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Cours météo - L'atmosphère


 

S’il y a bien une composante indissociable de la météorologie quelle qu’elle soit, c’est l’atmosphère. Cette enveloppe est constamment présente au-dessus de nos têtes et nous vaut d’être en vie. Cependant, elle est très complexe et mérite que l’on s’y intéresse.

 

L'atmosphère vue de l'espace

 

 

1 | Structure de l’atmosphère

 

Épaisse de plusieurs centaines de kilomètres, l’atmosphère est composée de plusieurs étages successifs, chacun ayant ses propres caractéristiques.

 

 

Troposphère et tropopause

 

La troposphère est le théâtre de presque toutes activités humaines, et pour cause, c’est la couche basse de l’atmosphère. Elle se situe entre le sol et environ 8 à 15 km d’altitude – 8 km à l’approche des pôles, 15 km au niveau de l’équateur.

Elle se caractérise par une diminution de la température assez linéaire, de l’ordre de 6.5°C pour 1000 mètres ainsi que par une diminution de pression très importante avec l’altitude.

La troposphère est la partie de l’atmosphère la plus turbulente. On y observe de grands mouvements de convection, des perturbations et autres courants-jets (voir cours « circulation générale de l’atmosphère »).

Cette couche contient la quasi-totalité de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. La plupart des nuages sont situés dans cette couche de l’atmosphère, les nuages dépassant rarement la tropopause.

La tropopause est la limite supérieure de la troposphère. Elle est définie par la couche de deux kilomètres d’épaisseur la plus basse en altitude au sein de laquelle le gradient thermique est égal ou inférieur à -2°C pour 1000 mètres d’altitude gagnés.

Cette limite à une altitude variable de par l’épaisseur de la troposphère elle-même. Etant moins épaisse au niveau des pôles qu’au niveau de la région équatoriale, la tropopause est plus basse au niveau des pôles qu’au niveau de la région équatoriale.  

 

           

Stratosphère, couche d’ozone et stratopause

 

La stratosphère est la seconde couche de l’atmosphère terrestre. Sa base, située juste au-dessus de la tropopause, se situe à plus ou moins 10km d’altitude, moins en allant vers les pôles, plus en allant vers la zone tropicale. Son point de le plus haut se situe quant à lui entre 40 et 60 km d’altitude, suivant le modèle précédent. Au sein de cette couche atmosphérique, la température augment progressivement avec l’altitude, pour passer d’environ -56°C à une température négative proche de 0°C au niveau de la stratopause. Ce phénomène est dû aux propriétés physiques de l’ozone, qui absorbe les ultraviolets, ce qui augmente la température des molécules d’ozone, et donc la température ambiante.

Tout comme dans la troposphère et la tropopause, on trouve dans la stratosphère une circulation, dite stratosphérique. Elle se distingue par bien des aspects de la circulation générale de la troposphère – dite par abus de langage de l’atmosphère. Cette circulation ne se produit qu’au niveau des latitudes tropicales suivant un cycle bien particulier. L’oscillation quasi-biennale, tel est nommé le cycle de la circulation stratosphérique, consiste en un puissant courant d’est, remplacé après 14 mois par un puissant courant d’ouest, remplacé au bout de 14 mois par le courant d’est et ainsi de suite. Le courant prend naissance au niveau de la haute stratosphère et descend progressivement vers les basses couches, en s’intensifiant. Lorsqu’il atteint les basses couches, il faiblit progressivement et laisse la place au courant opposé, qui aura suivi le même processus. Le cycle complet, c’est-à-dire courant d’est et courant d’ouest, se déroule sur 28 mois.

 

La stratosphère compte en son sein la couche d’ozone, parfois considérée comme une couche atmosphérique à part entière qui se situe dans la partie supérieure de la stratosphère. Elle n’est pas constituée que d’ozone mais en présente en plus grande proportion – environ 5 à 10 ppm – que le reste de l’atmosphère. Cette couche d’ozone absorbe en grande partie les rayons ultraviolets en provenance du soleil, d’où son rôle important pour nous tous.

Quant au trou de la couche d’ozone, les causes précises ne sont pas établies mais se sont vraisemblablement des gaz rejetés par l’Homme qui en sont à l’origine. Malgré tout, un répit a été observé en 2016, année pendant laquelle la superficie du trou a été inférieure de 4 000 000 de km² par rapport à l’année 2000.

 

Trou dans la couche d'ozone en 2006 au-dessus de l'antarctique

Trou observé dans la couche d'ozone en 2006. Année où il a atteint son paroxysme.

 

 

Enfin, la stratopause, frontière entre la stratosphère et la mésosphère, est une zone de cinq kilomètres d’épaisseur au sein de laquelle les conditions sont constantes, avec une température négative proche de 0°C. C’est également la strate de l’atmosphère où on atteint une pression atmosphérique très proche de 1 hPa.

 

 

Mésosphère et mésopause

 

Troisième couche de l’atmosphère, la mésosphère se situe en moyenne de 50 km à 80 km d’altitude. Cette couche de l’atmosphère présente une température allant des environs de 0°C à son point le plus bas – en altitude – pour descendre et avoisiner les -80 à -100°C au niveau de la mésopause. C’est la couche de l’atmosphère la plus froide.

La mésosphère est le théâtre de deux phénomènes intriguants et difficilement observables : les nuages noctulescents et les phénomènes lumineux transitoires. Les nuages noctulescents sont causés par la glaciation du peu de vapeur d’eau présente dans cette couche atmosphérique. Ils se font rares et peu observables mais sont parmi les plus beaux phénomènes atmosphériques. Les phénomènes lumineux transitoires, parmi lesquels on retrouve les farfadets ou encore les jets bleus, se produisent au-dessus d’orages violents grâce aux propriétés physiques de cette couche atmosphérique.

Cependant, la mésosphère est très mal connue des scientifiques car c’est une couche intermédiaire où l’air est présent en très faible quantité. Cela ne permet à aucun avion quel qu’il soit de l’atteindre pour une étude scientifique. De plus, on ne peut pas encore envisager d’y envoyer des satellites car c’est une couche encore trop proche du sol. C’est d’ailleurs cette couche où commencent à ralentir, voire à se désintégrer les objets spatiaux retombant sur Terre.

 

La mésopause est la limite supérieure de la mésosphère qui présente les températures les plus basses de l’atmosphère. Elle se situe à environ 80 km d’altitude et est la zone de transition entre la baisse des températures de la mésosphère et la hausse des températures de la thermosphère.

 

 

Thermosphère, ionosphère et thermopause

 

La thermosphère est l’avant dernière strate de l’atmosphère terrestre dont la base se situe à environ 80km d’altitude et le sommet se situe aux environs de 600km d’altitude. Elle tire son nom de la température extrêmement élevée qui y règne. Certaines molécules de la thermosphère sont excitées par les ultraviolets en provenance du soleil et se retrouvent dans de tels niveaux d’énergie que la température atteint les 500°C à 250km d’altitude, voire même 1600°C à 500km d’altitude lors d’une activité solaire intense. Cependant, la température qui serait ressentie serait bien moindre, autour des températures terrestres, car la densité de l’air y est si faible que les échanges d’énergie avec les corps seraient très peu nombreux, proportionnellement à ce qui se passe sur Terre.

 

Aurore polaire

 

Les molécules de la thermosphère sont exposées au rayonnement solaire, particulièrement en période d’éruption solaire. Ces molécules frappées par les rayonnements, particulièrement ultraviolets, se retrouvent pour certaines dans un état ionisé. Cette partie de la thermosphère est appelée ionosphère. Elle s’étend depuis la mésopause, soit environ 80 km d’altitude, jusqu’aux environs de 500 km d’altitude. Elle se confond donc avec une bonne partie de la thermosphère car ce sont ces ions qui donnent la température extrêmement élevée de la thermosphère. L’ionosphère est, pendant les éruptions solaires, le théâtre des aurores polaires. Les particules éjectées du soleil entrant en contact avec les particules de l’ionosphère provoquent l’excitation de certaines de ces dernières, parfois jusqu’à l’émission d’un photon.

 

La thermopause est quant à elle la limite où la température cesse de croître avec l’altitude. Selon l’activité solaire, elle se situe à plus ou moins 600km d’altitude.

 

 

Exosphère

 

L’exosphère est la dernière couche de l’atmosphère avant l’espace, même si cette affirmation n’est pas fixée. Elle se situe au-delà de 600 km d’altitude. Sa limite supérieure est très vague, mais on l’estime entre 10 000 et 100 000 km d’altitude. C’est dans cette couche que sont envoyés la majorité des objets spatiaux et satellites.

 

Profil de l'atmosphère et température associée

 

2 | Quelques données

 

Composition de l’atmosphère

Gaz (air sec)

Volume (en %)

Azote (N2)

78.09

Oxygène (O2)

20.95

Argon (A)

0.93

Dioxyde de carbone (CO2)

0.035

Néon (Ne)

1.8*10-3

Hélium (He)

5.24*10-4

Krypton (Kr)

1.0*10-5

Hydrogène (H2)

5.0*10-5

Xénon (Xe)

8.0*10-6

Ozone (O3)

1.0*10-6

Radon (Rn)

6.0*10-18

 

Cette liste n’est pas exhaustive car il y a d’autres gaz dans l’atmosphère mais en proportion encore moindre.

Il faut également prendre en compte le fait que ce tableau n'inclus pas l'eau, qui peut représenter de 1 à 5 % de la composition totale de l'air.

           

 

Pression selon l’altitude

 

Dans une atmosphère normalisée, avec une pression atmosphérique au niveau de la mer donnée à 1013.25 hPa, la pression atmosphérique est divisée par deux tous les 5 500 mètres, et divisée par 10 tous les 16 000 mètres.

La pression atmosphérique est d’environ 500 hPa à 5 500 mètres d’altitude, 100 hPa à 16 000 mètres et seulement 1 hPa au niveau de la stratopause, soit à environ 50 km d’altitude.

 

Pression atmosphérique en fonction de l'altitude

 

 

Densité et masse

 

Ces deux paramètres sont directement liés à la pression atmosphérique. Pour faire simple, 50 % de la masse de l’atmosphère est située sous les 5 500 mètres d’altitude et 90% sous les 16 000 mètres. La masse totale de l’atmosphère serait de 5.14*1018 kg.

La densité de l’air sec est quant à elle égale à 1.2kg par m3, soit 1.2 g/L.

 

 

Liens associés :

Circulation générale de l'atmosphère

Pression atmosphérique

 


 

Vous souhaitez en savoir davantage sur l'atmosphère ?

Voici une vidéo qui va vous éclairer avec des mots simples... En cas de questions, n'hésitez pas à nous contacter via notre interface de contact.

 

 

 

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