ATMOSPHÈRE GÉNÉRALITÉS DESCRIPTION L'atmosphère est la couche gazeuse qui entoure notre planète et qui s'étend de sa surface jusqu'à une hauteur difficile à établir, mais que, par convention, on place à environ 1 000 km d'altitude. Il est difficile d'établir avec précision la limite supérieure de l'atmosphère, car celle-ci est composée de gaz qui se compriment facilement. Sous l'action de la gravité, l'atmosphère se concentre par conséquent en une couche fine très proche de la surface. La masse de l'atmosphère est concentrée à raison de 50 % dans la couche qui se trouve au-dessous de 5,6 km, et à 99 % audessous de 40 km. La densité et la pression baissent rapidement lorsque l'altitude augmente. À 100 km d'altitude, l'atmosphère est extrêmement raréfiée et la pression est égale à un millionième seulement de la pression mesurée à la surface terrestre. Sur la base d'une analyse simple, il semble que la masse totale de l'atmosphère (5,15 x 1018 kg) soit distribuée uniformément sur la sphère terrestre. Il existe cependant quelques différences entre l'hémisphère Nord et l'hémisphère Sud, ainsi que des différences considérables en fonction des saisons. En règle générale, la masse tend à se concentrer dans les zones subtropicales (entre 20 et 40 degrés de latitude nord ou sud), suivant le mouvement du Soleil. La distribution de la masse a des conséquences importantes sur les phénomènes qui peuvent se produire dans l'atmosphère. COMPOSITION L'air qui compose l'atmosphère n'est pas une substance pure, mais un mélange de gaz et de particules solides et liquides de dimensions microscopiques. Certains des gaz qui constituent l'atmosphère, tels que l'oxygène et l'azote, sont considérés comme stables. En effet, leur concentration est constante car elle dépend de processus et d'équilibres géologiques qui évoluent très lentement. Même si, au cours de l'histoire de la Terre, les concentrations de ces gaz ont changé, elles peuvent être considérées comme stables pour les échelles de temps qui concernent les phénomènes météorologiques et climatiques. Vapeur d'eau Outre l'oxygène et l'azote, il existe dans l'atmosphère d'autres gaz, qui jouent un rôle important, mais dont la concentration varie considérablement dans le temps et dans l'espace. La vapeur d'eau, c'est-à-dire la phase gazeuse de l'eau, joue un rôle fondamental dans la régulation de l'équilibre entre l'énergie reçue du Soleil et l'énergie réémise par la Terre, et, naturellement, dans la formation et la dynamique des nuages. 1 La vapeur d'eau se concentre près de la surface terrestre, où elle peut atteindre 4 % du volume de toute l'atmosphère, mais elle est pratiquement absente audessus de 10 km. L'eau sous forme de vapeur n'est pas un constituant passif, mais elle interagit avec le rayonnement solaire et avec l'énergie réémise par la Terre chauffée par le Soleil. La quantité de vapeur d'eau qui peut rester dans l'atmosphère dépend de la température. En général, l'air chaud contient plus de vapeur d'eau que l'air froid. C'est pour cette raison que l'air, à la hauteur des tropiques, contient une quantité pouvant aller jusqu'à 15-16 g d'eau par kilogramme d'air sec. Aux latitudes moyennes, on mesure des concentrations beaucoup plus faibles. Gaz carbonique Même s'il est présent dans des proportions très faibles, le gaz carbonique est un régulateur important de la température de la Terre. Le gaz carbonique est transparent aux rayons solaires, mais il absorbe le rayonnement thermique émis par la surface terrestre, ce qui rend plus difficile la diffusion d'énergie vers l'espace. Le gaz carbonique présente une forte variabilité saisonnière, due à la variation de biomasse entre l'été et l'hiver dans les grandes forêts de Latifoliées. L'hiver, la chute des feuilles augmente le gaz carbonique, tandis qu'au printemps l'augmentation d'activité de la photosynthèse soustrait du gaz carbonique à l'atmosphère. Les transformations du gaz carbonique font partie du complexe cycle du carbone, qui comprend les transformations du carbone entre l'atmosphère, la biosphère et l'océan. Ozone L'ozone, une forme particulière d'oxygène gazeux, est le troisième composant actif et de concentration variable de l'atmosphère. Sa concentration dépend de réactions chimiques, qui dépendent toutes à leur tour de l'énergie solaire. Ces réactions sont aussi fonction de la température, et donc des caractéristiques de la circulation atmosphérique. Contrairement aux autres gaz atmosphériques, qui ont une diffusion presque uniforme, l'ozone n'est présent que dans certaines zones. La majeure partie de l'ozone est concentrée dans une couche située à une altitude élevée, tandis qu'une petite partie seulement se trouve dans le reste de l'atmosphère. La couche d'ozone joue un rôle fondamental, car elle absorbe les rayons ultraviolets les plus énergétiques qui, sinon, rendraient impossible l'existence de la plupart des formes de vie terrestres. Gaz à effet de serre Au cours de ce dernier milliard d'années, la composition de l'atmosphère a subi de nombreuses modifications associées aux processus géologiques, même si les experts ne s'accordent pas sur les formes et les modalités de ces modifications. Ils sont, toutefois, d'accord sur un point. La société moderne est en train de modifier la composition de l'atmosphère, et ce à une rapidité sans précédent. Depuis le siècle dernier, la concentration de gaz carbonique est passée de 290 ppm (parties par million) à 345 ppm, surtout à cause de l'emploi de combustibles fossiles. Chaque 2 fois que nous prenons la voiture ou que nous allumons la télévision, nous ajoutons un peu de carbone à l'atmosphère. Même une augmentation apparemment réduite peut malheureusement avoir des effets très graves sur le climat de la Terre. L'atmosphère contient, dans des quantités moindres, d'autres gaz que l'oxygène, le gaz carbonique ou l'ozone : le méthane, par exemple. La présence du méthane est due à des phénomènes naturels ou à la combustion de sous-produits de l'extraction du pétrole. Le méthane a lui aussi des effets indirects sur le climat. Tout comme le gaz carbonique, en effet, il absorbe l'énergie émise par la surface terrestre, contribuant de la sorte à augmenter l'effet de serre. Signalons également, parmi les éléments produits par les activités humaines, les chlorofluorocarbones ou CFC. Il s'agit de composés de carbone et de fluor, qui existent sous des formes chimiquement différentes dépendant des proportions relatives de fluor et de carbone, mais ayant des effets semblables sur l'atmosphère. Il y a quelques années, ces composés étaient très employés dans l'industrie, en raison de leur prix modéré et de leur faible toxicité. On les utilisait comme propulseurs dans les atomiseurs, comme fluide réfrigérant dans les serpentins des réfrigérateurs et comme solvant dans l'industrie électronique. On dit que pour démontrer leur nontoxicité, les premiers chercheurs lavaient la vaisselle dans les CFC. Ce n'est que bien plus tard qu'on a découvert que les CFC étaient de véritables agents destructeurs de l'ozone stratosphérique, ayant des effets dévastateurs sur la couche de protection de la surface de la Terre contre les rayons ultraviolets les plus dangereux (voir Le trou de l'ozone). LA FORMATION DE L'ATMOSPHÈRE Si l'on compare l'atmosphère terrestre à celle des autres planètes du Système Solaire, ses particularités sont très caractéristiques. Elle est dominée par la présence de l'azote (78 %), et de l'oxygène (21 %, une valeur unique dans notre système planétaire). Pour le reste, l'atmosphère est composée de gaz, tels que le gaz carbonique, la vapeur d'eau, et de plusieurs autres gaz qu'on appelle gaz rares. Cette composition particulière ne peut être comparée à celle d'aucune autre planète. L'atmosphère de Vénus et l'atmosphère de Mars sont très différentes de l'atmosphère terrestre. On peut formuler de nombreuses hypothèses sur l'origine de l'atmosphère terrestre, mais quelle que soit l'hypothèse choisie, il est clair que, dans les phases initiales de sa formation, l'atmosphère terrestre doit avoir été le produit de la libération de quantités énormes d'eau et de gaz de formation récente. En outre, on ne peut comprendre la formation et l'évolution initiale de l'atmosphère sans tenir compte aussi de l'histoire parallèle de l'hydrosphère, c'est-à-dire de l'ensemble des eaux de la surface terrestre. Les hypothèses avancées pour expliquer la formation de l'atmosphère se contredisent souvent en partie, et la question est encore bien loin d'être résolue. L'atmosphère primitive Les premiers chercheurs qui ont étudié l'atmosphère terrestre primitive estimaient qu'elle était composée surtout de méthane, d'ammoniac, d'hydrogène et de vapeur d'eau, c'est-à-dire des éléments typiques de la poussière interstellaire. Une atmosphère de ce type aurait pu être compatible avec la formation des premières 3 formes de vie du fait de la présence des composés de base des cellules vivantes (voir L'océan primordial). On ne sait pas si cette composition est proche de celle que la Terre possédait réellement il y a plus d'un milliard d'années, époque où elle a, selon toute vraisemblance, commencé à s'enrichir en oxygène. Ce qui est certain, c'est que cette composition ne peut pas avoir été constante pendant très longtemps. En effet, certaines considérations de nature chimique, liées à l'évolution de gaz rares, tels que le néon, laissent à penser qu'il faut rechercher l'origine de l'atmosphère à l'intérieur de la Terre. Autrement dit, quand une série de mélanges a permis la formation du manteau et du noyau de la Terre, les éléments les plus légers se seraient « échappés » des zones centrales pour se distribuer ensuite autour de la Terre dans l'enveloppe gazeuse appelée atmosphère. Quelle était la composition de cette enveloppe avant l'enrichissement en oxygène qui l'a amenée à être ce qu'elle est actuellement ? Commençons par l'azote, un gaz inerte qui ne se combine pas facilement avec d'autres éléments, et pour lequel on ne connaît pas de mécanisme en mesure d'augmenter le pourcentage actuel (près de 4/5). Sans doute, dès le début, l'azote existait-il déjà en grandes quantités. En revanche, l'hydrogène et, surtout, le soufre, proviennent probablement des volcans, tandis que les gaz rares tirent vraisemblablement leur origine de la transmutation radioactive d'éléments comme le potassium. En outre, il y avait déjà une grande quantité de gaz carbonique, comme en témoignent les grandes quantités de carbone qui se sont déposées sur toute la surface de la Terre sous des formes différentes (pétrole, carbone, roches calcaires). On peut même supposer que la quantité de gaz carbonique était au moins 100 fois supérieure à la quantité actuelle. L'origine de l'oxygène L'une des caractéristiques les plus particulières de l'atmosphère terrestre est la présence d'oxygène. Nous ne savons pas pourquoi la composition de l'atmosphère de la Terre est si différente de celles des autres planètes, mais l'on peut tout de comprendre l'origine de l'oxygène atmosphérique. Tout d'abord, il n'y a pas de raison de penser que l'atmosphère primitive était déjà si riche en oxygène. En effet, les roches les plus anciennes, qui remontent à la période entre moins 3,5 et moins 2 milliards d'années, ne s'altéraient pas dans une atmosphère oxydante. Si cela avait été le cas, elles auraient en effet dû présenter des minerais de fer « oxydés », c'est-à-dire altérés par suite du contact avec des quantités d'oxygène élevées. Or ces minerais sont « réduits », c'est-à-dire qu'ils ont été altérés pratiquement en l'absence d'oxygène. De plus, même d'un point de vue théorique, la présence il y a environ 1,5 milliard d'années de quantités élevées d'oxygène n'aurait pas été possible. En effet, cette présence ne serait pas compatible avec l'origine de la vie sur Terre. Si étrange que cela puisse paraître, alors que l'oxygène est absolument indispensable pour son développement, il ne favorise pas la naissance de la vie et ne pouvait donc être présent de façon significative dans l'atmosphère primitive. Comment s'est donc accumulée une quantité si élevée d'oxygène ? Théoriquement, deux processus peuvent permettre ce genre de résultat : la dissociation de l'eau par les rayons ultraviolets (ondes électromagnétiques) et la photosynthèse de la chlorophylle opérée par les plantes. Dans le premier cas, l'action des rayons ultraviolets du Soleil divise effectivement l'eau en hydrogène et en oxygène, mais ces deux éléments tendent à se recombiner immédiatement sans 4 « se libérer ». En réalité, ce processus crée une quantité limitée d'oxygène, si limitée que des dizaines de milliards d'années auraient été nécessaires pour obtenir la quantité actuelle d'oxygène. Or, la Terre n'a que 4,6 milliards d'années. Dans le deuxième cas également, de l'oxygène libre se dégage de la réaction effectuée par les plantes entre le gaz carbonique, l'eau et la lumière du Soleil. Dans ce cas, toutefois, la quantité est suffisante (environ 20 milliards de tonnes par an) s'il y a des plantes vertes en quantités élevées. Le fait que cette quantité ait été suffisante peut être démontré par la formulation de quelques hypothèses simplificatrices. Pour conclure, en plus de la validité théorique de ce processus d'augmentation d'oxygène, il existe de nombreuses preuves géologiques démontrant que la photosynthèse effectuée par les plantes vertes est le principal processus de formation de l'oxygène dans l'atmosphère. LA STRUCTURE STATIQUE DE L'ATMOSPHÈRE DISTRIBUTION DES CONSTITUANTS Les mouvements, les tourbillons et les courants qui se succèdent en permanence dans l'atmosphère mélangent très bien les différents gaz présents. Un observateur se trouvant à n'importe quel point de la planète mesurera les mêmes concentrations d'oxygène et d'azote. La capacité de mélange de l'atmosphère est telle que même le gaz carbonique, produit principalement dans l'hémisphère Nord et dans les pays industrialisés, est distribué uniformément sur toute la planète. La différence de concentration de ce gaz entre les deux hémisphères est à peine perceptible. En revanche, la vapeur d'eau n'est pas distribuée aussi uniformément. Sa distribution verticale et horizontale est très particulière. Elle tend à se concentrer près du sol et dans les zones tropicales (grosso modo entre 30° de latitude nord et 30° de latitude sud). Pour comprendre cette distribution, il faut étudier le rôle joué par l'eau dans tout le système atmosphérique. Contrairement aux autres constituants, l'eau est présente dans l'atmosphère dans ses trois phases, liquide (eau), gazeuse (vapeur), solide (glace). Les transformations d'une phase à l'autre constituent un processus extrêmement important dans la dynamique atmosphérique et dépendent essentiellement de la température. La distribution de la vapeur d'eau est un bon indicateur de la température atmosphérique. STRUCTURE VERTICALE Nous allons commencer notre voyage dans l'atmosphère en observant le comportement de la température au fur et à mesure que l'on s'élève dans l'atmosphère. Imaginons que nous nous trouvions dans un ballon aérostatique, et que nous ayons pour tout compagnon un thermomètre et un outil pour mesurer l'altitude à laquelle nous nous trouvons, un altimètre. Pendant notre ascension, nous mesurerons la température et l'altitude à des intervalles réguliers. La journée est belle, le ciel limpide et sans nuage, l'air clair et très sec. Le pilote lâche l'ancre, et le ballon, sans à-coup, s'élève lentement. Mesurons la température de départ : 20 degrés Celsius (20 °C). L'aérostat monte lentement. À 100 m 5 d'altitude, la température est de près de 19 °C. Nous continuons notre ascension et nous remarquons que le thermomètre va dans la direction opposée à celle de l'altimètre. Alors que le premier continue de descendre, le second monte de plus en plus, suivant le mouvement du ballon. À 500 m d'altitude, nous sommes à environ 15 degrés. Le ballon monte de plus en plus, et la fraîcheur agréable passe à un froid de plus en plus vif. À 1 km d'altitude, nous sommes à 10 °C, à 1,5 km nous sommes à 5 °C, et à 2 000 m d'altitude la température est à peine au-dessus du zéro. C'est une journée merveilleuse, il n'y a pas de nuage, le Soleil brille, mais il fait très froid. Si cela était une véritable ascension, ce serait le moment de rentrer. En effet, pour poursuivre notre ascension, il faudrait des équipements spéciaux et une cabine pressurisée, car au-dessus de 4 000 m, l'air devient trop raréfié pour permettre une respiration normale. Mais notre ballon est un ballon virtuel, nous pouvons donc poursuivre notre ascension. La courbe de la température sur les deux premiers kilomètres permet déjà de formuler quelques hypothèses. La température diminue avec l'altitude à raison d'environ un degré tous les cent mètres. Lorsque nous continuons notre ascension, la température diminue toujours, à un rythme à peu près identique à celui des deux premiers kilomètres. Quand nous franchissons le seuil des 10 km d'altitude, nous pouvons essayer de formuler quelques conclusions. La température atmosphérique diminue suivant l'altitude, et son taux de diminution dépend assez peu du niveau auquel on se trouve. La vitesse à laquelle la température diminue suivant l'altitude est pratiquement la même aussi bien à proximité de la surface qu'à une certaine altitude. Le ballon est à présent à une altitude élevée. Nous sommes en train de franchir le seuil des 11 000 m, l'air est très froid et sec, et les nuages apparaissent au-dessous de nous comme un tapis nacré éloigné. À cette altitude, il n'y a pratiquement plus de nuages, si ce n'est quelques touffes de cirrus, des nuages de cristaux de glace, que l'on peut apercevoir çà et là. À 12 km, la température atteint plusieurs dizaines de degrés au-dessous du zéro. Le ballon continue à monter et un fait étrange se produit. À notre grande surprise, nous nous apercevons que la température ne descend plus, mais qu'elle augmente légèrement, et continue à le faire même quand nous atteignons l'altitude maximale pour un ballon virtuel, et que nous sommes obligés d'interrompre l'expérience. Pour continuer, il serait nécessaire d'utiliser des instruments placés sur de petites fusées. Cette expérience, virtuelle mais très semblable aux premières explorations de l'atmosphère, nous a permis de découvrir que l'atmosphère est un lieu plus complexe que l'on ne pouvait le croire. Sur la base des informations que nous possédons, nous pouvons dresser un tableau d'ensemble de la structure verticale de l'atmosphère. En général, l'atmosphère est subdivisée en plusieurs zones, caractérisées par une température différente. La première zone, où la température descend régulièrement suivant l'altitude, s'étend du sol jusqu'à 12 ou 13 km d'altitude. Elle est appelée « troposphère ». La troposphère est le siège de presque tous les phénomènes atmosphériques ; les orages, les ouragans et les brises naissent tous ici. La température descend en moyenne d'environ 6 à 7 degrés par kilomètre, jusqu'à une zone où cette tendance s'inverse. Cette zone est appelée « tropopause », et varie selon la position géographique. Aux latitudes moyennes, elle peut atteindre 10 km d'altitude ; à l'équateur, 15 ou 16 km....
