Comment différencier les enveloppes atmosphériques ?

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/01/2001

Résumé

Description des différentes enveloppes de l'atmosphère.


Réponse rédigée d'après Foundations of Earth Science, par F.Lutgens et E.Tarbuck (Éditions Prentice Hall, 1996) et des images de la NASA.

Question

Objet  : Recherche de documents Date  : Jeu, 14 Oct 1999 16:05:03 EDT De  : Laboratoire SVT La Martinière, Lyon.

« Nous recherchons des documents sur la température et la composition chimique de l'atmosphère pour différencier les couches. »

Réponse

Résumé. La composition chimique de l'atmosphère et la structure thermique qui en résulte permettent de distinguer 4 enveloppes atmosphériques, de bas en haut : troposphère, stratosphère, mésosphère et thermosphère.

Figure 1. Structure thermique de l'atmosphère

Structure thermique de l'atmosphère

Figure 2. Les 4 "enveloppes" de l'atmosphère

Les 4 "enveloppes" de l'atmosphère

La troposphère : la plus basse couche de l'atmosphère

Les caractéristiques physico-chimiques de cette enveloppe sont connues grâce à l'utilisation de sondes attachées à un ballon. Ces sondes transmettent des informations radio sur les changements verticaux de pression, de température, d'humidité et de caractéristiques des vents. L'épaisseur de cette enveloppe atmosphérique va de 8 km dans les hautes latitudes à 18 km au-dessus de l'équateur. Son épaisseur varie également en fonction des saisons (maximale en été, minimale en hiver).

Figure 3. La troposphère

La troposphère

Figure 4. Épaisseur variable de la troposphère

Épaisseur variable de la troposphère

Une bande étroite sépare la troposphère de la stratosphère : c'est la tropopause dans laquelle la température de l'air reste constante lorsque l'altitude augmente. La troposphère représente la plus grande partie de la masse de l'atmosphère. Sa densité est caractéristique, tout comme son gradient thermique de -6,5°C par km.

La quantité de vapeur d'eau y décroit avec l'altitude et varie en fonction de la latitude, quantité plus grande à l'équateur (3%) qu'aux pôles. La vapeur d'eau absorbant l'énergie solaire, elle joue un rôle majeur dans la régulation de la température de l'air. Environ 99% de la vapeur d'eau atmosphérique est contenue dans la troposphère. Tous les phénomènes météorologiques s'y déroulent, les turbulences pouvant néanmoins s'étendre jusqu'à la basse stratosphère. Les courants de convection sont vigoureux dans la troposphère, ce qui conduit à des brassages d'air considérables. Littéralement, il s'agit de l'enveloppe dans laquelle l'air « tourne ».

La stratosphère

C'est la seconde strate de l'atmosphère, entre 10 et 50 km d'altitude. La température de l'air y est relativement constante jusqu'à 20 km d'altitude, puis augmente régulièrement jusqu'à 220 K à 50 km d'altitude (stratopause). À cause de cette augmentation de la température avec l'altitude, il n'y a pas de convection, ce qui stabilise les conditions atmosphériques dans cette enveloppe.

Figure 5. La stratosphère

La stratosphère

L'ozone atteint ici une concentration moyenne de 10 ppmv (0,04 ppmv dans la troposphère). Cette molécule absorbe le rayonnement solaire UV de 290 à 320 nm (longueurs d'onde néfastes pour la structure des acides nucléiques cellulaires). Il y a ainsi réchauffement de la stratosphère. La production et la destruction de l'ozone se produit essentiellement dans les hautes altitudes de la stratosphère tropicale, là où le rayonnement UV est intense. Cependant la dissociation de la molécule se produit dans la basse stratosphère, à des latitudes plus hautes que celles où est produit l'ozone.

La mésosphère

De 50 km à 80 km, elle est caractérisée par une décroissance de la température de l'air, qui atteint 190 K à 80 km d'altitude (mésopause).

Figure 6. La mésosphère

La mésosphère

Les concentrations en ozone et en vapeur d'eau sont ici négligeables. Lorsqu'on s'éloigne de la surface terrestre, la composition chimique de l'atmosphère dépend uniquement de l'altitude et s'enrichit en gaz légers. À très haute altitude, la composition en gaz résiduels montre une stratification en fonction de la masse moléculaire (séparation gravitaire).

La thermosphère

La mésopause sépare la thermosphère de la mésosphère sous-jacente. La température augmente ici avec l'altitude et atteint jusqu'à 1.000 - 1.500 K. Ces températures s'expliquent par l'absorption de l'intense rayonnement solaire (courtes longueurs d'onde) par les molécules d'oxygène et d'azote résiduelles. À 100 - 200 km d'altitude, ce sont les composants chimiques majeurs de l'atmosphère.

De telles températures ne sont pas comparables à celles que l'on peut détecter à la surface de la Terre. La température correspond à la vitesse moyenne d'agitation des molécules. Dans la thermosphère, les gaz s'agitent donc à très grande vitesse. Mais ces gaz étant très peu concentrés dans cette enveloppe, la quantité de chaleur de l'ensemble est insignifiante. C'est pour cette raison que la température d'un satellite en orbite dans la thermosphère dépend principalement de la quantité de radiations solaires qu'il absorbe et non des fortes températures de l'air environnant quasiment inexistant. Si un astronaute plaçait sa main dans la thermosphère, il n'aurait pas une sensation de chaleur.

Figure 7. Thermosphère et exosphère

Thermosphère et exosphère

Notez que l'exosphère est une zone de transition entre l'atmosphère terrestre et l'espace interplanétaire. La frontière supérieure, relativement floue, pourrait s'étendre jusqu'à 1.000 km.