 46 mètres de côté à disposition de chaque habitant chaque jour, 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. L'eau contenue dans l'atmosphère ne représente que 0.001 % du volume total d'eau. Car l'hydrosphère (océans, fleuves, lacs, etc.) représentent 1.38 milliards de km3 auxquels il faut ajouter une quantité trois fois plus importante d'eau emprisonnée sous terre, dans la ringwoodite.

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 tandis qu'au milieu des océans on mesure encore entre 500 et 2000 particules solides par mètre cube d'air.

Dans 1 cm3 d'air il y a environ 53 milliards de milliards de molécules ! Sachant que l'air contient grosso-modo 80 % de N2 et 20% d'O2 et que ces molécules disposent respectivement de 28 et 32 protons et neutrons dont la masse représente 1.67x10-27 kg (en ignorant la masse très légère des électrons), le poids de ces particules représente (0.8*28 + 0.2*32)*1.67*10-27 ~ 5x10-26 kg/particule.

Au niveau de la mer, la masse volumique de l'air est d'environ 1.2 kg/m3 (0.0012 g/cm3). L'ensemble de l'atmosphère représente une masse de 5.29 x 1018 kg (5 millions de milliards de tonnes) ! Cela représente 0.000088 % de la masse de la Terre (qui est de 5.98 x 1024 kg).

Combien d'atomes y a-t-il dans 1 cm3 d'air ?

Chimiquement parlant, une mole d'air occupe 22.4 litres à 0°C sous une pression de 1 atmosphère (1013 mb).
Un litre contenant 1000 cm3, dans 1 cm3 d'air il y a 1/22400 mole. Comme une mole représente 6.02x1024 atomes ou molécules selon le cas, il y a donc 5.3x1019 molécules dans 1 cm3 d'air (53 milliards de milliards) !

Le nombre d'atomes est deux fois plus élevé car l'air est majoritairement constitué de gaz diatomique (N2, O2).
Si on se place dans des conditions de température et de pression différentes, il faut utiliser la loi des gaz parfaits : n = PV/RT

NB. Dans le milieu interstellaire, on dénombre en moyenne 0.5 atomes/cm3, entre 10 et 100 atomes/cm3 dans une nébuleuse et jusqu'à 1 million d'atomes/cm3 dans un nuage moléculaire. Quand on parle d'"atmosphère dense" à propos de certaines planètes, le terme est donc approprié.

Rappelons qu'un être humain consomme environ 15000 litres d'air par jour.

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.

Notons qu'en aéronautique on divise également l'atmosphère en niveau de vol (flight level), le FL 320 correspondant par exemple au niveau de pression de 320 mb. Cette échelle est notamment utilisée pour élaborer les cartes d'altitude (carte de pression, vent significatif, progchart, tropopause, etc).

Nous verrons lorsque nous aborderons la pression atmosphérique qu'il existe deux modèles standards de l'atmosphère, le modèle ISA et celui de l'OACI.

Vitesse du son

Le son se propage grâce au déplacement d'une onde de compression de particule à particule. Il se propage donc plus difficilement dans un milieu où les particules sont très dispersées ou massives car l'onde est ralentie. En revanche, si les particules sont rapprochées ou subissent une température élevée, le son se propagera plus vite. En conclusion, le son se propage plus lentement dans un gaz que dans un liquide ou un solide.

La vitesse du son dans un milieu varie en fonction de sa composition et de la température (T exprimée en °C) selon la formule :

v (m/s) = 331.5 + 0.607 T

Vitesse de propagation du son (m/s)

Phase

Composition

Vitesse

Gazeux

Dioxyde de carbone

260

Gazeux

Oxygène

320

Gazeux

Air

330

Gazeux

Hélium

930

Gazeux

Hydrogène

1270

Liquide

Eau douce

1460

Liquide

Eau de mer

1520

Solide

Acier

5000

Solide

Verre

5500
 

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, non pas en raison du mouvement centrifuge de la Terre mais suite à l'activité convective.

En effet, l'accélération de la force de gravité est de 9.78 m/s2 à l'équateur contre 9.83 m/s2 aux pôles. Cette différence de 0.5 % est insuffisante pour expliquer ce bourrelet équatorial. L'atmosphère est plus épaisse à l'équateur car dans la zone intertropicale de convergence (ITCZ), l'activité convective est très forte suite au forçage radiatif solaire dans les basses couches, générant des mouvements rapides ascendants, poussant la tropopause vers le haut.

Profil général de l'atmosphère terrestre. Voir aussi ce schéma publié en 2016 par la NOAA. Doc T.Lombry.

Aux latitudes élevées au contraire, le bilan radiatif est négatif en surface et la colonne d'air est généralement stable. Il n'y a donc pas de mouvements convectifs ou ils sont insuffisants pour pousser la troposphère vers le haut, d'où sa faible épaisseur.

50 % de la masse de l'atmosphère (et de son oxygène), 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 troposphère est le siège des hydrométéores (nuages, pluie, neige...) et se caractérise par une décroissance constante de la température avec l'altitude. On peut toutefois y trouver des couches de faibles épaisseurs où la température croît avec l'altitude (inversion de température).

L'air de la troposphère présente une composition remarquablement homogène suite au brassage continu de l'air dans cette partie de l'atmosphère. L'absence de stratification (d'étagement) s'explique en raison de l'agitation thermique (turbulence). Au repos l'énergie cinétique des molécules est proportionnelle à la température ambiante (3/2.kT, avec k la constante de Boltzmann et T la température exprimée en Kelvin). Cet effet dépasse largement la différence d'énergie potentielle de gravité (ρgh, ρ étant la masse volumique, g l'accélération de la gravité et h la hauteur par rapport au niveau de référence). C'est pourquoi l'agitation thermique suffit à maintenir le mélange homogène sur une grande hauteur.

Sachant que la composition d'un milieu gazeux suit la loi statistique de Maxwell-Boltzmann caractérisant la distribution des particules selon leur énergie, la stratification au repos obéit à la relation suivante : 

C = Co[-ρgh/(3/2kT)] , C étant la concentration du gaz considéré (N2, O2, etc.).

Nous verrons plus loin que la stratification se produit malgré tout à très haute altitude, raison pour laquelle la Terre perd notamment son hydrogène.

La limite supérieure de la troposphère est la tropopause, au-delà de laquelle commence 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.

C'est dans la stratosphère que se trouve la couche d'ozone. Elle se situe entre 20 et 40 km d'altitude avec une concentration maximale vers 25 km d'altitude. ELle nous protège des rayonnements ultraviolets et provoque également un refroidissement de la surface du globe. Nous verrons à propos de l'effet de serre que 90 % de l'ozone se forme dans les basses couches et participent au réchauffement de l'atmosphère supérieure.

A gauche, stratification de la stratosphère observée le 22 juin 1996 depuis la navette spatiale lors du lever du Soleil. A droite, le volcan Redoubt en éruption en Alaska le 21 avril 1990. Le dégagement de poussières et de gaz s'étend jusqu'à la tropopause mais, faute d'énergie suffisante, le nuage s'étale horizontalement et ne s'étend pas dans la stratosphère car cette région accuse une importante inversion de température, très peu d'humidité et pas de mouvements convectifs. La masse d'air est donc stratifiée et présente un caractère de stabilité quasi absolu. C'est cette stabilité verticale qui bloque tout déclenchement ou évolution de mouvements ascendants dans la stratosphère. Toutefois, certaines éruptions particulièrement violentes (VEI5 et supérieures telle le St Helens en 1980 ou le Pinatubo en 1981) peuvent dépasser la stratosphère. Documents NASA/LPI et NGS corrigé par l'auteur.

Du fait qu'il y a une inversion importante de température 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 (des nuages) 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. Si cci s'applique bien sûr aux masses d'air et aux nuages, il existe 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, VEI 5),  le Krakatoa (1883, VEI 6) ou encore Toba (il y a ~73000 ans, VEI 8), 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 VEI 8 !

Ces évènements majeurs perturbent le climat durant des années et même des décennies pour les VEI 8 car elles provoques des chutes de la température moyenne à la surface du globe de plusieurs degrés. On en reparlera à propos du supervolcan de Yellowstone ainsi que des effets des explosions atomiques.

Thermosphère

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. 

On reviendra page suivante sur la température de la thermosphère car elle est très sensible au cycle solaire et à la quantité de gaz carbonique.

Exosphère

Au-dessus de la thermopause soit environ 800 km d'altitude, nous entrons dans la couche extérieure de l'atmosphère terrestre, c'est l'exosphère où les particules libres et les gaz les plus légers peuvent s'échapper dans l'espace. On estime que chaque jour 90 tonnes de matière s'évadent ainsi dans l'espace. La limite supérieure de l'exopshère se situe vers 10000 km d'altitude.

A lire : A quelle altitude commence l'espace ?

Notons que ces dernières années les scientifiques ont essayé de déterminer la "limite de l'espace" à travers différentes études de l'atmosphère. En 2009, les chercheurs de l'Université de Calgary ont lancé un Imageur Ionique Supra Thermique afin de mesurer la transition entre les vents modérés de l'atmosphère terrestre et les flux plus violents de particules chargées venant de l'espace et notamment du vent solaire. Selon leurs données, la limite de l'espace commence à 118 km au-dessus du niveau de la mer. Ceci est une limite scientifique également valable pour les simulations numériques. Elle se situe donc moitié plus haut que celle fixée par l'USAF et la NASA à 12 km plus bas que la Ligne de Kármá soit 80 km d'altitude qu'utilise la Fédération Aéronautique Internationale (FAI) pour définir un vol spatial.

Notons que 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.

Deuxième partie

Les températures dans la haute atmosphère

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