L'atmosphère

L'air qui nous entoure

Bien que ça ne se voit pas, l'air est fait de matière. Les parachutistes plongent dans l'air comme on peut plonger dans l'eau.  La résistance de l'air est beaucoup plus faible mais elle existe. L'air qui nous entoure est constitué de molécules et d'atomes innombrables et  invisibles qui flottent au sein d'un espace vide. Ces molécules et atomes interagissent avec le rayonnement solaire, ce qui initie de multiples réactions chimiques. Des molécules plus grosses peuvent également  s'agglomérer entre elles et former ainsi de petites particules.  Les molécules d'eau peuvent condenser sur ces particules et former des gouttelettes de nuage. S'il y a de plus en plus de gouttelettes de nuage qui se forment et grossissent elles forment finalement un nuage qui apparaît dans le ciel.

Composition de l'air

Si on exclue l'eau, l'air qui nous entoure est composé à :

78.08 % d'azote (N₂)
20.95% d'oxygène (O₂)
0.93% d'argon

Ces trois gaz représentent 99,96% de l'air sec. Pourant, vous avez déjà sans doute entendu parler du dioxyde de carbone, du méthane, de l'ozone, des hydrocarbures et d'autres gaz qui sont dans l'air ! Ils y sont en si petites quantités par rapport à l'azote et à l'oxygène qu'on les appelle des gaz traces. Le dioxyde de carbone est le plus abondant de ces gaz et représente environ 0,037% de l'air. Tous les autres gaz se retrouvent en quantité encore plus faible. Au milieu d'un million de molécules qui composent l'air, vous trouverez en règle générale moins d'une molécule de ces autres gaz.  Néanmoins, ils sont extrêmement importants pour notre climat.

La dimension de l'atmosphère

En regardant dans le ciel, on surestime facilement l'épaisseur de l'atmosphère, qui est en fait une très fine couche au-dessus de la Terre. Si nous volons en avion à une altitude comprise entre 11 et 12 kilomètres (c'est à dire entre les deux couches que sont la troposphère et la stratosphère), environ 75% des molécules de l'atmosphère sont en-dessous de nous. Ceci signifie que cette couche d'air, mille fois plus fine que le diamètre de la Terre (12 800 kilomètres), contient trois quarts de la masse de l'ensemble de l'atmosphère. En comparaison, ceci est équivalent à une couche de neige de moins d'un centimètre d'épaisseur sur un bâtiment de quatre étages. C'est dans cette couche que les nuages se forment et que les processus météorologiques sont présents (pluie, vent, neige...).

Comment la température varie-t-elle avec l'altitude ? Quelles sont les couches de l'atmosphère?

Nous ne pouvons pas visualiser les différentes couches de l'atmosphère, mais on peut mesurer les changements de la température lorsque l'altitude augmente. Ces modifications de l'évolution de la température définissent les couches atmosphériques: 

La troposphère, qui est la couche la plus basse de l'atmosphère, où la température diminue avec l'altitude. 
Dans la stratosphère, qui est juste au dessus de la troposphère, la température augmente avec l'altitude. 
Au-dessus de la stratosphère se trouve la mésosphère, où la température diminue de nouveau avec l'altitude.
La thermosphère est la couche la plus élevée de l'atmosphère, où la température augmente avec l'altitude.

Entre les couches, les endroits où l'évolution de la température change ont des noms particuliers, se terminant par "pause". Ainsi, entre la troposphère et la stratosphère, on trouve la tropopause. Au-dessus de la stratosphère se trouve la stratopause. La mésopause se situe entre la mésosphère et la thermosphère, et c'est l'endroit le plus froid de toute l'atmosphère. Les températures peuvent y être aussi basses que -100 °C! 

Contrairement à la température qui augmente ou diminue avec l'altitude selon les couches, la pression et la densité de l'air, elles, diminuent progressivement avec l'altitude puisque l'air se raréfie. Dans un volume d'air donné où près de la surface de la Terre il y aura 1000 molécules d'oxygène, ce même volume d'air à une altitude de 50 kilomètres ne contiendra qu'une seule molécule d'oxygène!

Les interactions entre la lumière et l'air 

L'énergie du soleil est capturée par la surface de la Terre, par les continents et encore plus par les océans. Ils la convertissent en chaleur. Donc, plus on s'éloigne du niveau de la mer et plus la température est faible. C'est ce processus qui fait que dans la troposphère (la couche la plus basse de notre atmosphère), la température diminue avec l'altitude. 

Mais qu'est-ce qui fait que cette évolution de la température s'inverse dans la stratosphère (la température y augmente avec l'altitude)? En fait, l'air devient plus chaud si ce sont les molécules dans l'air elles-mêmes qui peuvent absorber directement l'énergie du soleil. Dans la stratosphère ce sont les molécules d'ozone de la couche d'ozone qui prennent cette énergie. Les caractéristiques de ces molécules sont extrêmement importantes pour notre climat.  La quantité d'énergie qu'une molécule absorbe dépend de la molécule elle-même et des caractéristiques de la lumière.

L'animation ci-contre montre trois exemples. Le soleil envoie vers la Terre des rayons de toutes sortes, dont des micro-ondes, des infrarouges et des ultraviolets, tous symbolisés par des "vagues" sur l'animation à droite :

• Les micro-ondes (à l'extrême droite sur le schéma) ont très peu d'énergie. Elles font tourner les molécules, mais ne les cassent pas.
• Les rayons infrarouges (IR) sont un peu plus forts et font vibrer les molécules qui sont dans l'air. C'est ce qui se passe quand les gaz à effet de serre capturent le rayonnement thermique émis par la surface de la Terre.
• Les rayons ultraviolets (UV) ont bien plus d'énergie et peuvent casser les molécules. C'est ce qui se produit lorsque l'ozone de la couche d'ozone absorbe l'énergie du soleil.
  

L'absorption de l'énergie du soleil par l'ozone dans la stratosphère permet de conserver l'énergie du soleil dans cette couche; c'est la raison pour laquelle la température de la stratosphère augmente avec l'altitude. C'est semblable à ce qui se passe dans la thermosphère, sauf que dans cette très haute couche ce sont l'oxygène et l'azote qui absorbent les rayons pleins d'énergie du soleil.  Le rayonnement y est si puissant qu'il ne fait pas que casser les molécules, il transforme aussi les molécules en ions. C'est pour cette raison que cette couche est également appelée ionosphère.

A propos de cette page:

auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI for chemistry, Mainz
dernière version: 2004-07-13