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Structure et Ă©volution |
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L'air que nous
respirons, principalement composé d'un mélange d'azote et d'oxygène,
forme une couche fluide qui enveloppe la planète entière et qui qui continue
d'exister en altitude, en se raréfiant à mesure que l'on s'élève. L'ensemble
de cette couche gazeuse constitue l'atmosphère terrestre. L'atmosphère
pèse sur la surface de la Terre sous la force de la gravité : elle exerce
une pression au niveau de la mer que les scientifiques définissent comme
1 bar (un terme qui vient de la même racine que le baromètre, un instrument
utilisé pour mesurer la pression atmosphérique). Une bar de pression
signifie que chaque centimètre carré de la surface de la Terre supporte
un poids équivalent à 1,03 kilogramme. La masse totale de l'atmosphère
terrestre est d'environ 5 x 1018 kilogrammes.
Cela semble énorme, mais ce n'est que le millionième de la masse totale
de la Terre.
- ![]() L'atmosphère de la Terre vue depuis l'espace.
De quoi l'atmosphère a l'airStructure de l'atmosphère.En fonction de l'altitude, on distingue dans l'atmosphère, plusieurs régions de densité et de température différentes : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, la thermosphère et l'exosphère. La
troposphère.
La gravité, combinée à la compressibilité de l'air, fait chuter la densité de l'atmosphère de façon exponentielle avec l'altitude, de sorte que la troposphère terrestre contient 80% de la masse de l'atmosphère et la plupart de la vapeur d'eau , et par conséquent la plupart des nuages. À l'intérieur de cette région, de grands mouvements de convection ont lieu : en basse altitude, l'air chauffé par la surface monte; en altitude, il se refroidit et redescend. Cette circulation génère des nuages, des précipitations et du vent. La
stratosphère.
La stratosphère s'étend au dessus de la troposphère jusqu'à une altitude d'environ 50 km au-dessus du niveau de la mer. La baisse presque adiabatique de la température avec l'altitude dans la troposphère terrestre laisse place ici à une augmentation de la température avec l'altitude. La température est de -3 °C au sommet de la stratosphère (stratopause). La source de chauffage dans la stratosphère terrestre est la photochimie de l'ozone ou trioxygène (O3), qui culmine à environ 25 km. L'ozone absorbe la lumière ultraviolette (UV) et en dessous d'environ 75 km, presque tout ce rayonnement est converti en énergie thermique. L'ozone est produit principalement au-dessus de l'équateur, mais ses plus grandes concentrations se trouvent au-dessus des pôles, ce qui signifie que pour le budget de l'ozone la dynamique est aussi importante que la chimie. Dans la troposphère,
la vapeur d'eau, qui représente jusqu'à 1% environ de l'air, varie spatialement
et diminue en effet rapidement avec l'altitude. Le rapport de mélange
de la vapeur d'eau dans la stratosphère et au-dessus est inférieur de
près de 4 ordres de grandeur à celui de la troposphère inférieure tropicale.
Des nuages peuvent cependant se former dans la stratosphère (voire dans
la mésosphère), au-dessus des pôles.
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La
mésosphère.
La
thermosphère.
Tout comme dans la stratosphère, la thermosphère est stable au mélange vertical. À environ 120 km, la diffusion moléculaire devient plus importante que le mélange turbulent, et cette altitude est appelée homopause (ou turbopause). La diffusion moléculaire dépend de la masse et chaque espèce chimique chute de façon exponentielle selon sa propre hauteur d'échelle, autrement dit la distance sur laquelle sa densité diminue d'un facteur e (= 2,718...), conduisant à une différentiation élémentaire qui augmente l'abondance des espèces les plus légères au sommet de l'atmosphère. Ainsi, jusqu'à une altitude d'environ 80 km, l'atmosphère terrestre était composée, en volume, de 78% d'azote (N2), de 21% de dioxygène (O2), de 0,9% d'Argon (Ar) et de 0,002% de Néon (Ne); on y trouvait en outre des traces de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d'eau (H2O), de méthane (CH4) et de nombreux autres composés, ainsi que des quantités variables de particules de poussière et de gouttelettes d'eau en suspension dans l'air. Ce sont les proportions que l'on donne ordinairement pour la composition de l'air. Mais à partir de la thermosphère, la diffusion, la chimie et d'autres effets modifient considérablement la composition atmosphérique. C'est dans la thermosphère que se forment les aurores polaires, nées des collision des particules du vent solaire avec les particules atmosphériques. L'exosphère.
A ces hautes altitudes, la lumière du soleil peut retirer les électrons des constituants atmosphériques et former une réserve d'ions. Ces ions interagissent avec le champ magnétique planétaire et avec le vent solaire pour former une ionosphère. Sur Terre, la plupart des ions proviennent de l'oxygène moléculaire et de l'azote, tandis que sur Mars et Vénus, la plupart des ions proviennent du dioxyde de carbone. En raison de la chimie, cependant, les atomes et molécules d'oxygène ionisé sont l'ion le plus abondant pour les trois atmosphères. L'évaporation
de l'atmosphère.
À ces altitudes, des atomes et les molécules peuvent posseder des énergies cinétiques qui les rendent capable de s'échapper complètement du champ gravitationnel de la Terre. Notre planète connaît ainsi une perte très lente mais continue de son atmosphère, en particulier des atomes légers, qui se déplacent plus rapidement que les atomes lourds. L'atmosphère terrestre ne peut pas, par exemple, empêcher longtemps l'hydrogène ou à l'hélium de s'échapper dans l'espace. La Terre n'est pas la seule planète à subir une telle évaporation de son atmosphère. C'est ce phénomène, par exemple, qui est à l'origine de la minceur de l'atmosphère de Mars. L'atmosphère sèche de Vénus, quant à elle, a évolué ainsi parce qu'à cause de sa proximité avec le Soleil, l'eau atmosphérique y a été dissociée et ses composants étant perdus dans l'espace. Deux processus sont suceptibles de fournir l'énergie cinétique nécessaire aux molécules pour atteindre la vitesse de libération : les processus thermiques et les processus non-thermiques. Mécanismes
thermiques.
MĂ©canismes
non-thermiques.
Si un ion se forme très haut dans l'atmosphère, il peut être emporté de l'atmosphère d'une planète par le vent solaire. Mais d'autres non thermiques peuvent encore concerner les particules chargées électriquement. Celles-ci sont normalement piégées par les champs magnétiques et ne s'échappent donc pas facilement. Cependant, un proton rapide peut entrer en collision avec un atome d'hydrogène lent et capturer l'électron de l'atome d'hydrogène. Ce processus d'échange de charge transforme le proton rapide en un atome d'hydrogène rapide qui est électriquement neutre et peut donc s'échapper. Le temps et le
climat.
Le
météorologie de la Terre.
La rotation de la planète, causant l'alternace du jour et de la nuit, et sa révolution autour du Soleil, à l'origine des changements saisonniers plus lents, provoquent des variations de la quantité de lumière solaire frappant différentes parties de la Terre. L'atmosphère, via les vents, et les océans, via les courants, redistribuent la chaleur des zones plus chaudes aux zones plus froides. Le
climat de la Terre.
L'agriculture moderne est particulièrement sensible à la température et aux précipitations; par exemple, les calculs indiquent qu'une baisse de seulement 2 °C pendant la saison de croissance réduirait de moitié la production de blé en Amérique du Nord. À l'autre extrême, une augmentation de 2 °C de la température moyenne de la Terre suffirait à faire fondre de nombreux glaciers, dont une grande partie de la couverture de glace du Groenland, augmentant le niveau de la mer jusqu'à 10 mètres, inondant de nombreuses villes et ports côtiers et engloutissant de nombreuses petites îles. Les changements les mieux documentés du
climat de la Terre sont les grands âges glaciaires du Quaternaire,
qui ont abaissé périodiquement la température de l'hémisphère Nord
au cours des cinq derniers millions d'années. 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 près de 2 kilomètres d'épaisseur au-dessus
de Boston et s'Ă©tendait aussi au sud que New York. En Europe,
les glaciers recouvraient la Scandinavie,
les pays au Sud-Est de la mer Baltique et
la presque totalité des Îles Britanniques.
Ces périodes glaciaires étaient principalement le résultat de changements
dans l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, produits par les effets
gravitationnels des autres planètes. Il semble aussi, qu'au moins une
fois (et peut-être deux fois), il y a environ un milliard d'années, l'océan
tout entier s'est gelé, une situation appelée Terre boule de neige.
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L'évolution chimique et le changement climatiquePlusieurs éléments montrent que la composition de l'atmosphère a changé au cours de l'histoire de notre planète. On peut, par exemple, déduire la quantité d'oxygène atmosphérique, en étudiant la chimie des minéraux qui se sont formés à différentes époques. Aujourd'hui, nous voyons aussi que le CO2, le H2O, le dioxyde de soufre (SO2) et d'autres gaz sont libérés des profondeurs de la Terre par l'action des volcans. (Pour ce qui est du CO2, la principale source aujourd'hui en est la combustion de combustibles fossiles, qui libère cent fois plus de CO2 que les éruptions volcaniques). Une grande partie de ce gaz apparemment nouveau, cependant, est du matériel recyclé qui a été subduit par la tectonique des plaques. Reste à savoir quelle était l'atmosphère originale de notre planète et d'abord comment elle a pu se former.L'origine de l'atmosphère
et des océans.
Ceci posé, il existe trois possibilités pour expliquer l'origine de l'atmosphère et des océans de la Terre : • 1) L'air de l'atmosphère et l'eau des océans auraient pu apparaître en même temps que le reste de la Terre, lors de son accrétion de matière à partir des débris laissés par la formation du Soleil;Aucune de ces hypothèses n'est exclusive, et il semble même aujourd'hui que les trois mécanismes ont contribué, chacun à son heure, à doter la Terre de son enveloppe fluide. L'évolution
de l'atmosphère.
Des études sur la chimie des roches anciennes montrent que l'atmosphère terrestre manquait d'oxygène libre abondant jusqu'à il y a environ 2 milliards d'années, malgré la présence de végétaux libérant de l'oxygène par photosynthèse. Apparemment, les réactions chimiques avec la croûte terrestre ont éliminé l'oxygène gazeux aussi rapidement qu'il s'est formé. Mais lentement, la sophistication évolutive croissante des organismes vivants a entraîné une croissance de la population végétale et donc une augmentation de la production d'oxygène. Dans le même temps, il semble que l'augmentation de l'activité géologique a entraîné une forte érosion à la surface de notre planète. Cela a enterré une grande partie du carbone végétal avant qu'il ne puisse se recombiner avec de l'oxygène pour former du CO2. L'oxygène libre a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère il y a environ 2 milliards d'années, et la quantité accrue de ce gaz a conduit à la formation de la couche d'ozone de la Terre, qui protège la surface des ultraviolets solaires mortels lumière. Avant cela, il n'était pas possible pour les organismes vivants de s'aventurer en dehors des océans protecteurs, de sorte que les masses terrestres étaient nues. La présence d'oxygène, donc d'ozone, a ainsi permis une énorme prolifération d'animaux, qui vivaient en absorbant et en utilisant les matières organiques produites par les véhétaux comme leur propre source d'énergie. Alors que les animaux évoluaient dans un environnement de plus en plus riche en oxygène, ils ont pu développer des techniques pour respirer l'oxygène atmosphérique directement. À l'échelle planétaire, l'une des conséquences de la vie a été ainsi une diminution du dioxyde de carbone atmosphérique corrélative à une augmentation de la proportion d'oxygène. En l'absence de vie, la Terre aurait probablement une atmosphère dominée par le CO2, comme Mars ou Vénus. Mais les êtres vivants, combinés à des niveaux élevés d'activité géologique, ont effectivement dépouillé notre atmosphère de la plupart de ce gaz. L'effet de serre
et le réchauffement climatique.
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