Introduction à l`atmosphère

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Introduction à l'atmosphère
L'origine de l'atmosphère
La théorie du "Big Bang" (événement qui s'est produit il y a 15 milliards d’années) nous explique
la formation de notre Univers. Cette théorie repose sur l'hypothèse généralement admise que
l'Univers est en expansion globale. Les galaxies se fuient les unes les autres, mouvement
engendré par une explosion originelle qui a marqué le début de l'expansion. Au début, toute la
matière qui forme l'Univers était concentrée en un point. Il était alors caractérisé par une densité
et une température infinie et un rayon nul. Dans ces conditions pas même les noyaux atomiques
ne pouvaient avoir une existence propre.
Quelques secondes après l'explosion l'Univers est une "soupe" de particules et radiation. Dans
cette "soupe" il se forme des irrégularités qui vont être amplifiées par la gravité. La gravité est
une force d'attraction entre les corps qui dépend de leurs masses et de la distance que les séparent.
La loi de gravité nous permet de calculer cette force:
L'excès de gravité qui est associé à l'excès de matière et de radiation contenue dans une
irrégularité attire d'autres irrégularités qui s'unissent à l'irrégularité originale, contribuant ainsi à
sa croissance. La condensation des particules due à la force de gravité forme les étoiles, les
galaxies, et les planètes.
Tableau 1-1: Pourcentage par volume des gaz
émis par les volcans d'Hawaii.
source: Anthes 1992 p.3
Tableau 1-2: Composition de l’atmosphère
actuelle près de la surface.
source: Anthes 1992 p.4
Notre planète, la Terre, avec son atmosphère primordiale, s'est formée il y a 4,5 milliards
d’années. Si on admet que son origine est due à l'agrégation des particules cosmiques, la Terre
devait être en fusion après sa formation à cause de la pression et de la température due à la

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contraction gravitationnelle. L'atmosphère de la Terre à cette époque a dû s'échapper vers l'espace
de la même façon que les vapeurs d'un liquide en ébullition. Ces températures très élevées
expliquent la petite quantité d'éléments légers comme l'hydrogène, l'hélium, l'argon et le néon
moléculaire dans l'atmosphère terrestre actuelle. L'augmentation de température coïncide avec
une augmentation de la masse et de l'intensité du champ gravitationnel de la Terre. Cette
augmentation a permis la rétention de certains gaz. L'atmosphère primitive doit être d'origine
volcanique donc essentiellement constituée de vapeur d'eau, dioxyde de carbone, monoxyde de
carbone, azote, dioxyde de soufre et des traces d'autres gaz.
La vapeur d'eau se condense et forme les océans. L'hydrogène, très léger, s'échappe vers l'espace.
Le gaz carbonique se combine à d'autres minéraux et est absorbé par les océans et utilisé par les
êtres vivants. L'azote y reste parce que cet élément est chimiquement peu actif. Le soufre se
combine à d'autres éléments et se retrouve dans les roches. L'oxygène est un sous-produit de la
vie. (Les autres gaz rares sont parfois importants pour le climat - à venir)
L'atmosphère (0-700? km)
La raréfaction de l'air avec l'altitude étant progressive, il est impossible d'assigner une limite au
milieu atmosphérique, c'est-à-dire de déterminer son épaisseur.
Composition de l'atmosphère actuelle
Quatre-vingt-dix pour cent de l'atmosphère terrestre est formée d’azote (Nitrogène, N2) et
d'oxygène (O2). Les autres constituants permanents de l'atmosphère sont les cinq gaz nobles
argon, néon, hélium, krypton et xénon ainsi que le dioxyde de carbone (CO2), l'hydrogène (H2),
le méthane (CH4), l'oxyde d'azote (N2O) et le radon (Rn). Le mélange de gaz dans les 80
premiers kilomètres est uniforme sauf pour le cas de l'ozone.
source: Devuyst 1972 p.13
Tableau 1-3

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Les constituants les plus importants dont la concentration est variable sont la vapeur d'eau, le
dioxyde de carbone, l'ozone (O3) et certaines particules en suspension.
L'eau existe dans les trois états (ou phases) liquide, solide et gazeux et ceci à cause des
températures caractéristiques de notre planète.
source: Anthes 1992 p.8
Figure 1-1

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Structure verticale de l'atmosphère terrestre
Profil vertical de la température
La notion de température au niveau moléculaire est associée à la vitesse moyenne de déplacement
aléatoire des molécules. Ceci veut donc dire que si la vitesse de déplacement des molécules est
grande, la température sera élevée et inversement, si la vitesse de déplacement des molécules est
faible, la température sera plus faible.
Figure 1-2: figure représentant la température. Les flèches représentent la vitesse des molécules: plus les flèches
sont grandes, plus la vitesse est grande.
On peut voir dans la figure de gauche que la température est plus faible que celle dans la figure
de droite puisque dans la figure de gauche, on remarque que la vitesse moyenne de déplacement
des molécules est plus faible que celle dans la figure de droite.
Il faut rappeler que les solides sont formés de molécules ayant une position fixe mais elles
peuvent vibrer, ce qui augmente la chaleur.
Le fait qu’on puisse ressentir la sensation de chaleur s’explique par le fait que losque les
molécules de l’air qui ont des vitesses de déplacement rapide entrent en contact avec les
molécules de notre peau elles transfert leur énergie de mouvement aux molécules de peau qui
vibrent davantage(donc la peau est plus chaude).
Exemple: en augmentant l'énergie d'une masse de glace, les molécules oscillent de plus en plus
vite jusqu'au moment où leurs liens rigides soient rompus. La glace devient alors un liquide.
L'énergie qu'on doit ajouter à une masse donnée de glace à 0° C pour rompre les liens et la faire
fondre est appelée chaleur latente de fusion (80 calories/gramme). L'énergie qu'on doit ajouter à
une masse donnée d'eau à 100° C pour rompre les liens et évaporer l'eau est appelée chaleur
latente d'évaporation (540 calories/gramme). Lorsque l'eau condense et redevient liquide, cette
chaleur est libérée.
Les mesures de température dans l'atmosphère nous montrent que celle-ci ne varie pas de façon
monotone avec la hauteur. La courbe de température défini 5 couches principales dans
l'atmosphère terrestre:
La troposphère 0-10 km (variable)
La stratosphère 10-50 km (variable)
La mésosphère (50-85 km)

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La thermosphère (85-600 km)
L'exosphère (>600 km)où les gaz peuvent s'échapper vers l'espace.
Profil vertical de densité
La densité est la quantité de masses contenue dans un volume. Au niveau moléculaire, elle est
définie comme étant le nombre de molécules multiplié par la masse de chaque molécules
occupant un volume. Ceci veut dire que plus il y a de molécules dans un volume quelconque et
plus la masse des molécules est grande, plus la densité sera grande et moins il y a de molécule
dans ce volume et moins la masse des molécules est grande, plus la densité sera petite.
Figure 1-3: figure représentant la densité. Plus il y de molécules, plus la densité est grande.
On remarque que pour un même gaz et deux volumes égaux, dans la figure de gauche, la densité
est plus grande que celle dans la figure de droite puisque le nombre de molécules dans la figure
de gauche est plus élevé que le nombre de molécules dans la figure de droite.
Normalement on la mesure en kilogramme par mètre cube (Kg/m3). L'air est compressible et est
donc plus comprimé près du sol. La densité de l’air augmente donc à mesure qu’on se rapproche
du sol.
Profil vertical de pression
La pression est une force appliquée sur une surface causée par les molécules qui frappent cette
surface. Au niveau moléculaire pour un gaz donné, elle est associée à la fois à la vitesse des
molécules qui frappent une surface et au nombre de molécules qui va frapper cette surface.
C’est-à-dire que plus il y a de molécules qui frappent une surface et plus leur vitesse est grande,
plus forte sera la force exercée sur la surface. À l’inverse, moins il y a de molécules qui entrent
en collision et moins leur vitesse est grande, moins grande sera la force exercée sur la surface.