La structure de l'atmosphère

Gérard Vidal

ENS Lyon, Laboratoire des Sciences de la Terre

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/12/2000

Résumé

Définition, propriétés et rôle de l'atmosphère.


L'atmosphère est l'enveloppe gazeuse la plus externe de notre planète. Bien que dans la vie de tous les jours elle soit oubliée et parfois ignorée, elle est pourtant indispensable. Elle est transparente aux rayons lumineux dans le domaine visible, ce qui nous permet de voir le monde qui nous entoure. Sa présence est tout de même révélée par la couleur bleue du ciel. Ses propriétés de transparence sélective sont dues à la capacité des molécules qui la composent d'absorber une partie du rayonnement électromagnétique et d'émettre un rayonnement du même type dans une autre longueur d'onde. Une partie seulement de l'énergie solaire atteint donc la surface de la Terre et cela contrôle tous les processus physiques et biologiques photosensibles. De même, une partie seulement du rayonnement tellurique infra-rouge s'échappe vers l'espace. L'atmosphère joue un rôle de filtre dans les deux sens.

L'atmosphère semble inconsistante pourtant elle contient de nombreuses espèces moléculaires, des aérosols et des poussières. Elle contient au moins de l'eau sous forme de vapeur, de liquide ou de glace, exprimée sous la forme de nuages, de pluie de grêle ou de neige. Elle contient des constituants majeurs comme l'azote ou l'oxygène ; d'autres sont mineurs comme le CO2, le méthane ou l'ozone. Même si oxygène et CO2 semblent avoir une importance dominante, dans la mesure où les organismes vivants les puisent dans l'atmosphère pour assurer leur fonctionnement, les recherches géologiques de la dernière décennie montrent que certaines molécules, présentes à l'état de traces, contrôlent une partie importante des mécanismes de régulation de l'atmosphère. Ce contrôle est gravement perturbé par l'activité humaine au travers de ses rejets dans l'atmosphère. De nombreuses voies de recherche scientifique sont maintenant ouvertes pour mieux connaître la structure, la composition et le fonctionnement de l'atmosphère terrestre.

L'atmosphère est le siège d'une activité importante ou tous les phénomènes observés ont des durées caractéristiques très courtes : les constantes de temps atmosphériques sont comprises entre le jour et tout au plus une dizaine années, suivant le phénomène que l'on observe. Ils sont contrôlés par les temps de mélange entre différentes régions atmosphériques plus ou moins isolées les unes des autres ; les échanges les plus lents ont lieu entre troposphère et stratosphère, ou entre hémisphères. Par ailleurs , pour les espèces chimiques atmosphériques, toutes les constantes de temps existent : le méthane met plusieurs années a s'oxyder en CO2, les CFCs, de quelques années à plusieurs dizaines d'années (ou plus).

Mais il s'agit là plus de constantes de temps liées a la chimie, qu'à l'atmosphère elle-même. Quoi qu'il en soit une modification réalisée aujourd'hui aura en plus des conséquences immédiates, des effets qui se prolongeront sur une période de l'ordre de la décennie (ou plus). Cela contraste fortement avec les phénomènes ayant lieu dans la "Terre solide" dont les durées caractéristiques sont plutôt de l'ordre de plusieurs millions d'années voir plusieurs centaines de millions d'années.

L'atmosphère est en contact avec l'océan, elle influe sur lui mais en retour il agit sur elle : on parle de couplage océan-atmosphère. Les constantes de temps océaniques varient de l'année (océan de surface) au millier d'années (océan profond), ce qui lui donne une fonction de tampon vis-à-vis de l'atmosphère. Pour le réchauffement dû a l'effet de serre, le "tampon océanique" (purement thermique) induit un retard d'environ 50 ans. Mais il est clair que d'autres effets océaniques sont à attendre, au bout de quelques décennies ou quelques siècles. Par ailleurs, d'autres composantes climatiques interviennent avec des constantes de temps très variées : les calottes de glaces (de 100 à 10.000 ans), les écosystèmes terrestres (de 1 à 500 ans)... Lorsqu'on agit sur l'atmosphère, qui est tamponnée par l'océan, certaines des conséquences n'apparaîtront donc pas immédiatement.

Les modifications rapides de l'atmosphère et les modifications plus lentes de l'océan entraînent une évolution globale de toute la planète et de son environnement ( global change , en anglais), il est difficile de savoir si l'évolution est réversible car des mécanismes à effet de seuil ont été décrits. Même si cette évolution est effectivement réversible, un changement de comportement aujourd'hui n'aura des effets qu'au bout de 1, 10, 100 ou même 1.000 ans, peut-être plus. Par exemple, malgré les accords internationaux sur l'arrêt de la fabrication des molécules de la famille des CFC, celles-ci n'auront disparu que dans plusieurs décennies (le CFC-11, maintenant interdit, a une durée de vie dans l'atmosphère estimée à environ 50 ans), d'ici là, elles contribueront activement à la destruction de l'ozone et à l'amincissement de cette couche stratosphérique.