Atmosphère vient des racines grecques atmos la vapeur, et sphaira le ballon. Ce terme désigne de manière générale toute enveloppe gazeuse qui entoure un corps céleste.

 

L'atmosphère est soumise à la loi hydrostatique : à mesure que l'altitude augmente, la pression décroît selon une loi approximativement exponentielle. Sur Terre la pression diminue d'un facteur 2,7 tous les 8 km (c'est une moyenne puisque la température n'est pas constante). C'est l'échelle de hauteur, elle dépend de la masse de la planète, de la température et bien sûr des gaz constituants l'atmosphère.

Cela signifie que 80% des gaz et de la masse de l'atmosphère se trouvent dans la troposphère (les dix premiers kilomètres) et décroissent très rapidement avec l'altitude. Dans la plus grande partie de l'atmosphère la composition est homogène, cependant, vers 90 km d'altitude la gravité devient trop faible pour entretenir le mélange, les gaz forment donc des strates selon leurs masses moléculaires respectives

Le schéma de droite montre également la courbe de température qui reflette la nature des échanges thermiques. Dans la troposphère la température diminue avec l'altitude et la chaleur se transmet par convection. Dans la stratosphère la principale source de chaleur est radiative et est issue du Soleil, plus on monte et plus la température augmente, donc. Ensuite la variation de la température dépend de phénomènes spatiaux beaucoup plus complexes mais à ces altitudes l'atmosphère est si ténue que le vide y est meilleur que celui que nous obtenons en laboratoire.

Propriété intéressante : l'Ionosphère (ou thermosphère jusqu'à 300 km) réfléchit les ondes radio de grande longueur d'onde, c'est utile pour communiquer avec l'autre bout de la planète.

 

Pour les interactions, échanges et renouvellements, voir la mécanique de l'atmosphère.

Composition de l'atmosphère terrestre actuelle

Pourcentage dans l'homosphère (tant que la répartition est homogène) et sur extrait sec, sinon il faut rajouter de 0 à 4 % de vapeur d'eau.

 

 

PRESSION ET GRAVITE TERRESTRE :

Nous avons pris pour mesurer la pression ainsi que la gravité comme référence celles qui règnent sur la Terre pour des raisons évidentes. La pression au sol moyenne sur Terre est de 1 bar et la gravité de 1 également (cependant la mesure de la pression terrestre doit être datée comme celle de la composition de l'atmosphère car elle peut varier fortement au cours de la vie de la planète).

La gravité résulte de la force d'accélération vers le centre de gravité de la Terre moins la force centrifuge qu'elle exerce de par sa rotation sur elle-même. La force de gravité étant relative à la position par rapport au centre de gravité du champ et de son intensité, le poids de toute chose est lui aussi relatif.

La pression atmosphérique de surface est dépendante du champ de gravité, cependant, sur une planète donnée celui-ci ne varie pas (à notre échelle temporelle). Ce qui défini la pression atmosphérique est donc surtout la quantité totale de gaz présent dans l'atmosphère et la densité moléculaire de ces gaz ainsi que leur température. Ces paramètres varient constamment mais sur une échelle de temps courte, les variations sont minimes donc on considère stable la pression, la composition atmosphérique et la température moyenne. Sur une échelle de temps plus longue, de l'ordre du siècle, les changement sont tout à fait perceptibles et à plus forte raison sur des durées plus longues.

 

MÉCANIQUE DE L'ATMOSPHÈRE TERRESTRE :

Comment fonctionne l'atmosphère terrestre ? D'une manière fort compliquée qui peut pourtant se résumer simplement, comme tout ce qui existe, l'atmosphère tend à aller vers l'état d'équilibre minimal. Malheureusement pour sa tranquillité, le Soleil la bombarde en permanence d'un intense rayonnement, le sol lui envoie lui aussi son énergie et les molécules qui la composent réagissent entre elles et avec les matériaux du sol et changent parfois d'état en fonction de la dose de rayonnement qu'elle reçoivent sans compter les innombrables interactions de tout ce qui vit à la surface de la Terre et qui apporte sa modeste contribution aux transferts énergétiques...

Mais globalement il y a deux phénomènes distincts qui nous intéressent : les transferts d'énergie et de chaleur, qu'on analyse à travers l'effet de serre naturel, et les interractions moléculaires qui donnent à notre atmosphère sa composition singulière. Les interractions dans la haute atmosphère, concernant l'ozone ou les autres phénomènes seront détaillés plus bas, quand aux interractions au sein de la troposphère, elle seront traitées dans le chapitre suivant, la symbiose planétaire.

Pour obtenir plus d'informations sur les composantes de l'atmosphère vous pouvez aussi consulter quelques dossiers de notre-planete.info : Les nuages, les orages, les tornades, les cyclones.

 

 

Description du phénomène d'effet de serre :

Définitions : Emission, Absorption, Réflexion et diffusion, Transparence et opacité

Émission
Un corps porté à une certaine température convertit son énergie interne en rayonnement thermique. Une unité de surface d'un corps émet durant une unité de temps une quantité d'énergie appelée flux d'émission (noté Femi).
Absorption
Il s'agit de l'opération inverse. Quand une surface reçoit un flux d'énergie, la fraction transformée en énergie interne est appelée flux absorbé ( Fabs)
Réflexion et diffusion
Au lieu d'être absorbé, le rayonnement incident sur une paroi peut être directement renvoyé par la paroi. Dans ces conditions on distingue 2 cas :
Le renvoi obéit aux lois de l'optique géométrique (un angle d'incidence, un angle de réflexion). Il s'agit alors de réflexion.
Le renvoi se fait dans toutes les directions (même si l'on a une seule direction incidente). On parle alors de diffusion.
On note que l'onde diffusée ou réfléchie a la même fréquence que l'onde incidente. La somme de ces deux flux est notée Fref.
Transparence et opacité
Un milieu peut transmettre intégralement l'onde incidente, il est alors appelé milieu transparent. Le vide est un exemple de milieu transparent. Inversement, un corps ne transmettant aucune partie du rayonnement incident est dit corps opaque. Attention, dans le langage courant transparent et opaque sont utilisé pour les fréquences de la lumière visible. En réalité, un corps opaque peut être transparent pour certaines ondes et inversement. Exemple pour le verre, qui est quasiment transparent pour la lumière visible et beaucoup moins pour les infrarouges, d'où le phénomène de hausse de la température utilisé dans une serre ou une véranda. Si nous utilisons des appareils pour voir les autres fréquences (caméra infrarouge par exemple) tous les objets courants changent de statuts entre transparence et opacité.

 

Un petit résumé avec un schéma représentant les différents flux au niveau de la surface d'un corps opaque.

On remarque que le flux émis n'est pas forcément à la même longueur d'onde que le flux incident.

Une roche noire mate absorbe en majorité les radiations qu'elle reçoit et chauffe (flux émis), un miroir réfléchi en majorité et reste froid (flux réfléchis), enfin, un prisme diffuse et reste également froid (flux diffusé).

On appelle Albédo le rapport entre le flux réfléchi et le flux solaire incident. Un miroir a donc un albédo proche de 1. L'albédo moyen de la Terre est de 0,34.

 

 

Application pour le rayonnement solaire :

L'application des principes physiques exposés plus haut au rayonnement solaire mettent en oeuvre des calculs complexes pour le profane, c'est pourquoi nous avons choisi ne ne pas les exposer ici.

En résumé des calculs :
 Le calcul de la température terrestre en fonction de la température du Soleil, de la distance qui nous en sépare et de l'albédo moyenne de la Terre mais en supposant une interaction nulle avec l'atmosphère (comme si elle n'existait pas, donc) est inférieure de 33 degrés à la température moyenne mesurée (Tobs=287K ou 14°C) : la différence est due à ce que l'on appelle l'effet de serre naturel.

ATTENTION- Ce sont des valeurs moyennes planétaires, il est tout à fait possible de trouver par d'autres sources des valeurs légèrement différentes.

La planète Terre reçoit en permanence l'intense flux de radiation du soleil, chaque fréquence a un effet différent sur toutes les molécules qui constituent l'univers, les fréquences les plus courtes passent littéralement à travers pratiquement tout alors que les ondes larges sont diffusées, absorbées ou réfléchies par beaucoup d'obstacles. L'oeil humain capture les fréquences comprise dans la bande justement nommée "la lumière visible". Nous constatons tous les jours que la lumière visible ne passe pas à travers tous les matériaux de la même manière, ce qui crée l'ombre et les différents phénomènes optiques comme la transparence ou l'opacité. Il en est de même pour toutes les fréquences, ainsi les rayons X traversent le corps humain en étant plus interceptés par nos os, c'est pourquoi nous les utilisons en médecine, mais ils sont arrêtés par une épaisseur métallique. De même les nombreux gaz dont est composée l'atmosphère interceptent plus ou moins certaines zones du spectre électromagnétique.

Le soleil nous envoie des rayonnements compris dans une certaine fourchette, ces rayonnements essayent de traverser l'atmosphère jusqu'au sol mais ils sont en partie soit absorbés soit réfléchis/diffusés pendant le trajet. Or, nous savons que tout corps ayant dépassé le zéro absolu émet du rayonnement électromagnétique pour dissiper une partie de son énergie, et tend à émettre autant d'énergie qu'il en reçoit.

La Terre reçoit un rayonnement centré sur la lumière visible du corps chaud qu'est le soleil mais ne réémet qu'un rayonnement infrarouge en proportion, car elle n'est pas aussi chaude que lui. C'est la base du phénomène d'effet de serre : le rayonnement qui entre n'est pas le même que celui qui sort, et l'atmosphère le filtre dans un sens et dans l'autre. Dans le sens Soleil Terre, les ultraviolets sont pratiquement tous interceptés par la couche d'ozone, et ensuite une partie de la lumière visible est diffusée c'est ce qui donne sa couleur bleue au ciel.

Dans le sens Terre Soleil, une partie des infrarouges sont absorbés par certains gaz, et renvoyés pour moitié vers la surface. Ces gaz dit à effet de serre (GES) n'intercepent pas l'énergie du soleil car elle n'est pas dans leur bande d'absorption. Tous les GES n'interceptent pas les mêmes rayonnements, mais tous ensembles ils contribuent à emprisonner de la chaleur.

 

 

Analogie explicative avec une serre :

Si la plaque est seule, elle reçoit et absorbe le rayonnement solaire. Cette puissance absorbée vaut 100 dans une unité arbitraire. A l'équilibre thermique, les puissances reçues et perdues par la plaque sont égales, et la puissance du rayonnement infrarouge émis par la plaque vaut également 100 dans nos unités.
On recouvre la plaque par une vitre parfaitement transparente au rayonnement solaire et parfaitement opaque au rayonnement infrarouge lointain. A l'équilibre thermique, le système "vitre-plaque" perd comme précédemment autant d'énergie qu'il en gagne. La seule différence est que maintenant c'est la vitre qui a émis le rayonnement infrarouge car, comme elle est parfaitement opaque à ce rayonnement, aucun rayonnement émis par la plaque ne peut être passé à l’extérieur.
Regardons maintenant les échanges à l’intérieur du système "vitre-plaque". Si la vitre émet 100 vers l’extérieur, par raison de symétrie elle émet également 100 vers la plaque.

Celle ci reçoit donc en plus du rayonnement solaire le rayonnement infrarouge émis par la vitre. A l'équilibre thermique, la plaque doit perdre par rayonnement infrarouge autant d'énergie qu'elle en gagne, c'est-à-dire 200 dans nos unités.

On peut vérifier que la vitre est alors aussi en équilibre : elle reçoit 200 et émet 200 (100 vers l’extérieur, 100 vers la plaque). Au final, la plaque a augmenté sa température.

Cependant l'atmosphère ne contient pas que des gaz, elle véhicule nombre de particules microscopiques qui elles aussi réfléchissent dans un sens ou un autre des rayonnements, ce sont les poussières et les aérosols, autrement dit les nuages.

Remarque :
Les principaux nuages de l'atmosphère terrestre sont des nuages d'eau, mais ce ne sont pas des nuages de vapeur d'eau, la vapeur est un gaz qui est invisible, les nuages sont formés de minuscules gouttelettes d'eau et/ou de glace, suffisamment légères pour être portées par le vent.

De plus, la répartition des gaz dans l'atmosphère n'est pas uniforme, comme nous l'avons vu plus haut à partir d'une certaine altitude ils se répartissent en plusieurs "couches" successives. Et pour finir de tout compliquer, la surface de la Terre n'est partout constituée du même matériau, et chaque matière réfléchit ou absorbe une quantité différente d'énergie. Bien entendu, tous les facteurs varient en fonction du temps, de par l'alternance du jour et de la nuit, des saisons, des cycles solaires...etc...

L'effet de serre naturel est la résultante de toutes ses interactions compliquées, c'est pourquoi l'explication, et à plus forte raison la prédiction, de son comportement n'est pas simple. En tout cas, il produit un effet "tampon" en réduisant les radiations le jour et les rediffusant la nuit, et permet par son action de réduire les écarts de température entre le jour et la nuit.

Le schéma suivant présente les hypothèses des chercheurs sur les paramètres qui influent sur l'effet de serre naturelle, en plus ou en moins. Ce schéma ne concerne que le forçage radiatif, le changement par rapport à la normale donc, et ne vise ici qu'à illustrer la multiplicité des paramètres. Nous aurons l'occasion de revenir sur ce schéma dans la partie 5 sur le changement climatique :

De gauche à droite on trouve respectivement : les contributions des gaz à effet de serre (CO2, NH4, N2O, halocarbures), les contributions de l'ozone stratosphérique (celui de la fameuse "couche") et de l'ozone troposphérique (celui des "pics de pollution") les contributions des différents aérosols, l'influence sur l'albédo des changements d'usage des sols (voir plus haut pour l'albédo, quand on déforeste on enlève une forêt qui absorbe plus de rayonnement qu'un sol agricole) et les effets des variations d'activité du Soleil. Pour toutes ces contributions, les rectangles représentent les valeurs les plus probables, et les tirets verts la zone d'incertitude, avec en rouge les phénomène qui retiennent la chaleur dans la basse atmosphère et en bleu ceux qui la réfléchissent.