L'atmosphère terrestre, une couche d'air d'environ 800 km d'épaisseur, enveloppe notre planète. Elle est essentielle au maintien de la vie et joue un rôle crucial dans le climat. Cet article explore en détail la composition de l'atmosphère, son épaisseur variable et les différentes couches qui la composent.
Composition de l'Atmosphère
L'atmosphère contient les trois états de la matière : solide, liquide et gazeux, avec une prédominance de la phase gazeuse.
Composition Gazeuse
Lorsqu'on parle de la composition gazeuse de l'atmosphère, on se réfère aux gaz qui composent l'air sec, c'est-à-dire sans eau. Les trois gaz majoritaires sont l'azote (78,08%), l'oxygène (20,95%) et l'argon (0,93%), représentant presque 100% de l'air sec. Le reste est constitué de gaz traces.
Un gaz trace est un gaz dont la concentration relative est de l'ordre du ppm (partie par million), voire ppb (partie par billion) ou ppt (partie par trillion). Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz trace le plus important, avec une proportion qui ne cesse d'augmenter (0,04% ou 400 ppm) depuis 2016.
L'eau est également présente sous forme gazeuse, avec une part très variable selon les régions du globe. L'air humide contient entre 0,1% et 4% de vapeur d'eau dans la troposphère, tandis qu'il n'y a quasiment plus d'eau dans les autres couches de l'atmosphère. L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau que l'air froid.
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Bien que présents en faibles quantités, les gaz traces jouent un rôle essentiel pour le climat de la planète, tant à l'échelle locale que régionale. À l'échelle planétaire, les principaux polluants gazeux sont des gaz stables ayant des durées de vie supérieures à 5 ans, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et les gaz halogénés comme les chlorofluorocarbures (CFC). Ces gaz sont dits à effet de serre, car ils sont responsables du réchauffement de la planète, qu'il soit d'origine naturelle ou humaine.
À l'échelle régionale et locale, les polluants gazeux sont émis par la combustion des énergies fossiles, notamment les oxydes d'azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2), le monoxyde de carbone (CO) et de nombreux hydrocarbures (composés organiques volatils ou COV). Ces derniers proviennent également de sources naturelles.
Composition Liquide
La phase liquide de l'atmosphère est majoritairement constituée d'eau. La Terre est la seule planète connue à ce jour qui présente des conditions permettant à l'eau de changer d'état aux températures usuelles. Dans l'atmosphère, cette eau liquide se trouve sous forme de minuscules gouttelettes qui forment les nuages.
Le pH naturellement acide des pluies est dû à la solubilisation du CO2 atmosphérique en acide carbonique (H2CO3). Une pluie acide est définie comme une pluie dont le pH est inférieur à 5. Dans certains cas extrêmes, comme dans un brouillard en milieu urbain pollué, le pH peut atteindre des valeurs inférieures à 2, ce qui équivaut au pH d'un jus de citron.
Composition Solide
L'atmosphère contient de très petites particules solides ou liquides, appelées aérosols. Leur taille varie de quelques nanomètres (0,000000001 mètres) à près de 100 microns (0,0001 mètres, soit l'épaisseur d'un cheveu), ce qui les rend souvent invisibles à l'œil nu.
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Un aérosol atmosphérique est une particule solide et/ou liquide en suspension dans l'atmosphère dont la taille est inférieure à 100 µm. Les aérosols peuvent être émis directement à partir du sol par des processus physiques (érosion, abrasion, mise en suspension par le vent, action mécanique des vagues) et par des sources différentes (aérosols marins, minéraux, volcaniques, biogéniques, anthropiques). Ces aérosols sont appelés aérosols primaires. Leur mécanisme de formation induit des particules assez grossières de plusieurs µm, dont le temps de séjour dans l'atmosphère varie de quelques heures à quelques jours.
Les aérosols peuvent également résulter de "conversions gaz-particules". Cela signifie que des molécules de gaz s'oxydant dans l'atmosphère deviennent plus lourdes et peuvent s'agglomérer entre elles, jusqu'à grossir suffisamment pour former une particule (nucléation). Ces aérosols sont appelés aérosols secondaires. Leur mécanisme de formation induit des particules très fines dont le diamètre peut démarrer à quelques nanomètres, avec un temps de séjour qui peut atteindre plusieurs semaines.
Un aérosol primaire est émis directement dans l'atmosphère à partir du sol. La pollution anthropique induite par les particules est principalement liée à la combustion des énergies fossiles (industrie, transport).
Dans le cadre de l'étude de la qualité de l'air, ces aérosols sont classés en fonction de leur "diamètre aérodynamique", qui correspond au diamètre moyen d'une sphère qui posséderait des propriétés aérodynamiques équivalentes. L'appellation "PM10" désigne les particules dont le diamètre est inférieur à 10 micromètres (PM pour Particulate Matter en anglais). Le diamètre des particules fines PM2.5 et PM1 est inférieur respectivement à 2.5 et à 1 µm.
Épaisseur de l'Atmosphère
La question de l'épaisseur de l'atmosphère n'a pas de réponse précise unique. L'atmosphère n'a pas de limite supérieure nette. Plus l'altitude augmente, moins il y a de molécules dans un volume donné d'atmosphère, ce qui rend la définition d'une limite supérieure précise plus difficile. La diminution de la densité avec l'altitude suit une courbe qui s'approche indéfiniment de zéro sans jamais l'atteindre.
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La distribution de la masse de l'atmosphère en fonction de l'altitude montre que la majeure partie de l'atmosphère est concentrée près de la surface terrestre. Quatre-vingt pour cent de la masse de l'atmosphère se trouve en dessous de 16 km d'altitude, et quatre-vingt-dix-neuf pour cent en dessous de 31 km. On pourrait considérer cette zone comme la couche-limite de l'atmosphère. Au-delà, les éléments les plus légers, c'est-à-dire l'hélium et l'hydrogène, ne sont plus retenus par la gravité terrestre et peuvent s'en échapper. Les couches supérieures sont parfois appelées l'ionosphère ou la magnétosphère. Elles contiennent des ions et des électrons qui existent de façon transitoire jusqu'à ce qu'ils soient capturés par des ions positifs.
L'épaisseur de l'atmosphère varie en fonction de l'activité solaire. La température peut atteindre 2 000°C dans les couches supérieures en raison de l'absorption du rayonnement solaire.
Structure de l'Atmosphère
L'atmosphère est divisée en cinq couches d'épaisseur inégale, définies par la variation de la température avec l'altitude :
- La troposphère: C'est la couche la plus basse, s'étendant du sol jusqu'à environ 13 km d'altitude en zone tempérée. Elle contient 99% de la vapeur d'eau et est le siège de la plupart des phénomènes météorologiques. La température décroît en moyenne de 0,65°C tous les 100 mètres jusqu'à atteindre -56°C au niveau de la tropopause.
- La stratosphère: Située entre 13 et 50 km d'altitude, elle contient 1% de la vapeur d'eau. La température y est relativement constante jusqu'à 35 km d'altitude (-56°C), puis augmente jusqu'à atteindre 0°C au sommet de la couche. La stratosphère abrite la couche d'ozone, qui absorbe les rayonnements ultraviolets du soleil.
- La mésosphère: Elle s'étend de 50 à 85 km d'altitude. La température diminue avec l'altitude, atteignant environ -90°C au sommet de la couche.
- La thermosphère: Située au-dessus de 85 km, elle s'étend jusqu'à environ 500 km d'altitude. La température augmente avec l'altitude, pouvant atteindre 500°C.
- L'exosphère: C'est la couche la plus externe de l'atmosphère, au-delà de 500 km d'altitude. Elle représente la transition vers le vide interplanétaire.
Rôle de l'Atmosphère
L'atmosphère remplit un rôle essentiel dans le fonctionnement du système Terre. Elle maintient une température clémente permettant l'apparition de la vie telle que nous la connaissons et nous protège des rayonnements nocifs du soleil.
L'atmosphère influence les phénomènes météorologiques tels que le vent, les précipitations et la formation des systèmes météorologiques. Le ciel nous apparaît bleu car les particules qui composent l'atmosphère diffusent majoritairement la composante bleue du rayonnement solaire.
Impact Humain sur l'Atmosphère
L'impact de l'Homme sur la composition chimique de l'atmosphère est aujourd'hui clairement mis en évidence par les observations. Nous sommes entrés de plain-pied dans une nouvelle ère géologique : l'Anthropocène, où l'activité humaine est devenue la contrainte géologique dominante.
Plus de 50 milliards de tonnes de gaz à effet de serre ont été émises dans l'atmosphère en 2015 par les activités humaines. Ces gaz contribuent directement à l'effet de serre additionnel, notamment le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et les halogénés (CFC, HFC, HCFC, PFC, SF6).
De nombreux autres gaz et particules en suspension dans l'atmosphère (les aérosols) jouent également un rôle essentiel dans les perturbations du climat causées par l'Homme. Parmi ces gaz, l'ozone (O3) joue un rôle clé en participant directement aux perturbations du bilan énergétique et en contrôlant le pouvoir oxydant de l'atmosphère.
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