La structure de l'atmosphère

C'est quoi, l'atmosphère ?

On appelle « atmosphère » l'enveloppe gazeuse qui entoure certains corps célestes comme, par exemple, la Terre, Vénus ou Mars. Les gaz sont maintenus autour de ces corps célestes par la force gravitationnelle qui les retient et les empêche de s'échapper vers l'espace.

L'épaisseur de l'atmosphère est fluctuante, entre 350 et 800 km ; elle dépend en particulier de l'activité solaire ; l'épaisseur moyenne est d'environ 600 km.

Au-delà de cette altitude, on est dans l'exosphère : ce n'est pas le vide qui y règne, on y rencontre encore quelques très rares particules, d'hydrogène et d'hélium essentiellement, mais si rares que l'on peut considérer qu'il n'y a jamais de collision entre elles. Ces particules ne sont plus retenues par la gravité terrestre et peuvent s'échapper vers l'espace. 

Le passage de l'atmosphère à l'exosphère ne se présente pas du tout comme une frontière nette entre deux domaines de caractéristiques bien distinctes, mais plutôt comme une transition progressive. En effet, le nombre de molécules de gaz par mètre cube diminue constamment à mesure que l'on s'élève dans l'atmosphère, jusqu'à atteindre les concentrations très faibles, caractéristiques de l'exosphère.

Les molécules des gaz atmosphériques sont donc essentiellement concentrées près du sol. Ainsi, la moitié de la masse de l'atmosphère se situe au-dessous de 5 500 mètres, les 3/4 au-dessous de 10 km, les 9/10 au-dessous de 16 km ; 99 % de la masse de l'atmosphère se situe entre 0 et 30 km. Dans cette couche, la composition chimique de l'air est relativement homogène. 

La composition chimique de l'atmosphère terrestre

L'atmosphère terrestre est originale, comparée à celles des autres planètes du système solaire. Ainsi, les atmosphères de Vénus et de Mars sont très riches en dioxyde de carbone CO₂ (respectivement 97 % et 95 % de ce gaz), alors que l'atmosphère terrestre en contient très peu.

L'eau joue un rôle extrêmement particulier dans l'atmosphère terrestre : la vapeur d'eau est le seul gaz à y présenter une concentration très variable dans le temps et dans l'espace. Les autres gaz, eux, ont une concentration relativement stable et homogène, même s'il y a évidemment des fluctuations. 

Une autre particularité de l'eau, essentielle, est que ce corps est le seul présent dans l'atmosphère à présenter des changements d'état aux températures habituellement rencontrées sur notre planète : ainsi, aux températures usuelles sur Terre, on voit quotidiennement de la vapeur d'eau se condenser, et de l'eau liquide parfois se changer en glace ; et on voit non moins couramment de l'eau liquide s'évaporer.

Les autres constituants de l'atmosphère, quant à eux, ne se présentent qu'à l'état gazeux ; il faudrait des températures extraordinairement froides (que l'on pourrait atteindre dans un laboratoire, mais que l'on ne trouve jamais naturellement dans l'atmosphère) pour les rencontrer à l'état liquide ou solide.

L'eau joue un rôle tellement particulier dans l'atmosphère que les météorologistes décrivent habituellement l'air atmosphérique comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau qu'ils traitent à part. 

Commençons par parler un peu de l'eau. En moyenne, elle ne représente que 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère, ce qui en fait un constituant assez minoritaire. L'eau se rencontre essentiellement dans les premiers kilomètres de l'atmosphère. On la trouve sous forme de vapeur, et aussi sous forme liquide (dans les nuages, brouillards…) et solide (dans certains nuages). Insistons sur le fait que la vapeur d'eau est un gaz invisible, présent partout dans l'atmosphère (dans votre salon, il y a de la vapeur d'eau !)

Décrivons maintenant la composition de l'air sec, avec le tableau ci-dessous :

Signalons que cette liste de gaz n'est pas exhaustive ; certains gaz dont les pourcentages en volume sont encore plus faibles n'apparaissent pas.
 
On constate sur ce tableau que trois gaz, l'azote, le dioxygène et l'argon, constituent presque 100 % du total ; les autres gaz ne représentent chimiquement que des traces.
 
Malgré leur très faible concentration, certains de ces gaz à l'état de trace jouent un rôle important.
 
- Ainsi, les gaz dits « à effet de serre » limitent les pertes d'énergie par rayonnement de la surface de la Terre, et entraînent donc un réchauffement de la température de notre planète. L'effet de serre est très bénéfique pour la Terre : sans lui, les températures seraient glaciales, peu propices à la vie. Le problème mis en évidence au cours des dernières décennies réside dans l'augmentation de l'effet de serre à cause des activités humaines (l'utilisation croissante des combustibles fossiles et accessoirement le déboisement). Le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄) sont deux gaz impliqués dans cette augmentation de l'effet de serre.

- L'ozone O₃ joue lui aussi un rôle crucial, malgré sa très faible concentration. Son importance réside dans sa capacité à absorber une grande partie des rayonnements ultraviolets en provenance du Soleil et à « protéger » la surface de la Terre de ce rayonnement dangereux.

L'ozone se trouve essentiellement en altitude, avec un pic de concentration vers 25 km (voir graphique)  : c'est la célèbre « couche d'ozone », qui présente malheureusement des trous fluctuants, apparaissant et disparaissant au-dessus des pôles selon le moment de l'année (voir animation).

Il y a un peu d'ozone dans les basses couches, dans l'air que nous respirons : cet ozone de basse couche est essentiellement produit par les activités humaines ; autant l'ozone d'altitude est bénéfique pour la vie, autant celui près du sol est néfaste pour nous : c'est un gaz irritant, très peu apprécié par nos poumons !

Les aérosols
L'atmosphère terrestre, on vient de le voir, est composée de corps à l'état gazeux (essentiellement de l'azote et du dioxygène) et d'eau, qui présente la particularité d'exister dans l'atmosphère sous ses trois états : solide, liquide et gazeux.

Ce n'est pas tout ; on y rencontre aussi ce que les météorologistes appellent des aérosols : ce sont des particules solides ou liquides (à l'exclusion des gouttelettes ou des cristaux d'eau) en suspension dans l'air. Certains aérosols sont d'origine naturelle, comme les cendres volcaniques, le pollen des fleurs, les spores de plantes ou les cristaux de sel marin ; d'autres sont produits par l'activité humaine (rejets industriels).

La présence de ces aérosols dans l'atmosphère n'est pas anodine du tout : en effet, certains d'entre eux ont la propriété de faciliter la formation des gouttelettes d'eau ou des cristaux de glace qui forment les nuages.
 

Variations de la température avec l'altitude

On a mis en évidence, dans l'atmosphère, un certain nombre de couches caractérisées par leur profil thermique vertical.

- La première couche, celle dans laquelle nous vivons, s'appelle la troposphère. Elle est épaisse d'une dizaine de kilomètres, et elle est caractérisée par une décroissance moyenne de la température avec l'altitude de 0,65 °C par 100 mètres. La troposphère est la couche dans laquelle ont lieu l'immense majorité des phénomènes météorologiques ; elle contient presque toute la vapeur d'eau.
La limite supérieure de la troposphère s'appelle la tropopause. Son altitude varie en fonction de la latitude, ainsi que de la situation météorologique. On la trouve en moyenne vers 6 à 8 km aux pôles, 11 km aux latitudes tempérées et vers 16-18 km aux latitudes équatoriales.

- La seconde couche s'appelle la stratosphère, caractérisée par une croissance de la température avec l'altitude, d'abord très faible, puis devenant plus nette à partir de 30 km.
La limite supérieure de la stratosphère s'appelle la stratopause, qui se situe en moyenne vers 50 km d'altitude, avec une température moyenne de 0 °C.

- La troisième couche s'appelle la mésosphère ; on y observe une décroissance rapide de la température avec l'altitude, cessant brusquement à la mésopause, située vers 80 km et 1 Pa et où l'on a des températures comprises entre –120 °C et –50 °C.

- Enfin, au-delà de 85 km environ, c'est la thermosphère ; on y observe une augmentation rapide de la température avec l'altitude. Signalons que les molécules de gaz y deviennent si rares que la notion de température établie sur l'agitation des molécules n'a plus vraiment de sens à partir de 100 km environ. À ces hautes altitudes, les particules commencent à interagir avec le vent solaire.

Le schéma ci-dessous récapitule ces différentes couches, pour une atmosphère « standard » aux moyennes latitudes.

Ce profil vertical de température est totalement lié à la composition chimique de l'atmosphère, et à la capacité des différents gaz qui la composent d'absorber certains rayonnements. Ainsi, l'augmentation de la température avec l'altitude dans la stratosphère, et donc le maximum relatif de température à la stratopause, s'explique par l'absorption des UV par l'ozone stratosphérique.