L’atmosphère : cet océan d’air dans lequel nous baignons tous sans même y songer. Pourtant elle nous rend bien des services, et sans elle, la vie sur Terre aurait eu beaucoup de mal à s’y développer !
Dans cet article, vous en apprendrez plus sur l’atmosphère, son histoire et ses caractéristiques. Nous verrons que sa composition a beaucoup évoluée depuis la formation de la planète. Nous aborderons aussi sa structure actuelle et l’impact des activités humaines, notamment en terme de réchauffement climatique.
Sommaire
Composition de l’atmosphère : une question de gravité
La Terre s’est formée il y a environ 4,6 milliards d’années. L’atmosphère de la jeune planète était alors radicalement différente de celle que nous respirons aujourd’hui. Elle était essentiellement composée d’hydrogène et d’hélium, les deux gaz prépondérants dans l’univers. Toutefois, la Terre n’a pas conservé longtemps cette enveloppe originelle, qui s’est rapidement échappée dans l’espace.
Une partie de cet échappement s’explique par la masse de la Terre : elle est trop faible pour retenir les atomes les plus légers comme l’hydrogène ou l’hélium dans son atmosphère.
En effet, plus un corps est massif, plus sa gravité est importante. Celle-ci diminue au fur et à mesure que l’on s’éloigne du corps. Sur la Terre, la gravité est d’environ 9,81 m/s². Pour qu’un objet échappe à cette attraction, il doit dépasser une vitesse seuil appelée vitesse de libération. Pour notre planète, cette vitesse est d’environ 11km/s, soit une vitesse de 39 600 km/h. De quoi faire le tour de la Terre en à peine plus d’une heure !
Or, la vitesse moyenne des molécules d’un gaz dépend de deux paramètres :
- Leur masse : la vitesse moyenne moléculaire est d’autant plus importante que la masse de ces molécules est faible. Ainsi des molécules composées uniquement d’hydrogène ou d’hélium ont une masse plus faible que des molécules plus complexes comme le dioxyde de carbone (CO2), et se déplaceront donc plus vite.
- La température moyenne du gaz : un gaz plus chaud permet aux molécules qui le composent d’atteindre des vitesses plus élevées.
Des molécules légères et chaudes seront plus difficiles à piéger dans une atmosphère que des molécules lourdes dans un environnement froid, à gravité constante.
Le graphique ci-dessus indique la vitesse des gaz les plus répandus dans l’univers en fonction de leur température. Les principaux corps du système solaire sont aussi représentés en fonction de leur vitesse de libération (qui dépend de leur gravité et donc de leur masse), et de leur température moyenne en surface. Pour les planètes gazeuses, cette température est prise à une altitude où la pression est de 1000 hPa (hecto-Pascal), soit approximativement la pression au niveau de la mer sur Terre.
Ainsi, ce graphique nous montre qu’avec une vitesse de libération de 11km/s et une température moyenne d’environ 288K (15° C), la Terre peut piéger des substances telles que l’eau, le dioxygène (O2) ou encore le CO2, mais pas l’hydrogène ni l’hélium, dont les vitesses pour une température de 15°C peuvent être supérieures à 15km/s, soit au-delà de la vitesse de libération de la Terre.
La jeune Terre était plus chaude que ce qu’elle ne l’est aujourd’hui. La vitesse des molécules d’hydrogène et d’hélium pouvait donc être plus élevée qu’actuellement. On comprend donc pourquoi notre planète n’a pas conservé son atmosphère originelle.
En revanche, la gravité des géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) est suffisante pour piéger ces deux gaz, ce qui explique en partie pourquoi leur atmosphère respective en est largement composée.
On note aussi que Mars est trop peu massique pour maintenir la vapeur d’eau dans son atmosphère, qui a donc fini par s’échapper dans l’espace, contribuant à désertifier la planète.
De l’atmosphère primitive à l’air que nous respirons
L’hydrogène et l’hélium de l’atmosphère originelle de la Terre emportée par le vent solaire ont rapidement été remplacés par d’autres gaz plus lourds issus du dégazage des éléments venant des roches terrestres. Ces gaz ont notamment été libérés par d’importantes éruptions volcaniques, et par un grand bombardement tardif survenu il y a plus de 4 milliards d’années (bombardement qui a aussi apporté une grande quantité d’eau sur la planète). Ces divers événements ont abouti à une atmosphère primitive encore très loin de celle que l’on connaît aujourd’hui.
L’atmosphère primitive était essentiellement composée d’envrion 58% de vapeur d’eau (H2O), 23% de CO2 et 13% de dioxyde de soufre (SO2). Bref, une atmosphère loin d’être accueillante, avec une température de surface de l’ordre de 50 à 100°C liée à un puissant effet de serre !
Un point à noter est qu’il y avait très peu d’oxygène dans cette atmosphère primitive. Il faudra attendre encore quelques centaines de millions d’années avant de commencer à voir le taux d’oxygène grimper dans l’atmosphère, sous l’action d’une des premières formes de vie sur Terre : les cyanobactéries. Ces micro-organismes vivant dans les océans ont été parmi les premiers à réaliser la photosynthèse, dont le processus chimique permet à ces bactéries de fixer le CO2 en utilisant l’énergie des rayons lumineux captés grâce à la chlorophylle, et qui rejette du dioxygène (O2).
Le niveau d’O2 a progressivement augmenté dans l’atmosphère jusqu’à atteindre celui que l’on connaît aujourd’hui, provoquant au passage une catastrophe écologique nommée la grande oxydation il y a 2,4 milliards d’années, car oui, à cette époque, l’oxygène était toxique pour la très grande majorité des bactéries (espèces anaérobies).
Quant à l’azote, prépondérant dans l’atmosphère actuelle sous forme de diazote (N2), l’hypothèse vraisemblable est qu’une grande partie soit d‘origine extra-terrestre, et que ce gaz soit arrivé sur Terre lors d’épisodes de bombardements d’astéroïdes.
Composition actuelles de l’atmosphère
Ces différents événements ont finalement abouti à l’atmosphère telle que nous la respirons aujourd’hui. Elle est essentiellement composée des trois gaz suivants :
- L’azote, sous forme de diazote (N2) pour environ 78% du volume total
- L’oxygène, sous forme de dioxygène (O2) pour environ 21% du volume
- L’argon pour environ 1% du volume
En plus de ces trois gaz, on trouve aussi des traces d’autres gaz. La quantité de ces gaz dans l’atmosphère est tellement petite qu’on l’exprime en partie par million (ppm). Parmi ces gaz on trouve notamment :
- du gaz carbonique (CO2) : 428 ppm, ce qui est équivalent à 0,043% du volume total. La part du CO2 dans l’atmosphère augmente rapidement et est en très grande partie responsable du réchauffement actuel.
- Du néon, du méthane (CH4, un autre gaz à effet de serre bien plus puissant que le CO2), de l’hélium en de très faible quantité
Ces chiffres sont valables pour une altitude comprise entre 0 et 80km, et en excluant la vapeur d’eau ; on parle alors d’air sec. En effet, la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère varie beaucoup dans le temps et selon l’endroit où l’on se trouve sur Terre. Son volume dans l’atmosphère varie entre 0,5 et 5%. Du fait du cycle de l’eau, cette vapeur d’eau est très régulièrement recyclée via l’évaporation et les précipitations.
Les couches de l’atmosphère
L’atmosphère est divisée en 5 couches différentes dont les limites sont basées sur le profil vertical de la température, c’est-à-dire sur la manière dont évolue la température en fonction de l’altitude. Le graphique ci-dessous est une représentation de ce profil.
Voici une description de chaque couche de l’atmosphère, de la plus basse à la plus élevée.
La troposphère et la couche limite : l’interface avec la vie
La couche la plus basse, celle dans laquelle nous vivons, est la troposphère. C’est dans cette couche que se produisent la grande majorité des événements météorologiques comme les orages ou les cyclones. La partie inférieure de cette couche est nommée la couche limite.
La couche limite est le lieu d’échange entre l’atmosphère d’une part, la biosphère (le monde du vivant), l’hydrosphère (les océans), la lithosphère (la roche), et la cryosphère (les zones glaciaires) d’autre part. Ces échanges se matérialisent notamment à travers deux cycles importants pour la vie sur Terre : le cycle de l’eau et le cycle du carbone.
La vapeur d’eau est un gaz à effet de serre. Toutefois, la quasi totalité de la vapeur d’eau se trouve dans la troposphère et participe au cycle de l’eau, ce qui signifie que cette vapeur d’eau n’est pas permanente dans l’atmosphère et est très régulièrement recyclée. Elle n’a donc pas d’impact sur le réchauffement du climat actuellement causé par l’homme. En revanche, lorsque de la vapeur d’eau arrive dans la stratosphère, elle peut y rester très longtemps, et participe donc au réchauffement de la planète.
La troposphère est la zone de l’atmosphère la plus dense, correspondant à 80% de sa masse totale. C’est aussi celle où les pressions sont les plus élevées, de l’ordre de 1000 hPa, avec une pression qui augmente sous les anticyclones, et qui diminue sous les dépressions et les cyclones.
Ces phénomènes météorologiques participent au brassage de l’air, qui permet notamment de répartir la chaleur provenant du rayonnement solaire. Sans ce brassage, les pôles seraient plus froids de 25°C et la zone tropicale plus chaude de 14°C.
Comme on peut le constater sur le graphique ci-dessus, la température dans la troposphère diminue avec l’altitude. Cette diminution de température explique pourquoi la troposphère est instable. En effet un air chaud est plus léger qu’un air froid. Or, dans la troposphère la source de chaleur se trouve au niveau de la couche limite, les terres et les océans étant réchauffées par le rayonnement solaire. Cet air plus chaud, et donc moins dense, va avoir tendance à monter en altitude, et à se refroidir au fur et à mesure que la pression diminue.
Au contraire, l’air froid, plus lourd, va avoir tendance à tomber vers le sol. L’ensemble de ces mouvements génère de la convection, moteur de la formation des orages par exemple.
La limite supérieure de la troposphère se situe à environ 10-15km d’altitude, cette hauteur variant selon la latitude à laquelle on se trouve : plus basse au niveau des pôles (autour des 8km), plus haute au niveau de l’équateur (entre 15 et 18km), car il fait plus chaud sous les tropiques que dans les régions polaires. Cette limite s’appelle la tropopause et correspond à la première cassure dans le profil vertical de température : à cette altitude, la température cesse de diminuer et se met à augmenter dans la stratosphère.
La stratosphère et la couche d’ozone : notre alliée contre les UV
La stratosphère est la deuxième couche de l’atmosphère en partant du sol, et s’étend de la tropopause jusqu’à 50km d’altitude. Elle tient son nom de son organisation en strates (c’est-à-dire en couches). En effet, contrairement à sa voisine de l’étage inférieur, la stratosphère est très stable, à cause de l’augmentation de température, qui fait que l’air relativement chaud se trouve déjà dans la partie supérieure de cette couche. Il n’y a donc pas de phénomène convectif dans la stratosphère. Mais pourquoi la température augmente-t-elle à cette altitude ? La coupable : la couche d’ozone.
La couche d’ozone se situe entièrement dans la stratosphère, entre 20 et 50 km d’altitude. À cette hauteur, le rayonnement solaire est encore assez puissant pour briser les liaisons entre les atomes de dioxygène. Mais les atomes d’oxygène n’aiment pas la solitude (ils ne sont pas très stables dans cette configuration), et vont donc avoir tendance à se recombiner avec du dioxygène, formant de l’ozone (O3).
Contrairement à ce qu’on pourrait imaginer, la couche d’ozone est loin d’être essentiellement composée d’ozone. Ce gaz y est même très peu dense. Si on comprimait les 30 km sur lesquels se répartit l’ozone, la couche d’ozone ne ferait que… 3mm d’épaisseur !
La couche d’ozone a failli disparaître ! Dans la seconde moitié du XXe siècle, une grande quantité de chlorofluorocarbures (CFC), utilisés pour la réfrigération et la projection d’aérosols (comme les déodorants) s’est propagée dans l’atmosphère. Or les CFC réagissent avec l’ozone, en dissociant les atomes d’oxygène, ce qui a généré un trou dans la couche d’ozone au dessus de l’antarctique. Heureusement les CFC sont aujourd’hui interdits, et le trou se résorbe peu à peu.
Cet ozone va ensuite interagir avec le rayonnement solaire, en bloquant une partie du rayonnement UV (ultra-violet), notamment les UV-A. Ces UV sont les plus dangereux, car les plus énergétiques, et donc les plus à même de provoquer des cancers. Une partie des UV-B est aussi bloquée. En revanche les UV-C ne sont pas filtrés, ce qui explique pourquoi il est recommandé d’appliquer de la crème solaire sur la peau en été.
Saviez-vous que l’ozone joue un double jeu ? Son rôle dans la stratosphère est vital pour la vie sur Terre via l’absorption des rayons UV les plus dangereux pour la vie dans la couche d’ozone. En revanche, l’ozone troposphérique est dangereux : outre le fait qu’il s’agisse d’un gaz toxique, c’est aussi un puissant gaz à effet de serre ! On parle alors de pollution à l’ozone, ou de « smog » lorsque les quantités d’ozone sont importantes certains jours dans les grandes villes mondiales, formant un brouillard opaque.
L’absorption du rayonnement UV par les molécules d’ozone a pour conséquence de briser les liaisons entre les atomes d’oxygène, ce qui dégage de la chaleur. Ceci explique pourquoi la température augmente à partir de 20km d’altitude, pour passer de -55°C à presque 0°C au niveau de la stratopause, à 50 km d’altitude, où la température repart à la baisse. On passe alors dans la mésosphère.
La mésosphère : notre bouclier contre les astéroïdes
La mésosphère, littéralement la couche moyenne, est la région de l’atmosphère où la majorité des astéroïdes tombant vers la Terre se consument du fait de l’échauffement généré par le frottement avec les particules d’air couplé à la grande vitesse de pénétration des astéroïdes.
C’est dans cette couche que la température la plus basse de l’atmosphère est atteinte, au niveau de la mésopause (limite entre la mésosphère et la thermosphère), avec des valeurs autour des -80°C. La mésopause est parfois désignée comme étant la limite (arbitraire) entre l’atmosphère et l’espace, entre 80 et 95km d’altitude. C’est en tout cas à ce niveau que l’atmosphère cesse d’être homogène, et que les proportions en volume de gaz évoquées plus haut cessent de s’appliquer.
La mésosphère est aussi le siège de certains phénomènes lumineux particuliers tels que les farfadets. Ces événements sont provoqués lors d’éclairs puissants survenant dans des orages dans la troposphère en dessous. La photo ci-après en est une illustration.
Enfin, une dernière chose à savoir sur la mésosphère est… qu’on ne sait pas grand chose à son propos ! Cela s’explique par le fait que cette couche se situe trop haut en altitude pour être atteinte par les avions ou les ballons-sondes, et trop basse pour les satellites météorologiques. C’est pour cela que la mésosphère est parfois surnommée l’ignorosphère.
La thermosphère et l’ionosphère : notre protection contre les rayons X
À partir de 80km d’altitude (jusqu’à 95 voire 100 km selon les limites définies), nous passons dans la thermosphère. Cette couche forme, avec l’exosphère, une région que l’on nomme l’hétérosphère. Contrairement à l’homosphère (troposphère + stratosphère + mésosphère), il n’y a pas suffisamment de brassage d’air pour maintenir une uniformité au niveau de la répartition des gaz. Cela signifie que les chiffres donnés plus haut sur la composition de l’atmosphère ne sont plus valables dans la thermosphère.
Les gaz présents à cette altitude sont soumis à un rayonnement solaire de haute énergie, notamment des rayons ultraviolets extrêmes (XUV) et des rayons X. En interagissant avec les molécules gazeuses, notamment du dioxygène, ces rayonnements sont absorbés ce qui protège les couches plus basses. En les absorbant, les molécules gazeuses se dissocient. Par exemple, le dioxygène se divise en deux atomes d’oxygène, ce qui explique pourquoi cet élément atomique est prépondérant dans la thermosphère. Cette dissociation produit également de la chaleur, d’où le fait que la température augmente de nouveau dans cette région de l’atmosphère, le vent solaire étant une autre source thermique à ce niveau.
Une autre conséquence de l’interaction des molécules gazeuses avec le rayonnement solaire de haute énergie est l’arrachement d’électrons de leurs atomes, formant des particules électriquement chargées : des ions. On parle alors d’ionisation. Cette forme d’interaction se produit dans une région de l’atmosphère que l’on nomme l’ionosphère. Elle se trouve à cheval entre la mésosphère et l’exosphère, entre 60 et 1 000km d’altitude. La thermosphère est donc entièrement incluse dans cette région.
La thermopause, limite entre la thermosphère et l’exosphère, est située à une altitude variant en fonction de l’activité solaire, entre 500 et 1 000 km. La Station Spatiale Internationale (ISS), en orbite autour de la Terre à une altitude d’environ 420 km se trouve donc dans la thermosphère. Il en va de même pour une partie des satellites artificiels qui orbitent autour de la planète.
L’exosphère : la dernière couche de l’atmosphère
L’exosphère se trouve au sommet de l’atmosphère. Elle se délimite uniquement à partir de sa frontière basse, la thermopause, que l’on nomme aussi l’exobase. En effet, il n’existe pas de limite supérieure à cette couche qui se confond progressivement avec l’espace inter planétaire.
Dans cette couche, les interactions entre les atomes, principalement de l’hydrogène et de l’hélium, sont rares. C’est à ce niveau que les molécules s’échappent de l’atmosphère, la gravité étant très faible à cette altitude.
Et le réchauffement climatique dans tout ça ?
Au niveau de la troposphère : accumulation de gaz à effet de serre
La troposphère, la couche la plus basse de l’atmosphère, est directement impactée par les activités humaines, et notamment depuis la première révolution industrielle et la combustion à grande échelle de combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel).
Leur combustion a injecté une très grande quantité de CO2 dans l’atmosphère. Cette quantité est estimée à 2 400 Gt (gigatonnes) de CO2 entre 1850 et 2019 d’après le 6ème rapport du GIEC. Sur la seule période 1990-2019, c’est plus de 1 000 Gt de CO2 qui ont été injectés, dont près de 59 Gt pour la seule année 2019.
La concentration en CO2 est passée de 290 ppm (0,029% de la composition de l’atmosphère) en 1850, à 428ppm (soit 0,043%), ce qui représente une augmentation de près de 70% de la concentration en CO2 dans l’atmosphère. Et cela continue d’augmenter rapidement. Il faut remonter à il y a deux millions d’années pour trouver des chiffres similaires.
Le dioxyde de carbone étant un gaz à effet de serre (GES), il favorise la concentration de la chaleur émise par la Terre dans la troposphère, comme une couette garde votre chaleur dans le lit en hiver. C’est aussi un gaz chimiquement très stable (propriété liée aux deux doubles liaisons covalentes entre l’atome de carbone et les atomes d’oxygène), ce qui fait qu’il reste longtemps dans l’atmosphère. La conséquence est que la température moyenne du globe a augmenté de près de 1,5°C par rapport à la période pré-industrielle, et dépassera ce seuil dans les années à venir, même dans le cas où nous stopperions rapidement nos émissions nettes en GES.
Une troposphère plus chaude, c’est plus d’énergie thermique disponible pour la formation d’événements climatiques extrêmes, comme de forts orages ou des ouragans plus puissants.
Une autre conséquence de l’élévation de la température de l’air : un air plus chaud peut contenir plus de vapeur d’eau avant d’arriver à saturation, ce qui accentue la gravité des sécheresses, avec des épisodes plus longs et plus intenses. Ces sécheresses augmentent le risque de feux de forêt.
Le gaz carbonique n’est pas le seul GES injecté dans l’atmosphère. L’agriculture, et notamment l’élevage des bovins, émet beaucoup de méthane (CH4). La concentration en méthane dans l’atmosphère est beaucoup plus faible que celle du CO2, de l’ordre de 0.00019%, mais ce gaz possède un effet de serre bien supérieur au CO2. Une tonne de méthane dans l’atmosphère est équivalente à 80 tonnes de CO2 en termes de pouvoir de réchauffement. Le seul « point positif » est que le méthane reste moins longtemps dans l’atmosphère, environ 20 ans.
Un autre GES dont les activités humaines tendent à augmenter la concentration dans l’atmosphère est le protoxyde d’azote (N2O), émis là aussi par le secteur de l’agriculture principalement.
Amélioration de la qualité de l’air : une bonne nouvelle pour la santé respiratoire… moins pour le climat
La réduction des émissions de polluants mise en œuvre ces dernières années constitue une victoire majeure pour la santé : les particules fines, qui pénètrent dans les poumons, sont responsables de millions de décès prématurés chaque année. Vous pouvez d’ailleurs facilement retrouver la qualité de l’air en temps réel pour votre localisation sur le tableau de bord de Heleyna.
Cette amélioration de la qualité de l’air a un revers climatique : certains aérosols, notamment les sulfates, agissent comme un parasol, en réfléchissant le rayonnement solaire vers l’espace. Leur retrait de l’atmosphère révèle donc un réchauffement jusque-là partiellement masqué.
Refroidissement de la stratosphère
Cela peut paraître paradoxal, mais le réchauffement climatique provoque… le refroidissement de la stratosphère ! Reprenons l’image de la couette. Lorsque vous ajoutez une couette sur votre lit, celle-ci bloque la chaleur corporelle à l’intérieur du lit, ce qui augmente la température à cet endroit. Cette chaleur n’est plus transmise à l’air au-dessus de la couette, qui ne se réchauffe donc plus.
C’est exactement la même chose pour la stratosphère. Parce que les GES bloquent la chaleur au niveau de la troposphère, celle-ci a plus de mal à atteindre la stratosphère. Privée de cet apport, la stratosphère se refroidit.
En conclusion
Vous avez désormais une vision globale de l’atmosphère terrestre, de son origine, de sa structure, et des principales interactions qui font de cette couche gazeuse un véritable bouclier pour la vie sur Terre !