Latmosphère terrestreAtmosphère est la contraction des mots grecs atmos (« vapeur, fumée ») et sphaira (« boule, globe terrestre »). est l'enveloppe composée d'un mélange de plusieurs gaz qui entoure la Terre et qui est maintenue autour de celle-ci par la gravité.
Jusqu'à une altitude voisine de l'air sec (excluant la vapeur d'eau) de l'atmosphère se compose à 78,084 % de diazote, à 20,946 % de dioxygène, à 0,934 % d'argon, à 0,0428 % de dioxyde de carbone, et de traces d'autres gaz. Au-dessus de cette altitude l'oxygène et l'azote sont dissociés par le rayonnement solaire, les proportions d'hydrogène et d'hélium augmentent jusqu'à devenir prépondérants dans l'exosphère. L'atmosphère de la Terre contient également des quantités variables de vapeur d'eau (en moyenne, 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère), d'aérosols ainsi que d'eau à l'état liquide ou solide en suspension dans l'air qui forme les nuages et la brume. La vapeur d'eau est le seul fluide de l'atmosphère terrestre susceptible de changer rapidement de phase (solide, liquide, gaz), essentiellement en fonction de la température, et dont la concentration est très variable dans le temps et dans l'espace. La chaleur a tendance à faire monter l'air et son humidité, alors que la pression de l’atmosphère et diminue avec l'altitude dans la troposphère. La rotation de la Terre, via l'effet Coriolis, est à l'origine des phénomènes météorologiques (dépressions, anticyclones) qui brassent l'atmosphère terrestre (circulation atmosphérique). Celles-ci contribuent avec la circulation océanique à répartir la chaleur produite par le rayonnement solaire beaucoup plus intense à l'équateur qu'aux latitudes élevées.
Si la pression atmosphérique décroît nécessairement avec l'altitude, en revanche les autres caractéristiques (composition chimique, présence d'ions, température) présentent des caractéristiques qui conduisent à distinguer plusieurs couches horizontales aux caractéristiques homogènes : la troposphère (de la surface jusqu'à d'altitude) où se déroule l'essentiel des phénomènes météorologiques (nuages, pluies) et qui contient 99 % des gaz, la stratosphère (de 8–15 à d'altitude), la mésosphère (de d'altitude), la thermosphère ( d'altitude) et l'exosphère (à compter de d'altitude) où la diminution des chocs entre particules du fait de leur densité permet éventuellement à celles-ci d'échapper à l'attraction terrestre. A cheval sur la mésosphère et la thermosphère, l'ionosphère est une région présentant la particularité de concentrer des particules ionisées par le rayonnement ultraviolet solaire. Nos connaissances concernant la structure, la composition et l'évolution de l'atmosphère terrestre sont récentes (à compter du ). Les sciences de l'atmosphère se sont développées grâce à la mise au point d'instruments de mesure sophistiqués (radar, spectroscope) ainsi que le développement de moyens de recueil de données in situ (ballon-sonde, satellite) et d'outils de modélisation.
La composition de l'atmosphère est en permanence renouvelée par le cycle du carbone et le cycle de l'eau dont les moteurs principaux sont d'une part le rayonnement solaire incident (ultraviolet) et réfléchi par le sol dans l'infrarouge et d'autre part la chaleur interne de la Terre (via le volcanisme et la tectonique des plaques). Depuis environ d'années les interactions très complexes entre ces processus sont parvenues à maintenir des conditions favorables à la vie malgré des crises conduisant parfois à des extinctions massives d'espèces. Cet équilibre a jusqu'à présent permis à la Terre d'échapper aux destins funestes de la planète Mars dont l'atmosphère s'est échappée et de Vénus victime d'un emballement de l'effet de serre. Il est aujourd'hui perturbé par l'activité humaine qui a accru le taux de dioxyde de carbone à une vitesse sans précédent dans l'histoire de la Terre, conduisant à une augmentation très rapide de la température avec un impact potentiel considérable sur nos sociétés qui, du fait de l'explosion démographique récente, sont particulièrement sensibles aux évolutions brutales du climat.
L'atmosphère primitive de la Terre était composée des gaz présents dans la nébuleuse qui s'est accrétée pour former le système solaire et la Terre. Sa composition s'est par la suite fortement modifiée sous l'influence du volcanisme, de l'érosion, des impacts d'objets célestes et des échanges avec les organismes vivants. L'atmosphère est indispensable à la vie sur Terre car elle lui fournit l'air qui est respiré et assure la croissance des plantes. Elle agit par ailleurs comme un bouclier en filtrant le rayonnement solaire ultraviolet, X et gamma, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre), en réduisant partiellement les écarts de température entre le jour et la nuit et entre les latitudes haute et basse et en protégeant les formes de vie des chutes de météorites qui se consument en la traversant.
Description
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse, entourant la Terre, que l'on appelle air. Ses caractéristiques (proportion et densité des éléments chimiques, pression, présence de particules chargées électriquement, température) varient fortement au fur et à mesure qu'on gagne en altitude. La plus grande partie de la masse atmosphérique est proche de la surface : l'air se raréfie en altitude et la pression diminue ; celle-ci peut être mesurée au moyen d'un altimètre ou d'un baromètre.
Limite supérieure de l'atmosphère
Il n'y a pas de limites précises entre l'atmosphère et l'espace interplanétaire, car elle devient de plus en plus ténue de manière continue avant de s’évanouir dans l'espace. Cependant, si on prend comme critère la densité des gaz terrestres, on peut établir que l'épaisseur de l'atmosphère terrestre varie entre Cette fourchette découle de l'intensité plus ou moins importante de l'activité solaire... L'épaisseur moyenne étant d'environ . Cette limite correspond à la frontière entre la dernière couche atmosphérique (la thermosphère) et une zone de l'espace baptisée exosphère, où la densité est tellement faible que les chocs entre les particules de gaz sont quasiment inexistants et que les particules neutres ne sont plus soumises qu'à la gravité terrestre..
Dans la littérature scientifique on trouve des définitions différentes des limites de l'atmosphère terrestre qui reposent sur d'autres caractéristiques. : seuil en dessous duquel se trouve 99 % de la masse de l'atmosphère : ; base de l'ionosphèreRégion de l'espace où se trouvent des particules ayant une charge électrique. : ; altitude en dessous de laquelle les effets atmosphériques deviennent notables durant la rentrée atmosphérique de tout objet solide de taille notable : .. Cette valeur est plus élevée pour des objets à forte traînée et de grande taille (décélérateur supersonique) ou de très petite taille (étoile filante) ; limite à partir de laquelle la densité des gaz n'est plus distinguable de celle portée par les vents solaires : ; limite de l'exosphère : .
Limite avec l'atmosphère solaire
La limite entre l'atmosphère terrestre et l'atmosphère solaire n'est pas définie précisément : la limite externe de l'atmosphère correspond à la distance où les molécules de gaz atmosphérique ne subissent presque plus l'attraction terrestre et les interactions de son champ magnétique. Cette limite est très variable : le champ magnétique terrestre est continuellement déformé par le vent solaire. L'épaisseur de l'atmosphère varie donc notablement. En outre, comme l'eau des océans, l'atmosphère subit l'influence de l’attraction lunaire dans le système Terre-Lune, ainsi que les interférences gravitationnelles du Soleil. Comme les molécules de gaz, plus légères et moins liées entre elles que les molécules de l'eau de mer, ont de grandes possibilités de mouvement, les marées atmosphériques sont des phénomènes beaucoup plus considérables que les marées océaniques.
Définition dans le domaine de l'aérospatial
La Fédération aéronautique internationale identifie la ligne de Kármán, située à une altitude de , comme la frontière entre l'atmosphère et l'espace : au-dessus de cette ligne la densité devient trop faible pour permettre la sustentation purement aérodynamique d'engins plus lourds que l’airLigne de Kármán : tout comprendre sur la frontière entre espace et atmosphère, Clubic, 10 février 2020 (consulté le 21 mai 2020)..
Rôle de l'atmosphère
L'atmosphère est indispensable à la vie sur Terre car elle lui fournit l'air qui est respiré et assure la croissance des plantes. Elle permet de maintenir l'eau des océans et des cours d'eau également nécessaire à la vie qui se sublimerait et s'échapperait dans l'espace en son absence. Elle constitue par ailleurs un bouclier : en bloquant le rayonnement solaire le plus énergétique létal à long terme pour la vie : rayons ultraviolet, , rayons gamma. en bloquant les rayons cosmiques émis par le Soleil et des objets célestes plus lointains. Elle réchauffe la surface de la Terre en retenant la chaleur renvoyée par la Terre (effet de serre). Sans elle, la température moyenne sur Terre serait beaucoup plus basse, estimée à en moyenne, contre une température moyenne estimée à actuellement. Cet effet de serre découle des propriétés des gaz à effet de serre vis-à-vis des ondes électromagnétiques, qui sont opaques aux radiations thermiques émises par le sol réchauffé par le rayonnement solaire. Elle réduit partiellement les écarts de température entre le jour et la nuit et entre les latitudes haute et basse. De manière plus anecdotique elle protège les formes de vie des chutes de météorites. Ceux-ci brûlent et se désintègrent lorsqu'ils pénètrent dans les couches denses de l'atmosphère (rentrée atmosphérique) : leur vitesse très élevée (plusieurs dizaines de kilomètres par seconde), les forces de friction porte leur température à plusieurs milliers de degrés. Toutefois au-delà d'une certaine taille (quelques mètres), la désintégration n'est pas complète et les chutes des plus grosses météorites ont entrainé des catastrophes touchant l'ensemble de la planète.
Composition chimique
La composition chimique de l’atmosphère terrestre a beaucoup varié selon les époques, dans les âges géologiques, et plus récemment mais à moindre titre du fait de l’activité humaine.
Même si les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés, dans les temps modernes, l'atmosphère n'est pas homogène, tant par sa composition que par ses caractéristiques physiques. La concentration des composants minoritaires, et en particulier les polluants, est très hétérogène sur la surface du globe, car des sources d'émission très locales existent, soit liées à l'activité humaine (usines, air intérieur ou extérieur) soit à des processus naturels (géothermie, décomposition de matières organiques).
Le brassage des gaz qui permet de rendre l'atmosphère homogène ne fonctionne que jusqu'à une altitude d'environ et définit la limite supérieure de la mésosphère. Au-dessus de cette altitude l'atmosphère n'est plus homogène. La caractéristique d'homogénéité conduit à distinguer l'homosphère (couche où l'atmosphère homogène) et l'hétérosphère.
Principaux constituants dans la basse atmosphère
Au niveau de la mer, l'air sec est principalement composé de 78,1 % de diazote, 20,9 % de dioxygène. Le 1 % restant est dominé par 0,93 % d'argon et 0,042 % de dioxyde de carbone. Il comporte aussi des traces d'autres éléments chimiques, les gaz mineurs, dont la proportion varie avec l'altitude. Ceux-ci constituent moins de 0,03 % de l'atmosphère. Ce sont en majorité les gaz rares : néon, hélium, krypton, xénon et radon. Parmi ces constituants, les gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote et l'ozone.