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naturels / terre_ronde
L’enveloppe
gazeuse de
le couple atmosphère –
hydrosphère
Composition
et structure thermique de L’atmosphère Terrestre actuelle
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Nous
tenterons ici une description sommaire de la sphère des vapeurs, condensées ou
non, le couple hydrosphère-atmosphère. Cependant, avant de décrire l’atmosphère
de notre planète et d’envisager son histoire, nous devons nous interroger sur
les conditions mêmes de l'existence d'une atmosphère sur les planètes
telluriques:
1 - la première condition
est bien évidemment qu’elle fut créée un jour, soit lors de l'effondrement de
la nébuleuse solaire, soit par dégazage des enveloppes rocheuses, soit encore
par bombardement cométaire;
2 - la seconde condition est
que la planète concernée ait eu une pesanteur (et donc une masse) suffisante
pour retenir une atmosphère.
A
ces 2 conditions essentielles de l’existence d’une atmosphère viennent
s’ajouter d’autres considérations, relatives à l’état de l’atmosphère, P, T° en
particulier. Parmi les principaux paramètres qui régissent l’état d’une
atmosphère, citons:
1 - la distance au soleil;
2 - l’extraction continue de
volatils par le biais d’une tectonique encore active susceptible de limiter ou
d’annuler les pertes vers le cosmos;
3 - la vitesse de rotation
de la planète (ou de son atmosphère en cas de super-rotation comme pour Vénus
60x plus rapide que la planète elle-même) qui limite les écarts de température
jour - nuit;
4 - l’orientation de l’axe
de rotation sur le plan de l’écliptique (susceptible de variations importantes)
qui peut engendrer une durée du jour égale à la durée de la révolution...
La
connaissance du champ de pression de l’atmosphère terrestre est récente. Après
le décès de Galilée, en reprenant ses expériences non achevées sur des
colonnes d’eau, E. Torricelli mit en évidence en 1644 que le poids de l’air
maintient à niveau le mercure d’une colonne. B. Pascal en déduisit que
la pression de l’air devait décroître avec l’altitude, ce qu’il fit mesurer en
1648 entre Clermont-Ferrand et le sommet du Puy de Dôme.
Partant
du champ de pression on estime la masse
de l’atmosphère (à l’équilibre hydrostatique) à 5.13
Si
la masse volumique de l'air était constante, et si sa répartition autour du
globe était homogène, alors l’atmosphère serait une enveloppe épaisse de 8Km
environ. Mais en fait, la masse volumique de l’air varie avec l’altitude, et
notre atmosphère n’a donc pas de limite. Sa masse se répartit comme suit :
50% contenus dans les 5.5 premiers
Km;
75% « « les 10
« « ;
90% « « les 16 « « ;
99% « « les 31 « « .
A
L’air est un mélange de
gaz.
Cette intuition de Descartes fut rapidement confirmée. Auparavant, l’air était
considéré comme une substance homogène, ce qui rendait complexe l’explication
de la pluie, souvent considérée par les anciens comme un des états possibles de
l’air.
Le tableau 1 montre que les constituants gazeux essentiels de
l’atmosphère sèche, exprimés en volume, sont le dioxyde d’azote (78%) et le
dioxygène (21%). L’argon (0.9%) et le dioxyde de carbone (0.035%), pourtant 3°
et 4° constituants respectivement, sont déjà très minoritaires.
Par comparaison avec la composition de l’atmosphère des
autres planètes telluriques (cf. planche hors texte, planétologie comparée en fin
d’introduction), celle de notre hôte apparaît à la fois ordinaire par la nature
des constituants (N2, O2, Ar, CO2), et
singulière par les teneurs de ces constituants. Ces similitudes et ces
différences reflètent l’évolution particulière de notre globe (cf. § Histoire
de l’atmosphère terrestre). La comparaison avec l'atmosphère des géantes
gazeuses montre des différences encore plus radicales. Celles-ci apparaissent
en effet beaucoup plus proche de la composition de Soleil, et donc de la
nébuleuse initiale.
La
composition de l'air terrestre (sec) est suffisamment constante (malgré les
variations de teneur en CO2 en particulier) pour que l’on puisse lui
attribuer une masse molaire
internationalement reconnue (M = 28.966). La présence de produits instables
(ozone au-delà de
Toutefois,
on considère que la production de l’oxygène atomique par photodissociation
pourrait provoquer un changement de composition significatif au-delà de 80 à
La vapeur d’eau est
présente en quantité très variable dans l’atmosphère terrestre, si bien que la valeur de sa
concentration moyenne, 5400 ppm volume n’a pas grande signification. La fourchette
de teneur s’étend dans les basses couches de l’atmosphère entre 0.1% environ
dans les régions continentales et 5% environ dans les régions océaniques
intertropicales.
On
évalue à 2.5Cm seulement la hauteur d’eau (condensée) contenue dans l’atmosphère,
ce qui revient à dire que l’essentiel de l’eau non géosphérique (i.e. contenue
dans les minéraux) est stocké dans les océans. Le réservoir atmosphérique peut
apparaître insignifiant. Pourtant il n’en est rien, car le temps de résidence
de l’eau dans le réservoir atmosphérique est extrêmement court (quelques heures
à quelques mois) par rapport à son temps de résidence dans le réservoir
océanique (102 à 104 ans), ou a fortiori géosphérique, et
les flux entre le réservoir atmosphérique (continental + océanique) et
l‘hydrosphère sont au contraire considérables. La figure 1 présente des
estimations des réservoirs d’eau dans le cycle de l’eau selon M.T.
Chahine.
On notera que l'atmosphère assure un transfert d'eau vers le continent de 36.1015kg/an,
qui est compensé par le débit des fleuves vers l'océan. L’imprécision sur les
composants de ce cycle est certes importante, mais cette estimation des ordres
de grandeur des réservoirs et des flux permet de confirmer les estimations
précédentes des temps de résidence de l'eau très différents dans les divers
réservoirs, de l'ordre de quelques jours dans l'atmosphère (11/434; 4.5/71); de
1000 à 10000 ans dans l'océan (1400000/398); et 500 ans environ dans le
réservoir continental (59000/107).
La
figure 1 résume les ordres de grandeur des volumes des réservoirs d’eau, y
compris géosphériques (croûte et manteau) et les temps de résidence moyens dans
les réservoirs superficiels. L’eau océanique représente l’essentiel de la masse
de l’eau sur Terre avec 1.39 ×
L’air contient de
nombreux aérosols et grains solides provenant de la surface terrestre, tels que des poussières
arrachées ou cendres volcaniques injectées dans la haute atmosphère, ou des
cristaux de sel(s). Les rôles essentiels de cette fraction solide sont d’une
part d’introduire des variations dans les conditions d’ensoleillement, et
d’autre part (et surtout) d’aider à la condensation
et/ou à la congélation de la vapeur d’eau.
|
B -
Structure thermique et chimique verticale de l'atmosphère |
Les
pionniers de la recherche dans le domaine atmosphérique, à l’articulation du
XIX° et du XX° siècle furent tout d’abord les aérostiers, dont certains,
victimes de leur curiosité, décédèrent en raison du froid et de la raréfaction
de l’air au-delà de 7500m. L’histoire retient aussi L. Teisserenc de Bort et
les “ emmêlés ” de ses cerfs-volants avec l’administration du
télégraphe, et G. Hermite, qui mit au point les premiers ballons sondes. Avec
eux, l’ère de la mesure des paramètres atmosphériques devenait journalière.
La
courbe de la température en fonction de l’altitude (Fig. 2) permet de
distinguer :
1 -
La troposphère
2 -
La Stratosphère
3 -
La mésosphère
4 -
La thermosphère
Au-delà débute l’exosphère.
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