HISTOIRES D'AIR: L'ATMOSPHERE

Arletty avait-t-elle l'air d'avoir une gueule d'atmosphère ? Forcément un peu quand même puisque sans air, nulle vie sur Terre!

Dans le langage courant, air et atmosphère sont d'ailleurs intimement liés. L'atmosphère est, selon le dictionnaire, "la couche gazeuse qui enveloppe un planète ou un satellite" mais aussi "l'air que l'on peut respirer dans un lieu" avec, alors, la paradoxale expression d'une "atmosphère étouffante".

L'air est quant à lui définit comme "le gaz qui forme l'atmosphère" mais aussi un "vent léger", un "air en mouvant", comme dans l'expression "courant d'air", ce qui implique déjà une forme d'énergie.

Incolore, invisible et inodore, l'air "pur" se compose approximativement de:

• 78,1 % de diazote, souvent appelé à tort "azote" puisque constitué de deux atomes d'azote, comme l'exprime son sigle N₂. Il entre dans la constitution des protéines de tous les tissus vivants.

• 20,9 % de dioxygène, souvent appelé à tort "oxygène" puisque constitué de deux atomes d'oxygène, comme l'exprime son sigle O₂. Indispensable aux être vivants mais également à la combustion, d'où l'expression de "brûler sa vie par les deux bouts" ?

• 0,93% d'argon, gaz noble, rare ou inerte selon les expressions, noté Ar.

• 0,04% de dioxyde de carbone, aussi appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, le bien connu CO₂.

• le reste, soit environ plus grand chose (moins de 0,03%), est constitué des gaz (très) rares, exprimés en partie par million de volume (ppmv): le néon (18 ppmv soit 0,0018 %), le méthane (1,72 ppmv), le krypton (1,1 ppmv), le xénon (0,9 ppmv), du dihydrogène (0,72 ppmv), de l'ozone et une infime proportion de radon (6x10^-18 %!) pour faire bonne mesure.
   

Nous parlons ci-dessus d'un air sec au voisinage du sol et d'un mélange gazeux homogène: ces concentrations, à l'exception des gaz liés à l’activité humaine (dioxyde de carbone et ozone), demeurent constante, tout au moins dans les basses couches de l'atmosphère. Cet atmosphère est alors considéré comme un "gaz parfait".

En pratique, c'est rarement le cas. L'air est en effet généralement humide, chargé de vapeur d'eau, dans une proportion variable selon les conditions climatiques mais pouvant grimper jusqu'à 100% d'humidité relative dans certains pays asiatiques (ou dans un hammam). Cette "humidité relative" de l'air, ou degré hygrométrique, notée φ, est la mesure du rapport entre le contenu en vapeur d'eau de l'air et sa capacité maximale à en contenir dans ces conditions, avant qu'il n'y ait saturation (et donc qu'il ne pleuve). C'est la raison pour laquelle nous ne nous noyons pas dans un air à 100% d'humidité: à ce niveau, il n'y a jamais qu'une molécule d'eau pour quarante ou cinquante "molécules" d'air.

La proportion d'eau varie entre 0,1% en Sibérie à 5% dans les régions maritimes équatoriales avec une moyenne de 2%. Cela représente pas moins de 12000 milliards de tonnes d'eau! En moyenne, 18 millions de tonnes d'eau tombent chaque seconde quelque part sur terre tandis que notre planète perd quotidiennement 1700 tonnes d'eau. L'air atmosphérique peut au final être globalement considéré comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau.

Mais l'atmosphère contient aussi des particules solides en suspension, fines particules appelées "aérosols". On en distingue deux sortes :

• Organiques : pollen, graines, micro-organismes (bactéries et virus)

• Inorganiques : poussières, sable provenant de la terre, sel provenant des embruns, dioxyde de soufre (fumée industrielle, combustion de charbon, éruptions volcaniques),  oxydes d'azote, chlore, poussières de météores, sans oublier les résidus des quelques 143 000 substances chimiques relarguées par l’homme dans l’atmosphère.

Souvent occultés mais pourtant essentiels, les ions également présents dans l'air ont un effet non négligeables sur notre bien-être: négatifs pour les cations (chargés positivement) qui ont perdu leur électron, positif pour les anions (chargés négativement) qui ont gagné un électron. Il est important de vivre dans une atmosphère chargée en ions négatif (50 000/ / cm³ au pied d'une cascade mais plus rien du tout dans une pièce climatisée!) et nous expliquons comment les favoriser dans la section Solutions.

La composition de l'air a beaucoup varié selon les époques, la teneur en dioxygène variant notamment de 15% à 30%. Vers la fin du Carbonifère, il y a environ 300 millions d'années, le taux de dioxygène atmosphérique atteint un maximum de 35 % du volume de l'atmosphère, ce qui pourrait expliquer la grande taille des insectes et des amphibiens de l'époque.

Dernièrement, ce sont toutefois les composés inorganiques qui se sont surtout renforcés via l'activité humaine. On parlera à ce stade parler de "pollutions de l'air" et nous y reviendrons donc plus loin...

La limite entre l'atmosphère et l'espace n'est pas clairement délimitée par un poste frontière mais on la situe entre la "ligne de Kármán" à 100 km et l'altitude de 120 km qui marque la limite où les effets atmosphériques sont perçus lors d'une rentrée atmosphérique. Ce qui est sûr est que plus l'altitude augmente, moins l'atmosphère est dense. Cette baisse de pression est mesurée au moyen d'un altimètre ou d'un baromètre.

On distingue également entre "l'atmosphère terrestre" et "l'atmosphère solaire", en fonction des interactions de l'atmosphère face à l'attraction terrestre et à son champ magnétique. Cette parenté varie selon la latitude, de 60 km environ au niveau de l'équateur à environ 30 km au-dessus des pôles.

Pour encore un peu compliquer les choses, l'atmosphère est divisée en plusieurs couches, en rapport avec la température:

La troposphère, signifiant "changement" en grec, est la couche des phénomènes météorologiques (nuages, pluie, neige,...) et des mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents). Son épaisseur varie de 6-8 km aux pôles à 13-18 km au niveau de l'équateur. Elle contient 90 % de la masse totale de l'air (et de son oxygène) dont 50% en-dessous de 5 km, soit environ 2 millions de tonnes de particules d'air. Cette couche contient également 99,99% de la vapeur d'eau. Dans cette couche, la température décroît avec l'altitude (et davantage au-dessus de l'équateur qu'au-dessus des pôles!) ce qui permet à la vapeur d'eau de se condenser et de retomber sous forme de pluie. La pression chute également. du fait du brassage en continu, l'air de la troposphère présente une composition remarquablement homogène. La limite de cette couche est appelée "tropopause". 

(photographie d'un talentueux anonyme)

La stratosphère : de 6-18 à 48-60 km d'altitude, la température augmente avec l'altitude (sans que les scientifiques ne sachent exactement pourquoi) jusqu'à un maximum de 0-27°C. Cette couche héberge 90% de la couche d'ozone mais perd l'essentiel de son humidité. De ce fait, la masse d'air se stabilise, s'assèche et se stratifie, d'où le nom de cette couche. Normalement, le dégagement de poussières et de gaz provoqué par une éruption volcanique est stoppé à ce niveau mais il arrive, pour les éruptions les plus violentes (Pinatubo en 1981, Mont St.Helens en 1980, Krakatoa en 1883 ou Toba il y a 74000 ans) qu'il la dépasse, perturbant alors le climat durant des années (chute de température)... La limite de cette couche est appelée "stratopause". 

La mésosphère : entre 48-60 et 80-85 km, la température recommence à plonger. C'est à ce niveau que la plupart des météorites se consument en entrant dans l'atmosphère et donnent les "étoiles filantes". Au niveau de la stratopause - limite entre la stratosphère et la mésosphère - la pression atmosphérique représente environ 1/1000 de celle mesurée au niveau de la mer. Au niveau de la "mésopause" - frontière entre la mésosphère et la thermosphère - on enregistre par contre la température la plus basse de la terre: -83 à -123 °C environ.

La thermosphère : à partir de 80-85 km d'altitude et jusqu'à 700-800 km, la température grimpe en flèche jusqu'à un maximum de 1500-1700°C environ mais, du  fait de la très faible pression, ce coup de chaud spectaculaire ne serait même pas ressenti (s'il vous prenait l'envie de vous y balader avec un thermomètre): on parle d'ailleurs de température "électronique" ou "de brillance". Au contraire, la densité diminuant, il n'y a pratiquement plus de transfert de chaleur entre molécules et l'impression serait plutôt glaciale. La station spatiale internationale orbite ici, entre 320 et 380 km d'altitude. Pour être tout à fait précis, cette couche est subdivisée en trois zones: l'ionosphère (entre 85 et 350 km), la métasphère (entre 350 et 500 km) et la protosphère (entre 500 et 800 km). La limite de cette couche est appelée "thermo..." ?  Oui, c'est bien "... pause", merci de suivre!

L'exosphère : à partir de 700-800 km et jusqu'à 50 000 km, la dernière couche d'atmosphère terrestre se caractérise par une densité extrêmement faible des particules: elles sont tellement peu nombreuses qu'elles peuvent parcourir plus de 100 km sans entrer en collision et atteindre des vitesse extrêmes de 11 km/s. A ce "niveau d'échappement", il suffit qu'elles ratent un virage pour se retrouver dans l'espace interplanétaire...  En quête d'une atmosphère plus clémente ?

PS: toutes les valeurs d'altitudes sont données à titre indicatif et varient grandement selon les sites. Elles dépendent en effet de la latitude et de l'activité solaire. Des variations de 50 à 100 km sont donc acceptables.
 

Il existe une autre classification selon les propriétés électriques:

Le terme de "ionosphère" du schéma ci-dessus désigne l’atmosphère supérieure d’une planète (entre 48-60 à 700-800 km), la partie de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires. Ces particules chargées favorisent la propagation des ondes radio sur la Terre. Elle est en outre le lieu des aurores boréales et autres phénomènes lumineux transitoires liés aux orages (filaments bleutés surgissant au-dessus des nuages durant deux ou trois millièmes de seconde). Très précisément, l'ionosphère se divise en trois couches, D, E et F, aux propriétés électromagnétiques distinctes, variables selon la période (jour/nuit/saisons), la latitude et surtout l'activité solaire (émissions électromagnétique et de particules).
 

La couche d'ozone ou ozonosphère, essentiellement hébergée par la stratosphère, dispose de son nom propre du fait d'une composition chimique et physique différente constituée... d'ozone! Cet ozone (concentration de 2 à 8 ppm entre 20 et 40 km d'altitude), de son petit nom O₃, est produit par l'action "cassante" des ultraviolets du rayonnement solaire sur les molécules de dioxygène (O₂). Cet atome d'oxygène seul se liera alors avec une molécule de dioxygène pour donner l'ozone, aussi sûrement que 1 + 2 = 3!  Plus de détail sous Oxygène.

Nous avons déjà parlé de l'exosphère mais s'y ajoute encore la magnétosphère qui représente la région dans laquelle le champ géomagnétique interagit avec le vent solaire (et qui n'est pas ronde mais étirée dans l'espace comme la queue d'une comète) et enfin les ceinture de radiations de Van Allen où se concentrent les particules émises par le Soleil.

Enfin, selon sa composition, on parlera soit d'homosphère (basse atmosphère entre 0 et 80-85 km d'altitude: troposphère, stratosphère et mésosphère), soit d'hétérosphère (haute atmosphère à partir de 80-85 km d'altitude, thermosphère et l'exosphère.) Bref, beaucoup de sphères!

A partir de  l'hétérosphère, la molécule de dioxygène se brise pour donner deux atomes d'oxygène. Commence alors une diffusion des gaz: les éléments les plus légers diminuent moins rapidement que les éléments plus lourds, si bien qu'à 1500 km d'altitude, c'est  l'hélium (oui, celui des ballons, quatre fois plus léger que l'oxygène) qui sera l'élément prédominant. Viendra en tout dernier l'hydrogène atomique, quatre fois plus léger que l'hélium.

Tout comme l'eau des océans, l'atmosphère est sous influence de la rotation Terre-Lune ainsi que des interférences gravitationnelles de la Lune et du Soleil. Beaucoup plus légères et individualistes que les molécules d'eau, les molécules de gaz de l'air sont beaucoup plus libres de leurs mouvements: les marées atmosphériques sont ainsi des phénomènes beaucoup plus considérables que les marées océaniques...

La seule source d'énergie de la Terre est le rayonnement du Soleil... mais point trop n'en faut!

Seul 50% environ de cette énergie atteint le sol: environ 30% est renvoyée vers l'espace par l'air, les nuages ou les surfaces claires de la Terre (glaces, banquises, neige...) tandis que 20% environ est absorbée par l'atmosphère.
 

L'énergie absorbée par la Terre est ensuite restituée dans l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. Une partie de ce rayonnement infrarouge est absorbée par les gaz à effet de serre, ce qui a pour effet de réchauffer l'atmosphère. Cette chaleur est ensuite réémise à 80 % vers le sol: c'est "l'effet de serre" 

Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 °C, contre une moyenne de 15 °C actuellement.. Puis, la glace s'étendant sur l'ensemble du globe, la température se stabiliserait vraisemblablement de -50 à -100 °C.

En l'absence de la couche d'ozone absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, la vie n'aurait été possible que dans les océans, à une profondeur suffisante puisque les UV ne pénètrent qu'en surface. Ce fut le cas au cours de l'éon Archéen, il y a environ -3800 millions d’années (à quelques millions d'années près), lorsque l'atmosphère de la Terre était dépourvue de dioxygène... et donc d'ozone!

La quantité d’ozone est représentée par un dégradé allant du violet (faible quantité) au rouge (forte quantité).
On aperçoit au dessus de l’Antarctique un disque bleu (1980) ou violet (1985): c’est le fameux « trou ».

La disparition de cette très fine couche (qui retrouve alors sa forme de dioxygène originel), menacée par la pollution et en particulier par les émissions de gaz CFC (chlorofluorocarbure), constitue une menace pour la santé humaine, les rayonnements ultraviolets étant notamment responsables du cancer de la peau.

La magnétosphère nous protège également des particules interplanétaires... sans qu'il n'y ait parfois quelques ratés. Les orages magnétiques furent ainsi responsables de la panne de courant qui plongea New York dans le noir en 1972 ou de la chute du satellite Skylab en 1979.

La mésosphère nous protège des météorites qui, en se consumant, nous donnent à observer les étoiles filantes. Désagrégées, 0,03 tonne de météores arrivent quand même tous les jours sur notre sol... ce qui n'est rien comparé aux 50 à 100 tonnes de micrométéorites (d'un diamètre de 50 à 500 micromètres) qui s’accumulent chaque jour à la surface de la Terre!
 

L’absorption optique est une autre propriété importante de l'atmosphère. Le dioxygène et l'ozone absorbent ainsi presque toutes les longueurs d'onde inférieures à 300 nanomètres tandis que l'eau absorbera la plupart des longueurs d'onde au-dessus de 700 nm. Demeure heureusement des « fenêtres » de faible opacité, autorisant le passage de certaines bandes lumineuses. La fenêtre optique va d'environ 300 nm (ultraviolet-C) jusqu'aux infrarouges vers environ 1100 nm en passant par les longueurs d'onde de la lumière visible, à environ 400–700 nm.

Il existe en outre des fenêtres atmosphériques et radios transmettant certaines ondes infrarouges et radio sur des longueurs d'onde plus importantes. La fenêtre radio s'étend ainsi sur des longueurs d'onde allant de un centimètre à environ onze mètres.

C'est donc l'atmosphère qui nous permet également de lever les yeux vers le ciel. Sans elle, la lumière en provenance du soleil ne serait pas répartie et cela équivaudrait à regarder directement le soleil, ce que l'on appelle la "radiation directe". La lumière diffusée dans l'atmosphère est au contraire une "radiation indirecte".

Autre phénomène appelé "diffusion Rayleigh", le ciel apparaît bleu parce que les longueurs d'onde les plus courtes (bleu) se diffusent plus facilement que les plus longues (rouge). A l'inverse, lorsque le soleil est proche de l'horizon et que ses rayons doivent traverser davantage d'atmosphère (diffusion donc plus difficile), le bleu est vite épuisé et c'est le rouge qui subsiste... pour notre plus grand plaisir!
 

Aiguille Verte © Benoît Saint Girons

 

L'air, mélange de gaz,  n'est pas du vent mais de la matière!

La masse totale de l'atmosphère est approximativement de 5×10¹⁵ tonnes soit 1/1 200 000 la masse de la Terre. Plus précisément de 5,1480×10¹⁸ kg, soit 5 148 000 gigatonnes ou 5,1 millions de milliards de tonnes ! Cela semble énorme mais c'est 3000 fois moins important que la masse totale de l'eau de notre planète.

Sa superficie est de 51 007,2 megahectares (notez au passage l'importance de la virgule)

Son poids est ainsi de 5148000/51007,2 = 10,093 tonnes par mètre carré. D'où l'expression d'une "atmosphère pesante" ? Plus raisonnable, la masse d'un litre d'air à une température de 20°C est de 1,3 g.

L'air, comme tous les gaz, exerce une force sur la surface des objets environnants : c'est la "pression atmosphérique". Plus le nombre de chocs des particules sur les objets environnants est important, plus la pression est grande. Intéressante propriété qui nous évite par exemple d'exploser!

La chute de la pression étant quasi exponentielle avec l'altitude (elle diminue de moitié environ tous les 5,6 km), il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions. 90 % de la masse de l'atmosphère se trouve ainsi en dessous de 16 km d'altitude mais, même dans l'exosphère, l'atmosphère est encore présente, en témoigne la traînée subie par les satellites.

La pression atmosphérique moyenne, au niveau de la mer, est de 1 013 hectopascals ou 1,013 bar.

Le pascal (symbole "Pa") est l’unité SI (Système international) de contrainte et de pression. Il tient son nom du scientifique français Blaise Pascal (1623-1662).  Le bar (symbole "bar") équivaut à 100 000 pascals et signifie "pesanteur" en grec. Le millibar (symbole "mbar") équivaut donc à l’hectopascal (hPa) dans le système international. C'est cette unité de mesure qui est surtout utilisée en météorologie.

Un gaz est compressible ou expansible selon l'espace séparant ses particules. La densité de l'air au niveau de la mer est d'environ 1,2 kg/m³ (1,2 g/L). La densité décroît avec l'altitude mais ses variations sont relativement faibles dans les altitudes habitées. Il y a 5.3x10¹⁹ (53 milliards de milliards) molécules dans 1 cm³ d'air et deux fois plus d'atomes puisque l'air est essentiellement constitué de gaz diatomique (N₂ et O₂). A titre de comparaison, on dénombre 0,5 atomes /cm³ dans l'espace interplanétaire.

Il est aussi possible de liquéfier l'air. En effet, l'air est formé de différents gaz qui, lorsque refroidis suffisamment, passent à l'état liquide, puis à l'état solide. Ainsi, l'oxygène devient solide à la température de -218 °C. C'est d'ailleurs en refroidissant l'air que l'on arrive à séparer ses composants, chacun retrouvant son état gazeux à une température différente.

En conditions plus clémentes, l'air circule et distribue la chaleur provenant du Soleil en conjonction avec la circulation océanique. Comme toutes les régions au sol ne reçoivent pas la même quantité de radiation solaire - et ne réémettent du coup pas la même quantité d'énergie - le déséquilibre engendre des différences de pression et donc une circulation atmosphérique.

Le vent n’est ainsi qu’un vaste courant d’air, lié aux  différences de températures (l’air chaud s’élève au dessus de l’air froid) et de pressions (des zones de hautes pressions (anticyclones P > 1013hPa) vers les zones de basses pressions) ainsi qu'à la rotation de la Terre ("force de Coriolis"): les masses d’air sont déviées vers la droite dans l’hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud.
 

Sources (de savoir):
Wikipedia
http://www.astrosurf.com/luxorion/meteo-atmosphere.htm
http://jeanlouisetienne.com/images/encyclo/imprimer/09.htm