ATMOSPHÈRE La couche atmosphérique terrestre

Par définition, l’atmosphère est l’enveloppe gazeuse qui entoure une planète. Elle est maintenue autour de cette planète par la force gravitationnelle qui la retient et l’empêche de s’échapper vers l’espace interplanétaire. L’atmosphère terrestre est une machine complexe, un fluide en perpétuel mouvement, composé de différents gaz, de poussières et de liquides en suspension. Elle se déplace, se déforme, se mélange, se transforme sans cesse sous l’influence de ses propres contraintes physiques ou chimiques et de ses échanges avec les milieux extérieurs. Elle reçoit du rayonnement solaire et nous protège en absorbant, ou renvoyant vers l’espace interplanétaire, les rayonnements les plus dangereux pour nos organismes. Elle échange de l’énergie et de la vapeur d’eau avec l’océan, les glaciers, le sol et la végétation. Elle provoque un effet de serre sans lequel la Terre serait une planète gelée. Elle redistribue vers les régions polaires et tempérées une partie de l’énergie solaire reçue dans les régions tropicales. Par frottement, elle entraîne l’océan superficiel et engendre des courants à sa surface. Son écoulement est perturbé par les montagnes, les vallées, les changements de rugosité des sols et les contrastes terre-océan. Les rejets d’origine humaine (dits anthropiques) affectent sa composition chimique, son impact sur les organismes, sa faculté à filtrer les rayonnements les plus agressifs, l’intensité de son effet de serre et son aptitude à former des nuages ou des précipitations.

Composition de l'atmosphère terrestre

Le mélange de gaz qui compose l’atmosphère terrestre, l’air, est incolore, invisible et inodore. Il est essentiellement composé de diazote (N₂), de dioxygène (O₂), de vapeur d’eau (H₂O), de gaz rares (ou nobles) comme l’argon (Ar), le néon (Ne), l’hélium (He), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn), de dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO₂), de méthane (CH₄), d’hydrogène (H₂), d’ozone (O₃)… En dehors de ces gaz, l’atmosphère peut comporter un certain nombre de particules liquides (embruns, gouttelettes de nuage, gouttes de bruine ou de pluie…) ou solides (poussières, cristaux de glace, flocons de neige, grêlons…) et donner naissance à des précipitations intenses, des vents violents (tornades, trombes), des manifestations électriques (orages, feux de Saint-Elme, elfes, farfadets ou jets bleus), acoustiques (tonnerre) ou lumineuses (éclairs, arcs-en-ciel, halos, couronnes, irisations, gloires…). L’atmosphère n’est pas non plus exempte de polluants qui proviennent de l'activité humaine (produits de combustion, particules, oxydes d’azote, composés organiques volatils, ozone, pesticides…) ou de processus naturels (pollens, érosion des sols, éruptions volcaniques…) et dont la concentration et l’étendue varient en fonction de l’intensité des sources et des conditions météorologiques.

Parmi les gaz présents, la vapeur d’eau joue un rôle particulier dans la mesure où c’est le seul gaz qui, dans l’atmosphère, peut changer d’état et donner naissance à des particules d’eau liquide (par condensation) ou solide (par sublimation inverse ou condensation solide). Par ailleurs, ses proportions subissent d’importantes variations spatiales et temporelles, dépendent fortement de la température ambiante qui définit le niveau à partir duquel la vapeur devient saturée (humidité relative de l’air, ou degré hygrométrique, égale à 100 p. 100). Ainsi, les proportions en vapeur d’eau doivent rester en dessous de 0,1 à 0,2 p. 100 dans des conditions météorologiques de froids intenses, comme celles rencontrées en altitude et parfois observées dans des régions comme la Sibérie, mais peuvent atteindre, voire dépasser, 4 p. 100 dans les conditions d’air chaud et humide rencontrées dans certaines régions équatoriales. Elle est surtout concentrée dans les basses couches de l’atmosphère. Pour tenir compte de ces particularités, en météorologie, l'air atmosphérique est considéré comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau. On appelle « air humide » l’ensemble composé du mélange de l’air sec et de la vapeur d’eau.

Lorsqu’on s’élève dans l’atmosphère, la concentration de l'air diminue mais, en raison du mélange turbulent et de la diffusion tourbillonnaire, la plupart des constituants de l’air sec, comme le diazote (78,08 p. 100), le dioxygène (20,95 p. 100) et une grande partie des gaz rares (moins de 1 p. 100 dont 0,93 p. 100 pour l’argon) conservent une proportion quasiment constante jusqu’à une altitude proche de 80 à 100 kilomètres. Les proportions moyennes en ozone font exception à cette règle : alors qu’elles ne dépassent pas 5 × 10^-6 p. 100 (soit 50 molécules d’ozone par milliard de molécules d’air) dans la troposphère, elles atteignent des valeurs deux cents fois plus élevées (soit 10^-4 p. 100) dans la stratosphère, qui contient ainsi 90 p. 100 de l’ozone atmosphérique. Malgré ces faibles proportions, les variations locales ou temporelles du contenu en ozone, même si elles ne modifient pas notablement la densité de l’air, peuvent avoir un fort impact sur la pollution et le filtrage des rayonnements ultraviolets.

Au-dessus de 80 kilomètres d’altitude, le brassage devient très faible, les mécanismes de mélange perdent de leur efficacité, les gaz sont séparés par diffusion moléculaire selon une altitude croissante. Les proportions des composants de l’air sec ne sont plus conservées, elles évoluent en fonction de leurs poids moléculaires : les plus lourds se raréfiant plus vite que les autres, de sorte que les espèces plus légères deviennent plus abondantes par rapport aux espèces plus lourdes. Ainsi, on utilise parfois le terme « homosphère » pour qualifier la couche d’atmosphère située au-dessous de 80 à 100 kilomètres et « hétérosphère » pour qualifier celle qui se trouve au-dessus.