La basse atmosphère

La plus basse couche de l'atmosphère, qui s'appelle la troposphère, s'étend de la surface de la Terre jusqu'au dessus des plus hauts nuages qu'on voit habituellement dans le ciel. Dans cette région de l'atmosphère, l'air devient de plus en plus froid à mesure que l'altitude augmente. La limite entre la troposphère et la couche qui est au dessus (qui se nomme la stratosphère) s'appelle la tropopause. La tropopause correspond à un minimum de température entre ces deux couches; son altitude est variable autour de la Terre. La tropopause se situe en général à huit kilomètres au-dessus du sol dans les régions polaires, et à environ 15 à 18 kilomètres d'altitude dans les tropiques.

La vapeur d'eau

L'air contient de l'eau, même si on ne la voit pas. Lorsqu'on parle de la composition de l'air (pourcentages d'oxygène, d'azote, etc...), on parle de l'air qui ne contient pas d'eau. Si on ne prend pas l'eau en compte, la composition de l'air est quasiment identique partout dans le monde. La quantité d'eau contenue dans l'air change considérablement et dépend fortement de la température de l'air. L'air très froid ne contient environ que 0,1% d'eau, tandis que l'air très chaud peut contenir beaucoup plus d'eau, jusqu'à 4% de sa masse. Aux pôles Nord et Sud, ainsi qu'en haut de la troposphère, là où il fait très froid, l'air contient moins d'un gramme d'eau par kilogramme d'air. Par contre, dans les tropiques où il fait chaud, l'air contient jusqu'à 30 grammes d'eau par kilogramme d'air. Cette valeur qui varie beaucoup fait qu'il est très difficile de prendre l'eau en compte lorsqu'on essaie de simuler le climat avec de puissants ordinateurs.

Nous devons garder à l'esprit quelques règles simples afin de comprendre ce qui se passe dans la basse atmosphère: 

1) L'air chaud monte. C'est pour cela que l'air se mélange la matin, quand le soleil réchauffe le sol. 
2) L'eau s'évapore et monte vers les zones plus élevées (donc plus froides) en même temps que l'air
3) Plus l'air est frais et moins il peut contenir d'eau. En se refroidissant, l'eau qui est sous forme gazeuse devient liquide, forme des nuages et il peut commencer à pleuvoir sur nos têtes
4) Le minimum de température se situe à la tropopause. A cet endroit, l'eau et l'air cessent de monter. Seule une très faible partie de l'eau et des composés chimiques contenus dans la troposphère parviennent à traverser la tropopause pour entrer dans la stratosphère.

Il résulte de tout ceci que les phénomènes météorologiques (évaporation, formation des nuages, pluie, neige) ainsi que la majeure partie des transformations chimiques subies par les composés émis par les océans, les continents et les activités humaines ont lieu dans la troposphère.

L'effet de serre et le réchauffement de la planète

La vie sur Terre serait impossible s'il n'y avait pas un effet de serre naturel. Sans les gaz à effet de serre, la température de la Terre serait inférieure de 33°C par rapport à aujourd'hui, ce qui veut dire qu'il ferait -18°C en moyenne au lieu des 15°C actuels. La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone sont les gaz à effet de serre les plus importants. La vapeur d'eau est responsable d'environ 60% de l'effet de serre naturel, et le dioxyde de carbone d'environ 20%.  Les gaz à effet de serre capturent la chaleur émise par la Terre et la gardent près de la surface.  L'image suivante montre comment marche le système de "chauffage central" de notre planète.

4. Qu'arrive-t-il aux rayons solaires? On le voit ici en 10 points:
(Auteur: Elmar Uherek)

(1) Le soleil est la source de tous les rayons et de toute l'énergie qui arrivent de l'espace vers la Terre.
(2) La lumière solaire atteint la surface de la Terre.
(3) La surface terrestre ne récupère pas toute l'énergie du soleil. Elle en renvoie directement une certaine partie vers l'espace. Les surfaces très claires comme la glace et la neige réfléchissent très bien.
(4) Le haut des nuages renvoie aussi une partie de la lumière solaire vers l'espace.
(5) Les molécules de gaz et les particules dans l'air absorbent en partie les rayons du soleil.
(6) La surface de la Terre absorbe aussi une part de l'énergie solaire. Elle la renvoie sous forme de chaleur (ce sont les rayons infrarouges), ce qui réchauffe la planète. 
(7) Un peu de cette énergie absorbée permet l'évaporation d'une partie de l'eau terrestre. Comme dans une bouilloire, il faut approrter de l'énergie pour transformer l'eau liquide (les océans par exemple) en eau sous forme gazeuse (la vapeur d'eau dans l'air).
(8) Une toute petite partie des rayons infrarouges repart directement vers l'espace. 
(9) Les nuages, qui renvoient de la lumière solaire vers l'espace, ne font pas que ça: ils absorbent aussi les rayons infrarouges de la Terre. Un ciel nuageux rendra la Terre plus chaude, comme le ferait une couverture. 
(10) Il y a aussi des particules et des gaz dans l'air qui absorbent les rayons infrarouges émis par la surface terrestre. Ce sont les gaz à effet de serre, qui gardent donc la chaleur près du sol. 

Qui sont les gaz à effet de serre, et qu'est-ce qui accentue cet effet naturel?

Les gaz à effet de serre les plus importants, sur lesquels les humains ont une influence: 

- le dioxyde de carbone (CO₂) provient principalement de la combustion des énergies fossiles. 
- le méthane (CH₄) est produit par les vaches, les moutons et autres ruminants et est aussi émis par les rizières, les décharges et les installations pétrolifères. 
- les chlorofluorocarbones (CFC's) sont utilisés dans les systèmes de refroidissement, comme propulseurs dans les bombes aérosols, dans les mousses isolantes et les produits de nettoyage.
- l'ozone troposphérique (O₃) vient principalement de l'industrie et du trafic. 
- le protoxyde d'azote (N₂O) est fabriqué par l'activité microbienne dans les sols et ses émissions augmentent si la terre est fertilisée.

Chimie

De nombreuses réactions chimiques se produisent dans la troposphère. Les composés chimiques ont de multiples sources, comme la végétation, l'industrie, les véhicules et les océans. Presque tous les composés organiques (c'est à dire contenant du carbone) dans la troposphère réagissent avec une ou plusieurs des espèces ci-dessous. Ce sont les principaux oxydants atmosphériques, qui débarassent l'air des composés chimiques nocifs.

• le radical hydroxyle - OH
• le radical nitrate - NO₃
• et l'ozone - O₃.

Les radicaux OH sont formés sous l'action du soleil et sont extrêmement réactifs ; ils ne restent donc pas très longtemps dans l'atmosphère.  Comme ils réagissent avec presque tous les autres composés chimiques, ils sont appelés  détergents de l'atmosphère.  Les radicaux nitrate sont, eux, formés pendant la nuit et décomposés par lumière du soleil.  Ils nettoient donc l'atmosphère pendant la nuit. Pour former ces composés et l'ozone, trois " ingrédients " sont nécessaires:  de l'oxygène, de la lumière et des oxydes d'azote (le monoxyde d'azote NO et le dioxyde d'azote NO₂).  L'ensemble de ces deux composés est appelé NO_x.

Le smog d'ozone

Des concentrations élevées d'ozone peuvent se former dans la troposphère lors des épisodes de smog d'ozone. L'ozone étant nocif pour la santé humaine et les plantes, de nombreuses études ont été menées pour connaître le processus de formation de ce smog.

7. La formation du smog d'ozone:  Elmar Uherek - cliquez sur l'image pour agrandir!  (100 K)
 

Allez voir la thématique BASSE ATMOSPHERE dans l'encyclopédie climatique pour plus de détails sur l'effet de serre, sur l'ozone troposphérique et sur d'autres sujets comme par exemple les feux de végétation.

A propos de cette page: 

auteur:  Dr. Elmar Uherek - MPI chimie, Mayence
dernière version: 10.06.2004