Mots clés : atmosphère, température, masse de l'atmosphère, ionosphère, magnétosphère, exosphère, thermosphère

Épaisseur et température de l'atmosphère

Vidal Gérard

ENS-Lyon

Florence Kalfoun

ENS-Lyon / DGESCO

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

07/12/2004

Résumé

Choix d'un seuil statistique ou d'une couche limite pour définir l'épaisseur de l'atmosphère et réflexion sur la notion de température de l'atmosphère.


Question

« Bonjour, j'aurais aimé connaître l'épaisseur de l'atmosphère terrestre (altitude totale en km) et savoir quelle est la température au sommet de cette atmosphère. »

Réponse

Quelle est l'épaisseur de l'atmosphère ?

Cette question n'a pas de réponse précise unique. En effet, plus on s'éloigne de la surface de la Terre moins l'atmosphère est dense, cela signifie que plus l'altitude augmente moins il y a de molécules dans un volume donné d'atmosphère. Le passage de l'atmosphère à l'espace est donc progressif et décider d'une limite supérieure pour l'atmosphère est d'autant plus difficile. Plusieurs approches permettent cependant de résoudre ce problème.

Phénomènes asymptotiques et choix d'un seuil statistique

La notion de diminution de densité de l'atmosphère avec l'altitude, sans jamais vraiment atteindre une valeur de densité nulle est identique à celle d'une courbe s'approchant indéfiniment de son asymptote sans jamais la toucher. La figure 1 illustre cette notion. Elle ne représente pas l'évolution de la densité de l'atmosphère avec l'altitude mais la distribution de la masse de l'atmosphère en fonction de l'altitude, qui a été déduite des valeurs de densité. L'axe des ordonnées indique la proportion massique de l'atmosphère. Sur cette figure l'asymptote est la ligne horizontale m/Minf= 1 (ligne rouge).

Figure 1. Distribution de la masse de l'atmosphère en fonction de l'altitude

Distribution de la masse de l'atmosphère en fonction de l'altitude

L'axe des abscisses représente l'altitude z en kilomètres. L'axe des ordonnées le rapport entre d'une part m, la masse de l'atmosphère comprise entre la surface du sol et l'altitude z et d'autre part Minf, la masse totale de l'atmosphère calculée en intégrant la densité de l'atmosphère du sol à une altitude infinie.

Source : How thick is the Earth's atmosphere ? , PDAS.


Tableau 1. Distribution massique de l'atmosphère en fonction de l'altitude

Altitude z (km)

Masse m de l'atmosphère comprise entre R et R+z (R : rayon de la Terre) en zettagrammes (1 Zg =1021g)

m/Minfini (Minfini : masse totale de l'atmosphère)

0

0

0

2

1,135

0,2147

5

2,461

0,4655

10

3,899

0,7376

15

4,653

0,8801

20

4,999

0,9455

25

5,156

0,9752

30

5,228

0,9888

35

5,261

0,9950

40

5,276

0,9979

45

5,283

0,9993

50

5,287

1,0000

La masse m de l'atmosphère comprise entre l'altitude 0 et l'altitude z a été calculée en intégrant la densité de l'atmosphère (dépendante de z ) sur un volume compris entre une sphère de rayon R et la sphère de rayon R+z . Minfini est calculée en intégrant la densité de l'atmosphère sur un volume compris entre une sphère de rayon R et une sphère de rayon "infini".

Source : How thick is the Earth's atmosphere ? , PDAS.


Tout comme pour les phénomènes ayant un comportement asymptotique on peut déterminer l'épaisseur de l'atmosphère en utilisant des seuils statistiques et rechercher les altitudes auxquelles on englobe 90 %, 99 %... de la masse de l'atmosphère terrestre. Ainsi la figure 1 montre que les neuf dixièmes de la masse de l'atmosphère se situent en dessous de 16 km d'altitude, et les quatre-vingt-dix-neuf centièmes en dessous de 31 km. Ainsi l'épaisseur de l'atmosphère peut être fixée à des valeurs relativement faibles de 16 km ou 30 km en fonction du seuil choisi 90 % ou 99 %.

Choix d'une couche limite

Une autre façon d'approcher la solution est de choisir une couche comme limite de l'atmosphère : l'exosphère, qui s'étend de 350 à 800 km (en fonction de la température de la thermopause) jusqu'à 10 000 km (ou plus), peut être cette couche-limite. Elle est définie par le fait qu'au-delà de 350-800 km, ses principaux constituants, c'est-à-dire l'hélium et l'hydrogène ne sont plus retenus par la gravité terrestre et peuvent s'en échapper. Les collisions entre particules sont également négligeables (la distance parcourue par une particule entre deux collisions est de l'ordre de 100 km vers 500 km d'altitude).

Une autre façon est de considérer certaines propriétés chimiques ou physiques en s'intéressant par exemple à l'ionosphère ou à la magnétosphère. L'ionosphère est définie par l'existence de particules chargées, comme par exemple des électrons qui existent de façon transitoire jusqu'à ce qu'ils soient capturés par des ions positifs. L'ionosphère commence vers 80 km d'altitude, elle se superpose à la partie haute de la thermosphère (100-300 km) et peut être subdivisée en différentes couches. Son épaisseur varie en fonction de l'activité solaire. (Pour en savoir plus sur l'ionosphère voir le site de l'Institut d'Aéronomie spatiale de Belgique).

La magnétosphère est l'enveloppe terrestre dans laquelle les mouvements des particules sont déterminés par l'action du champ magnétique terrestre.

Figure 2. Coupe de l'atmosphère et de ses principales unités

Coupe de l'atmosphère et de ses principales unités

L'axe des abscisses représente l'altitude z en kilomètres. L'axe des ordonnées le rapport entre d'une part m, la masse de l'atmosphère comprise entre la surface du sol et l'altitude z et d'autre part Minf, la masse totale de l'atmosphère calculée en intégrant la densité de l'atmosphère du sol à une altitude infinie.

D'après : John Farndon, 200. Dictionary of the Earth by John Farndon, Dorling Kindersley Publishing, ISBN-13 : 978-0789461056.


Pour conclure : les différentes valeurs de l'épaisseur de l'atmosphère que vous pourrez trouver dans la littérature dépendent d'un choix fait arbitrairement qu'il est utile de connaître. Ainsi, les valeurs suivantes peuvent être retenues :

  • 31 km (altitude en dessous de laquelle sont situés les 99 % de la masse de l'atmosphère) ;
  • 42 km (altitude en dessous de laquelle sont situés les 99,9 % de la masse de l'atmosphère)) ;
  • 80 km (base de l'ionosphère)) ;
  • 600 km (base de l'exosphère)) ;
  • 1 000 km (altitude à partir de laquelle la densité des particules atmosphériques est indistinguable de la densité du vent solaire au voisinage de l'orbite terrestre).

Quelle est la température au sommet de l'atmosphère ?

La température de la thermosphère (entre 85 et 500 km, juste au-dessous de l'exosphère) augmente avec l'altitude et peut atteindre 2 000°C. Mais dans ce milieu, la notion de température ne correspond plus qu'à des vitesses de molécules (voir l'article sur la température dans l'atmosphère). En effet, la température représente l'agitation des molécules et comme nous l'avons vu, dans la haute atmosphère, les molécules sont rares et la mesure devient difficile, la température correspond à la vitesse des molécules engendrée par le rayonnement solaire. Si on introduit un objet ou un gaz, les molécules le constituant sont exposées au rayonnement solaire, leur agitation augmente, leur température s'élève mais dès que l'objet ne subit plus le rayonnement solaire il ne chauffe plus.

Mots clés : atmosphère, température, masse de l'atmosphère, ionosphère, magnétosphère, exosphère, thermosphère