article court - LaCaverneD`AliBaba

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ATMOSPHÈRE
GÉNÉRALITÉS
DESCRIPTION
L'atmosphère est la couche gazeuse qui entoure notre planète et qui s’étend de sa
surface jusqu'à une hauteur difficile à établir, mais que, par convention, on place à
environ 1 000 km d'altitude. Il est difficile d’établir avec précision la limite supérieure
de l'atmosphère, car celle-ci est composée de gaz qui se compriment facilement.
Sous l’action de la gravité, l'atmosphère se concentre par conséquent en une
couche fine très proche de la surface. La masse de l'atmosphère est concentrée à
raison de 50 % dans la couche qui se trouve au-dessous de 5,6 km, et à 99 % au-
dessous de 40 km. La densité et la pression baissent rapidement lorsque l'altitude
augmente. À 100 km d'altitude, l'atmosphère est extrêmement raréfiée et la
pression est égale à un millionième seulement de la pression mesurée à la surface
terrestre.
Sur la base d'une analyse simple, il semble que la masse totale de l'atmosphère
(5,15 x 1018 kg) soit distribuée uniformément sur la sphère terrestre. Il existe
cependant quelques différences entre l’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud, ainsi
que des différences considérables en fonction des saisons. En règle générale, la
masse tend à se concentrer dans les zones subtropicales (entre 20 et 40 degrés de
latitude nord ou sud), suivant le mouvement du Soleil. La distribution de la masse a
des conséquences importantes sur les phénomènes qui peuvent se produire dans
l'atmosphère.
COMPOSITION
L’air qui compose l'atmosphère n’est pas une substance pure, mais un mélange de
gaz et de particules solides et liquides de dimensions microscopiques. Certains des
gaz qui constituent l'atmosphère, tels que l’oxygène et l’azote, sont considérés
comme stables. En effet, leur concentration est constante car elle dépend de
processus et d’équilibres géologiques qui évoluent très lentement. Même si, au
cours de l’histoire de la Terre, les concentrations de ces gaz ont changé, elles
peuvent être considérées comme stables pour les échelles de temps qui
concernent les phénomènes météorologiques et climatiques.
Vapeur d’eau
Outre l'oxygène et l’azote, il existe dans l'atmosphère d’autres gaz, qui jouent un
rôle important, mais dont la concentration varie considérablement dans le temps et
dans l’espace.
La vapeur d’eau, c'est-à-dire la phase gazeuse de l’eau, joue un rôle fondamental
dans la régulation de l’équilibre entre l’énergie reçue du Soleil et l'énergie réémise
par la Terre, et, naturellement, dans la formation et la dynamique des nuages.
La vapeur d’eau se concentre près de la surface terrestre, où elle peut atteindre
4 % du volume de toute l'atmosphère, mais elle est pratiquement absente au-

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dessus de 10 km. L’eau sous forme de vapeur n’est pas un constituant passif, mais
elle interagit avec le rayonnement solaire et avec l’énergie réémise par la Terre
chauffée par le Soleil.
La quantité de vapeur d’eau qui peut rester dans l'atmosphère dépend de la
température. En général, l’air chaud contient plus de vapeur d’eau que l’air froid.
C'est pour cette raison que l’air, à la hauteur des tropiques, contient une quantité
pouvant aller jusqu’à 15-16 g d’eau par kilogramme d’air sec.
Aux latitudes moyennes, on mesure des concentrations beaucoup plus faibles.
Gaz carbonique
Même s’il est présent dans des proportions très faibles, le gaz carbonique est un
régulateur important de la température de la Terre. Le gaz carbonique est
transparent aux rayons solaires, mais il absorbe le rayonnement thermique émis
par la surface terrestre, ce qui rend plus difficile la diffusion d’énergie vers l’espace.
Le gaz carbonique présente une forte variabilité saisonnière, due à la variation de
biomasse entre l’été et l’hiver dans les grandes forêts de Latifoliées. L’hiver, la
chute des feuilles augmente le gaz carbonique, tandis qu’au printemps
l’augmentation d’activité de la photosynthèse soustrait du gaz carbonique à
l'atmosphère. Les transformations du gaz carbonique font partie du complexe cycle
du carbone, qui comprend les transformations du carbone entre l'atmosphère, la
biosphère et l’océan.
Ozone
L’ozone, une forme particulière d’oxygène gazeux, est le troisième composant actif
et de concentration variable de l'atmosphère. Sa concentration dépend de
réactions chimiques, qui dépendent toutes à leur tour de l’énergie solaire. Ces
réactions sont aussi fonction de la température, et donc des caractéristiques de la
circulation atmosphérique. Contrairement aux autres gaz atmosphériques, qui ont
une diffusion presque uniforme, l’ozone n’est présent que dans certaines zones. La
majeure partie de l’ozone est concentrée dans une couche située à une altitude
élevée, tandis qu’une petite partie seulement se trouve dans le reste de
l'atmosphère. La couche d’ozone joue un rôle fondamental, car elle absorbe les
rayons ultraviolets les plus énergétiques qui, sinon, rendraient impossible
l’existence de la plupart des formes de vie terrestres.
Gaz à effet de serre
Au cours de ce dernier milliard d’années, la composition de l'atmosphère a subi de
nombreuses modifications associées aux processus géologiques, même si les
experts ne s'accordent pas sur les formes et les modalités de ces modifications. Ils
sont, toutefois, d’accord sur un point. La société moderne est en train de modifier la
composition de l'atmosphère, et ce à une rapidité sans précédent. Depuis le siècle
dernier, la concentration de gaz carbonique est passée de 290 ppm (parties par
million) à 345 ppm, surtout à cause de l’emploi de combustibles fossiles. Chaque
fois que nous prenons la voiture ou que nous allumons la télévision, nous ajoutons
un peu de carbone à l'atmosphère. Même une augmentation apparemment réduite
peut malheureusement avoir des effets très graves sur le climat de la Terre.

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L'atmosphère contient, dans des quantités moindres, d’autres gaz que l’oxygène, le
gaz carbonique ou l’ozone : le méthane, par exemple. La présence du méthane est
due à des phénomènes naturels ou à la combustion de sous-produits de
l'extraction du pétrole. Le méthane a lui aussi des effets indirects sur le climat. Tout
comme le gaz carbonique, en effet, il absorbe l’énergie émise par la surface
terrestre, contribuant de la sorte à augmenter l’effet de serre.
Signalons également, parmi les éléments produits par les activités humaines, les
chlorofluorocarbones ou CFC.
Il s'agit de composés de carbone et de fluor, qui existent sous des formes
chimiquement différentes dépendant des proportions relatives de fluor et de
carbone, mais ayant des effets semblables sur l'atmosphère. Il y a quelques
années, ces composés étaient très employés dans l’industrie, en raison de leur prix
modéré et de leur faible toxicité. On les utilisait comme propulseurs dans les
atomiseurs, comme fluide réfrigérant dans les serpentins des réfrigérateurs et
comme solvant dans l’industrie électronique. On dit que pour démontrer leur non-
toxicité, les premiers chercheurs lavaient la vaisselle dans les CFC. Ce n’est que
bien plus tard qu'on a découvert que les CFC étaient de véritables agents
destructeurs de l’ozone stratosphérique, ayant des effets dévastateurs sur la
couche de protection de la surface de la Terre contre les rayons ultraviolets les plus
dangereux (voir Le trou de l’ozone).
LA FORMATION DE L'ATMOSPHÈRE
Si l’on compare l'atmosphère terrestre à celle des autres planètes du Système
Solaire, ses particularités sont très caractéristiques. Elle est dominée par la
présence de l’azote (78 %), et de l'oxygène (21 %, une valeur unique dans notre
système planétaire). Pour le reste, l'atmosphère est composée de gaz, tels que le
gaz carbonique, la vapeur d’eau, et de plusieurs autres gaz qu’on appelle gaz
rares. Cette composition particulière ne peut être comparée à celle d’aucune autre
planète. L’atmosphère de Vénus et l’atmosphère de Mars sont très différentes de
l'atmosphère terrestre. On peut formuler de nombreuses hypothèses sur l’origine
de l'atmosphère terrestre, mais quelle que soit l’hypothèse choisie, il est clair que,
dans les phases initiales de sa formation, l’atmosphère terrestre doit avoir été le
produit de la libération de quantités énormes d’eau et de gaz de formation récente.
En outre, on ne peut comprendre la formation et l’évolution initiale de l’atmosphère
sans tenir compte aussi de l’histoire parallèle de l’hydrosphère, c'est-à-dire de
l’ensemble des eaux de la surface terrestre. Les hypothèses avancées pour
expliquer la formation de l'atmosphère se contredisent souvent en partie, et la
question est encore bien loin d’être résolue.
L'atmosphère primitive
Les premiers chercheurs qui ont étudié l'atmosphère terrestre primitive estimaient
qu’elle était composée surtout de méthane, d’ammoniac, d’hydrogène et de vapeur
d’eau, c'est-à-dire des éléments typiques de la poussière interstellaire. Une
atmosphère de ce type aurait pu être compatible avec la formation des premières
formes de vie du fait de la présence des composés de base des cellules vivantes
(voir L’océan primordial). On ne sait pas si cette composition est proche de celle
que la Terre possédait réellement il y a plus d’un milliard d’années, époque où elle
a, selon toute vraisemblance, commencé à s’enrichir en oxygène. Ce qui est

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certain, c’est que cette composition ne peut pas avoir été constante pendant très
longtemps. En effet, certaines considérations de nature chimique, liées à l’évolution
de gaz rares, tels que le néon, laissent à penser qu’il faut rechercher l’origine de
l'atmosphère à l’intérieur de la Terre. Autrement dit, quand une série de mélanges a
permis la formation du manteau et du noyau de la Terre, les éléments les plus
légers se seraient « échappés » des zones centrales pour se distribuer ensuite
autour de la Terre dans l’enveloppe gazeuse appelée atmosphère.
Quelle était la composition de cette enveloppe avant l’enrichissement en oxygène
qui l’a amenée à être ce qu’elle est actuellement ? Commençons par l’azote, un
gaz inerte qui ne se combine pas facilement avec d’autres éléments, et pour lequel
on ne connaît pas de mécanisme en mesure d’augmenter le pourcentage actuel
(près de 4/5). Sans doute, dès le début, l’azote existait-il déjà en grandes quantités.
En revanche, l’hydrogène et, surtout, le soufre, proviennent probablement des
volcans, tandis que les gaz rares tirent vraisemblablement leur origine de la
transmutation radioactive d’éléments comme le potassium. En outre, il y avait déjà
une grande quantité de gaz carbonique, comme en témoignent les grandes
quantités de carbone qui se sont déposées sur toute la surface de la Terre sous
des formes différentes (pétrole, carbone, roches calcaires). On peut même
supposer que la quantité de gaz carbonique était au moins 100 fois supérieure à la
quantité actuelle.
L’origine de l'oxygène
L’une des caractéristiques les plus particulières de l'atmosphère terrestre est la
présence d’oxygène. Nous ne savons pas pourquoi la composition de l'atmosphère
de la Terre est si différente de celles des autres planètes, mais l’on peut tout de
comprendre l’origine de l'oxygène atmosphérique. Tout d'abord, il n’y a pas de
raison de penser que l'atmosphère primitive était déjà si riche en oxygène. En effet,
les roches les plus anciennes, qui remontent à la période entre moins 3,5 et moins
2 milliards d’années, ne s’altéraient pas dans une atmosphère oxydante. Si cela
avait été le cas, elles auraient en effet dû présenter des minerais de fer « oxydés »,
c'est-à-dire altérés par suite du contact avec des quantités d’oxygène élevées. Or
ces minerais sont « réduits », c'est-à-dire qu’ils ont été altérés pratiquement en
l'absence d’oxygène.
De plus, même d’un point de vue théorique, la présence il y a environ 1,5 milliard
d’années de quantités élevées d’oxygène n’aurait pas été possible. En effet, cette
présence ne serait pas compatible avec l’origine de la vie sur Terre. Si étrange que
cela puisse paraître, alors que l'oxygène est absolument indispensable pour son
développement, il ne favorise pas la naissance de la vie et ne pouvait donc être
présent de façon significative dans l'atmosphère primitive.
Comment s’est donc accumulée une quantité si élevée d’oxygène ?
Théoriquement, deux processus peuvent permettre ce genre de résultat : la
dissociation de l’eau par les rayons ultraviolets (ondes électromagnétiques) et la
photosynthèse de la chlorophylle opérée par les plantes. Dans le premier cas,
l’action des rayons ultraviolets du Soleil divise effectivement l’eau en hydrogène et
en oxygène, mais ces deux éléments tendent à se recombiner immédiatement sans
« se libérer ». En réalité, ce processus crée une quantité limitée d’oxygène, si
limitée que des dizaines de milliards d’années auraient été nécessaires pour
obtenir la quantité actuelle d'oxygène. Or, la Terre n’a que 4,6 milliards d’années.
Dans le deuxième cas également, de l'oxygène libre se dégage de la réaction
effectuée par les plantes entre le gaz carbonique, l’eau et la lumière du Soleil. Dans

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ce cas, toutefois, la quantité est suffisante (environ 20 milliards de tonnes par an)
s’il y a des plantes vertes en quantités élevées. Le fait que cette quantité ait été
suffisante peut être démontré par la formulation de quelques hypothèses
simplificatrices. Pour conclure, en plus de la validité théorique de ce processus
d’augmentation d’oxygène, il existe de nombreuses preuves géologiques
démontrant que la photosynthèse effectuée par les plantes vertes est le principal
processus de formation de l’oxygène dans l'atmosphère.
LA STRUCTURE STATIQUE DE L'ATMOSPHÈRE
DISTRIBUTION DES CONSTITUANTS
Les mouvements, les tourbillons et les courants qui se succèdent en permanence
dans l'atmosphère mélangent très bien les différents gaz présents. Un observateur
se trouvant à n’importe quel point de la planète mesurera les mêmes
concentrations d’oxygène et d’azote.
La capacité de mélange de l’atmosphère est telle que même le gaz carbonique,
produit principalement dans l’hémisphère Nord et dans les pays industrialisés, est
distribué uniformément sur toute la planète. La différence de concentration de ce
gaz entre les deux hémisphères est à peine perceptible.
En revanche, la vapeur d’eau n’est pas distribuée aussi uniformément. Sa
distribution verticale et horizontale est très particulière. Elle tend à se concentrer
près du sol et dans les zones tropicales (grosso modo entre 30° de latitude nord et
30° de latitude sud). Pour comprendre cette distribution, il faut étudier le rôle joué
par l’eau dans tout le système atmosphérique. Contrairement aux autres
constituants, l’eau est présente dans l'atmosphère dans ses trois phases, liquide
(eau), gazeuse (vapeur), solide (glace). Les transformations d’une phase à l’autre
constituent un processus extrêmement important dans la dynamique
atmosphérique et dépendent essentiellement de la température. La distribution de
la vapeur d’eau est un bon indicateur de la température atmosphérique.
STRUCTURE VERTICALE
Nous allons commencer notre voyage dans l'atmosphère en observant le
comportement de la température au fur et à mesure que l’on s’élève dans
l'atmosphère.
Imaginons que nous nous trouvions dans un ballon aérostatique, et que nous
ayons pour tout compagnon un thermomètre et un outil pour mesurer l’altitude à
laquelle nous nous trouvons, un altimètre. Pendant notre ascension, nous
mesurerons la température et l’altitude à des intervalles réguliers.
La journée est belle, le ciel limpide et sans nuage, l’air clair et très sec. Le pilote
lâche l’ancre, et le ballon, sans à-coup, s’élève lentement. Mesurons la température
de départ : 20 degrés Celsius (20 °C). L’aérostat monte lentement. À 100 m
d’altitude, la température est de près de 19 °C. Nous continuons notre ascension et
nous remarquons que le thermomètre va dans la direction opposée à celle de
l’altimètre. Alors que le premier continue de descendre, le second monte de plus en
plus, suivant le mouvement du ballon. À 500 m d'altitude, nous sommes à environ
15 degrés. Le ballon monte de plus en plus, et la fraîcheur agréable passe à un
froid de plus en plus vif. À 1 km d’altitude, nous sommes à 10 °C, à 1,5 km nous