8.3 : Atmosphère terrestre

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Différencier les différentes couches atmosphériques de la Terre
• Décrire la composition chimique et les origines possibles de notre atmosphère
• Expliquer la différence entre la météo et le climat

Nous vivons au fond de l'océan d'air qui enveloppe notre planète. L'atmosphère, qui pèse sur la surface de la Terre sous la force de la gravité, exerce une pression au niveau de la mer que les scientifiques définissent à 1 bar (terme qui vient de la même racine que le baromètre, un instrument utilisé pour mesurer la pression atmosphérique). Une barre de pression signifie que chaque centimètre carré de la surface de la Terre pèse 1,03 kilogramme. Les humains ont évolué pour vivre sous cette pression ; la faire baisser ou augmenter considérablement et nous ne fonctionnons pas bien.

La masse totale de l'atmosphère de la Terre est d'environ 5 × 10 ¹⁸ kilogrammes. Ce chiffre semble important, mais il ne représente qu'environ un millionième de la masse totale de la Terre. L'atmosphère représente une fraction de la Terre plus petite que la fraction de votre masse représentée par les poils de votre tête.

Structure de l'atmosphère

La structure de l'atmosphère est illustrée sur la figure\(\PageIndex{1}\). La majeure partie de l'atmosphère est concentrée près de la surface de la Terre, dans un rayon d'environ 10 kilomètres, là où les nuages se forment et où les avions volent. Dans cette région, appelée troposphère, l'air chaud, chauffé par la surface, monte et est remplacé par des courants descendants d'air plus frais ; c'est un exemple de convection. Cette circulation génère des nuages et du vent. Dans la troposphère, la température diminue rapidement à mesure que l'altitude augmente pour atteindre des valeurs proches de 50 °C sous le point de congélation à sa limite supérieure, là où commence la stratosphère. La majeure partie de la stratosphère, qui s'étend jusqu'à environ 50 kilomètres au-dessus de la surface, est froide et exempte de nuages.

Figure\(\PageIndex{1}\) Structure de l'atmosphère terrestre. La hauteur augmente sur le côté gauche du diagramme et les noms des différentes couches atmosphériques sont indiqués sur la droite. Dans la haute ionosphère, les rayons ultraviolets du Soleil peuvent retirer les électrons de leurs atomes, laissant l'atmosphère ionisée. La ligne rouge incurvée indique la température (voir l'échelle sur l'axe des abscisses).

Près du sommet de la stratosphère se trouve une couche d'ozone (O ₃), une forme lourde d'oxygène qui compte trois atomes par molécule au lieu des deux habituels. Comme l'ozone est un bon absorbeur de lumière ultraviolette, il protège la surface de certains des dangereux rayons ultraviolets du Soleil, permettant ainsi à la vie de vivre sur Terre. La dégradation de l'ozone ajoute de la chaleur à la stratosphère, inversant ainsi la tendance à la baisse de la température dans la troposphère. Parce que l'ozone est essentiel à notre survie, nous avons réagi avec une inquiétude justifiée aux preuves qui sont apparues clairement dans les années 1980 selon lesquelles l'ozone atmosphérique était détruit par les activités humaines. En vertu d'un accord international, la production de produits chimiques industriels responsables de l'appauvrissement de la couche d'ozone, appelés chlorofluorocarbones, ou CFC, a été supprimée progressivement. En conséquence, la perte d'ozone a cessé et le « trou d'ozone » au-dessus de l'Antarctique se rétrécit progressivement. C'est un exemple de la façon dont une action internationale concertée peut contribuer à maintenir l'habitabilité de la Terre.

Visitez le studio de visualisation scientifique de la NASA pour visionner une courte vidéo de ce qui serait arrivé à la couche d'ozone de la Terre d'ici 2065 si les CFC n'avaient pas été réglementés.

À plus de 100 kilomètres d'altitude, l'atmosphère est si mince que les satellites en orbite peuvent la traverser avec très peu de friction. De nombreux atomes sont ionisés par la perte d'un électron, et cette région est souvent appelée ionosphère. À ces altitudes, des atomes individuels peuvent parfois s'échapper complètement du champ gravitationnel de la Terre. Il y a une fuite lente et continue de l'atmosphère, en particulier des atomes légers, qui se déplacent plus rapidement que les atomes lourds. L'atmosphère de la Terre ne peut, par exemple, retenir longtemps l'hydrogène ou l'hélium, qui s'échappent dans l'espace. La Terre n'est pas la seule planète à subir des fuites atmosphériques. Les fuites atmosphériques ont également créé la mince atmosphère de Mars. L'atmosphère sèche de Vénus a évolué parce que sa proximité avec le Soleil a vaporisé et dissocié toute eau, les gaz composants étant perdus dans l'espace.

Composition et origine de l'atmosphère

À la surface de la Terre, l'atmosphère est composée de 78 % d'azote (N ₂), de 21 % d'oxygène (O ₂) et de 1 % d'argon (Ar), avec des traces de vapeur d'eau (H ₂ O), de dioxyde de carbone (CO ₂) et d'autres gaz. Des quantités variables de particules de poussière et de gouttelettes d'eau sont également présentes en suspension dans l'air.

Un recensement complet des matières volatiles de la Terre devrait toutefois porter sur plus que le gaz actuellement présent. Les matières volatiles sont celles qui s'évaporent à une température relativement basse. Si la Terre était un peu plus chaude, certaines matières qui sont maintenant liquides ou solides pourraient se retrouver dans l'atmosphère. Supposons, par exemple, que notre planète soit chauffée au-dessus du point d'ébullition de l'eau (100 °C, soit 373 K) ; cela représente un changement important pour les humains, mais un léger changement par rapport à la plage de températures possibles dans l'univers. À 100 °C, les océans bouilliraient et la vapeur d'eau qui en résulterait deviendrait une partie de l'atmosphère.

Pour estimer la quantité de vapeur d'eau qui serait libérée, notez qu'il y a suffisamment d'eau pour couvrir la totalité de la Terre jusqu'à une profondeur d'environ 300 mètres. La pression exercée par 10 mètres d'eau étant égale à environ 1 bar, la pression moyenne au fond de l'océan est d'environ 300 bars. L'eau pèse le même poids, que ce soit sous forme liquide ou sous forme de vapeur. Ainsi, si les océans bougeaient, la pression atmosphérique de l'eau serait toujours de 300 bars. L'eau dominerait donc largement l'atmosphère de la Terre, l'azote et l'oxygène étant réduits à l'état de traces.

Sur une Terre plus chaude, une autre source d'atmosphère supplémentaire se trouverait dans les roches carbonatées sédimentaires de la croûte. Ces minéraux contiennent du dioxyde de carbone en abondance. Si toutes ces roches étaient chauffées, elles dégageraient environ 70 bars de CO2, bien plus que la pression actuelle de CO ₂ de seulement 0,0005 bar. Ainsi, l'atmosphère d'une Terre chaude serait dominée par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, avec une pression de surface avoisinant les 400 bars.

Plusieurs sources de données montrent que la composition de l'atmosphère de la Terre a changé au cours de l'histoire de notre planète. Les scientifiques peuvent déduire la quantité d'oxygène atmosphérique, par exemple, en étudiant la chimie des minéraux qui se sont formés à différents moments. Nous examinerons cette question plus en détail plus loin dans ce chapitre.

Aujourd'hui, nous constatons que le CO ₂, l'H ₂ O, le dioxyde de soufre (SO ₂) et d'autres gaz sont libérés des profondeurs de la Terre sous l'action des volcans. (Pour le CO ₂, la principale source aujourd'hui est la combustion de combustibles fossiles, qui libère beaucoup plus de CO ₂ que celui des éruptions volcaniques.) Cependant, une grande partie de ce gaz apparemment nouveau est un matériau recyclé qui a été subduit par la tectonique des plaques. Mais d'où vient l'atmosphère originelle de notre planète ?

Trois possibilités existent pour la source initiale de l'atmosphère de la Terre et des océans : (1) l'atmosphère aurait pu se former avec le reste de la Terre au fur et à mesure qu'elle s'est accumulée à partir des débris laissés par la formation du Soleil ; (2) elle aurait pu être libérée de l'intérieur par l'activité volcanique, à la suite de la formation de la Terre ; ou (3) elle peut avoir été dérivée d'impacts de comètes et d'astéroïdes provenant des parties extérieures du système solaire. Les données actuelles militent en faveur d'une combinaison des sources intérieures et des sources d'impact.

Météo et climat

Toutes les planètes dotées d'une atmosphère ont des conditions météorologiques, c'est le nom que nous donnons à la circulation de l'atmosphère. L'énergie qui alimente les conditions météorologiques provient principalement de la lumière solaire qui réchauffe la surface. La rotation de la planète et le ralentissement des changements saisonniers entraînent des variations de la quantité de lumière solaire qui frappe différentes parties de la Terre. L'atmosphère et les océans redistribuent la chaleur des zones plus chaudes vers les zones plus froides. Les conditions météorologiques d'une planète représentent la réponse de son atmosphère à la modification des apports d'énergie du Soleil (voir la figure\(\PageIndex{2}\) pour un exemple dramatique).

Figure\(\PageIndex{2}\) Tempête vue de l'espace : Cette image satellite montre l'ouragan Irène en 2011, peu de temps avant que la tempête ne touche la terre ferme à New York. La combinaison de l'axe de rotation incliné de la Terre, d'une rotation modérément rapide et d'océans d'eau liquide peut entraîner des phénomènes météorologiques violents sur notre planète.

Le climat est un terme utilisé pour désigner les effets de l'atmosphère qui durent des décennies et des siècles. Les changements climatiques (par opposition aux variations climatiques aléatoires d'une année à l'autre) sont souvent difficiles à détecter sur de courtes périodes, mais à mesure qu'ils s'accumulent, leurs effets peuvent être dévastateurs. L'un des dictons est que « le climat est ce à quoi vous vous attendez, et la météo est ce que vous obtenez ». L'agriculture moderne est particulièrement sensible à la température et aux précipitations ; par exemple, des calculs indiquent qu'une baisse de seulement 2 °C tout au long de la saison de croissance réduirait de moitié la production de blé au Canada et aux États-Unis. À l'autre extrême, une augmentation de 2 °C de la température moyenne de la Terre suffirait à faire fondre de nombreux glaciers, y compris une grande partie de la couverture de glace du Groenland, à élever le niveau de la mer de 10 mètres, à inonder de nombreuses villes et ports côtiers et à plonger complètement de petites îles sous l'eau.

Les changements climatiques de la Terre les mieux documentés sont les grandes périodes glaciaires, qui ont abaissé périodiquement la température de l'hémisphère nord au cours des quelque 500 dernières années (Figure\(\PageIndex{3}\)). La dernière période glaciaire, qui s'est terminée il y a environ 14 000 ans, a duré environ 20 000 ans. À son apogée, la glace avait une épaisseur de près de 2 kilomètres au-dessus de Boston et s'étendait jusqu'à New York au sud.

Figure\(\PageIndex{3}\) Ice Age. Cette image générée par ordinateur montre les zones gelées de l'hémisphère nord au cours des dernières périodes glaciaires depuis le point de vue du pôle Nord. La zone en noir indique la plus récente glaciation (couverture par des glaciers), et la zone en gris indique le niveau de glaciation maximal jamais atteint.

Ces périodes glaciaires étaient principalement le résultat de modifications de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, produites par les effets gravitationnels des autres planètes. Nous sommes moins certains des preuves selon lesquelles au moins une fois (et peut-être deux) il y a environ un milliard d'années, l'océan tout entier a gelé, une situation appelée boule de neige de la Terre.

Le développement et l'évolution de la vie sur Terre ont également entraîné des changements dans la composition et la température de l'atmosphère de notre planète, comme nous le verrons dans la section suivante.

Concepts clés et résumé

L'atmosphère a une pression de surface de 1 bar et se compose principalement de\(N_2\) et\(O_2\), plus des gaz à l'état de traces importants tels que\(H_2O\)\(CO_2\), et\(O_3\). Sa structure comprend la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et l'ionosphère. La modification de la composition de l'atmosphère influence également la température. La circulation atmosphérique (conditions météorologiques) est dictée par les variations saisonnières des dépôts de lumière solaire. De nombreuses variations climatiques à long terme, telles que les périodes glaciaires, sont liées à des modifications de l'orbite et de l'inclinaison axiale de la planète.

Lexique

bar

une force de 100 000 newtons agissant sur une surface de 1 mètre carré ; la pression moyenne de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer est de 1,013 bar

ozone

(\(\ce{O3}\)) une molécule lourde d'oxygène qui contient trois atomes au lieu des deux plus normaux

stratosphère

la couche de l'atmosphère terrestre au-dessus de la troposphère et sous l'ionosphère

troposphère

le niveau le plus bas de l'atmosphère de la Terre, où se produisent la plupart des conditions météorologiques