Structure de l'atmosphère terrestre aujourd'hui

L'atmosphère.

Ce terme provient du grec (atmos) qui signifie "vapeur".

Ce mot désigne l'enveloppe gazeuse qui entoure les planètes. La Terre n'est pas la seule planète du Système Solaire, ni même de l'Univers, à posséder une atmosphère. Loin s'en faut ! Même le Soleil a une atmosphère !

Bien sûr, tous les astres n'en ont pas, comme Mercure par exemple. Trop proche de notre étoile, son atmosphère primitive a été balayée par les vents solaires il y a plusieurs milliards d'années. D'autres astres en ont une, mais très fine.
Mars par exemple, trop petite et donc dotées d'une gravité trop faible pour conserver une atmosphère dense, ne dispose que d'une fine couche de gaz autour de sa surface.
Même la Lune présente une atmosphère ! Certes, elle est si ténue qu'elle peut être considérée comme absente de notre satellite naturel, mais elle existe tout de même !

D'autres encore en possèdent une si épaisse et si dense qu'elle empêche de voir la surface du sol, comme c'est le cas pour les géantes gazeuses, dont l'atmosphère représente plusieurs milliers de kilomètres d'épaisseur !

La Terre tient une position de choix dans notre système solaire. Ni trop éloignée ni trop proche, ni trop grosse ni trop petite... Il n'y a pas à tortiller, notre belle planète Terre est un véritable paradis ! Et si elle est ce monde de vie et de diversité que nous connaissons, c'est - entre autres ! - en raison de son atmosphère.

Il y a bien des choses à raconter sur ce mélange gazeux dans lequel nous évoluons tous ! Commençons donc notre discussion par l'explication de la figure présentée ci-dessous.

Êtes-vous prêts ? Mettez vos masques, prenez une grande inspiration et en avant ! Direction la haute altitude terrestre !

 L'atmosphère terrestre, qu'est-ce que c'est ?

L'atmosphère terrestre est la couche de gaz qui entoure notre planète. Il est assez difficile de déterminer son épaisseur. En effet, outre le fait qu'elle ne soit pas d'épaisseur constante sur toute la planète (dans la vraie vie, les constantes n'existent pas, tout est composé de variables), les molécules de gaz qui la remplissent diminuent en quantité de la base à son sommet de façon progressive. Voir la transition, la limite, entre la fin de notre atmosphère et l'espace n'est donc pas évident.

Généralement, on considère une limite se situant autour de 100 km d'altitude. Au-delà, les molécules sont si éparses que parler d'atmosphère n'a plus vraiment de sens.
Pourtant, d'un point de vue pratique, la limite supérieure de notre atmosphère est aussi souvent posée entre 500 et 700 km, au niveau du sommet de la Thermosphère. Les gaz y sont si peu dense que l'espace moyen séparant deux molécules est estimé autour de 100 km (soit 10⁵ m = 100 000 m) à 500 km d'altitude. Alors qu'au niveau du sol, l'espace séparant deux molécules n'excède pas 0,1 µm (soit 10^-7 m = 0,0000001 m) !

Mais avant d'aller plus loin dans les détails, revenons sur une vision plus large de notre atmosphère.

Un ensemble de molécules gazeuses que nous respirons

L'atmosphère est un mélange de nombreux gaz entre eux que l'on appelle plus communément l'air.

Contrairement aux géantes gazeuses, dont les atmosphères sont essentiellements constituées d'hydrogène et d'hélium, l'atmopshère terrestre se compose des éléments suivants :

• à 78,08% de diazone, N₂, 
• à 20,95% de dioxygène, O₂,
• à 0,93% d’argon, Ar,
• et à 0,041% de CO₂ (cette valeur augmente constamment et rapidement depuis le début de l'ère industrielle).
• En plus de ces éléments majeurs, il y a quelques gaz rares : du néon, Ne, de l'hélium, He, du krypton, Kr, du xénon, Xe, et du dihydrogène, H₂.

Ce qui ne manque pas d'être fascinant dans la composition chimique de notre atmosphère, c'est de savoir que le dioxygène que nous respirons, l'O₂, n'était originellement pas présent dans l'atmosphère terrestre. L'atmosphère n'est devenue oxydante qu'à partir d'environ 2 milliards d'années, lorsque la vie s'est complexifiée et que les premiers microorganismes pratiquant la photosynthèse sont apparus. Ils ont alors relargué des quantités de dioxygène suffisantes pour oxyder totalement les océans puis l'atmosphère.

L'atmosphère comprend également entre 0 et 4% de vapeur d'eau, H₂O.
Verticalement, la couche de gaz qui entoure notre Terre n'est pas homogène, elle se découpe en plusieurs enveloppes successives séparées par des limites nettes. Chaque enveloppe présente des conditions de pression et de température différentes. Si la pression décroît de la base de l'atmosphère (au niveau de la surface terrestre) à son sommet (vers l'espace), la température varie de façon non linéaire.

Composition de l’atmosphère Terrestre

Troposphère et Tropopause

À proximité de la surface du sol, il y a une première enveloppe : la Troposphère.

Le flux de chaleur interne décroît avec altitude, donnant une chute de température de 6°C par kilomètre en moyenne.
La troposphère concentre 75% de la masse de l’atmosphère à elle seule.

La température moyenne y est variable et ces contrastes de température induisent des déplacements d’air des parties chaudes vers les parties froides. Ces mouvements produisent les vents qui permettent de rééquilibrer la chaleur.

La quasi-totalité de la vapeur d’eau atmosphérique y est retenue et c’est donc là que se feront tous les changements météorologiques.

Au sommet de la troposphère, il y a la tropopause qui sépare la troposphère de la stratosphère. S’y produisent des vents violents atteignant 350km/h que l’on appelle les Jets Streams ou courants de jet, souvent utilisés par les avions de lignes. Ces vents permettent de réduire le temps de vol d'une heure entre New York et Paris (dans un sens seulement !).

Stratosphère et Stratopause

La stratosphère s’étend à une cinquantaine de kilomètres au-dessus de la Terre.

Il s'y produit une absorption du rayonnement solaire ultra-violet (UV) par l'oxygène et une dissociation des molécules de dioxygène O₂ pour former de l'ozone O₃. Cette absorption du rayonnement UV produit de l’énergie sous forme de chaleur. En conséquence, la température augmente dans la stratosphère.

Une partie des rayonnements solaires UV y est capturée, protégeant la Terre et les êtres vivants qui la peuplent.

Dans la stratosphère, la température croît jusqu’à 0°C environ au niveau de la stratopause, limite supérieure de la stratosphère. 

Mésosphère et Mésopause

La mésosphère, comme les autres enveloppes de l'atmosphère, est limitée en son sommet par une frontière marquée : la mésopause.  La température croît à nouveau en raison de l'ionisation des particules par les vents solaires.

Thermosphère

Au-dessus de la mésosphère, la température augmente jusqu'à atteindre 1 000 K : c'est l'enveloppe que l'on appelle la thermosphère.

La limite supérieure de cette enveloppe n'est pas facilement définie en raison de la très faible densité de molécules présentes. Elle s'étend jusqu'à environ  500km au-dessus du sol, ce qui représente la limite de l’enveloppe gazeuse stable.

Il est important de comprendre cette notion de densité des particules : en effet, lorsqu'on parle d'une enveloppe à 1 000 K, on ne parle pas d'une couche de l'atmosphère où la température produit un ressenti physique à 1 000 K, mais d'une couche au sein de laquelle les molécules bougent suffisamment vite pour correspondre à une température aussi élevée.

Et là, il faut revenir sur le sens du terme de "température". La température est une mesure physique estimée en fonction de la vitesse des molécules. Plus les molécules bougent vite plus la température est élevée. Quand la densité de molécules présente est élevée, alors le mouvement très rapide de ces-dernières induit une production d'énergie calorifique, mais quand la densité des molécules est extrêment faible, comme c'est le cas dans la thermosphère, il ne peut y avoir cette production d'énergie calorifique. Il ne fait pas "chaud" dans la thermosphère mais les molécules présentes s'y déplacent à très grande vitesse.

Exosphère

Au-dessus de la thermosphère il y a une dernière enveloppe, qui n'a pas réellement de corps physique. C'est la zone à partir de laquelle un atome peut théoriquement s'échapper de l'atmosphère terrestre et partir dans l'espace.

Au-delà de l'atmosphère terrestre, la Magnétosphère

Au-delà de l'exosphère, loin au-delà, il y a la magnétosphère qui nous protège des vents solaires.
Le champ magnétique terrestre étend son activité jusqu’à 50 000 km vers le Soleil et un peu plus de l’autre côté. Ce champ magnétique est créé par le noyau de la Terre.

La magnétosphère interagit avec le Soleil : les particules magnétiques présentes dans la magnétosphère interagissent avec les champs magnétiques générés par le Soleil. Ces interactions sont plus importantes au niveau des pôles.

Le pôle magnétique terrestre peut être conceptualisé par un aimant vertical pratiquement au niveau du champ magnétique terrestre. Lorsqu’une particule magnétique arrive du Soleil, elle entre par un pôle et ressort par l’autre. Il va alors se produire des phénomènes lumineux : les aurores boréales et australes. C’est une preuve de l’existece de cette magnétosphère.

En raison des vents solaires, la magnétosphère est plus réduite du côté solaire et plus longue de l’autre.