Épaisseur et température de l'atmosphère

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/M_inf= 1 (ligne rouge).

Source - © 2004 Public Domain Aeronautical Software

Figure 1. 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 M_inf, 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.

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 %.

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.

Source - © 2000 John Farndon, modifié

Figure 2. 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 M_inf, 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 :