L’atmosphère terrestre

Vue de l’espace, l’atmosphère n’est qu’un mince liseré bleuté : la moitié de sa masse se trouve sous 5,5 km d’altitude, et 99 % sous environ 30 km. C’est pourtant elle qui rend la Terre habitable. Elle fournit l’oxygène et le CO2 nécessaires au vivant, arrête les ultraviolets les plus dangereux, brûle la plupart des météores, transporte l’eau et la chaleur, et maintient grâce à l'effet de serre une température moyenne compatible avec l’eau liquide.

La composition de l’air

À ces gaz s’ajoute la vapeur d’eau, en proportion très variable : de presque rien dans l’air polaire à environ 4 % dans l’air tropical humide. L’air contient aussi des aérosols : poussières, sels marins, pollens, suies, gouttelettes, qui servent de noyaux à la formation des nuages.

Cette composition est le fruit de l’histoire de la Terre. L’atmosphère primitive ne contenait pas d’oxygène libre ; celui-ci a été produit par la photosynthèse des cyanobactéries et s’est accumulé à partir d’environ 2,4 milliards d’années.

Les couches de l’atmosphère

On découpe l’atmosphère selon l’évolution de la température avec l’altitude.

Les limites entre couches s’appellent tropopause, stratopause et mésopause. La température très élevée de la thermosphère est trompeuse : l’air y est si raréfié qu’il ne transmettrait presque pas de chaleur à un objet.

Pourquoi la température baisse-t-elle avec l’altitude ?

Dans la troposphère, l’air est chauffé par le bas : le Soleil chauffe d’abord le sol et les océans, qui chauffent l’air à leur contact. En montant, l’air se détend car la pression diminue, et il se refroidit. En moyenne, la température baisse d’environ 6,5 °C par kilomètre. C’est pourquoi les sommets des montagnes sont plus froids et peuvent rester enneigés sous les tropiques.

Dans la stratosphère, la tendance s’inverse parce que l’ozone absorbe les ultraviolets solaires et réchauffe l’air.

La pression atmosphérique

L’air a une masse : la colonne d’air au-dessus de chaque mètre carré pèse environ 10 tonnes. Au niveau de la mer, la pression moyenne vaut 1 013,25 hectopascals (hPa). Elle diminue avec l’altitude : environ 500 hPa vers 5 500 m, environ 300 hPa au sommet de l’Everest, où l’oxygène disponible n’est plus que le tiers de celui du niveau de la mer.

Les différences de pression d’un lieu à l’autre font naître les vents, qui soufflent des hautes pressions (anticyclones) vers les basses pressions (dépressions), déviés par la rotation de la Terre. C’est ce que suivent les prévisions de la météo. Le baromètre a été inventé par Evangelista Torricelli en 1643.

La couche d’ozone

L'ozone (O3) est concentré dans la stratosphère, surtout entre 15 et 35 km. Il absorbe l’essentiel des rayons ultraviolets B et la totalité des UV-C, dangereux pour l’ADN des êtres vivants (cancers de la peau, cataractes, dommages au plancton).

En 1985, des scientifiques britanniques (Joseph Farman, Brian Gardiner et Jonathan Shanklin) ont révélé un trou dans la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique, apparaissant chaque printemps austral. Il est causé par les CFC, gaz utilisés dans les aérosols et les réfrigérateurs, dont la chimie destructrice avait été décrite par Paul Crutzen, Mario Molina et Sherwood Rowland (prix Nobel de chimie 1995). Le Protocole de Montréal, signé le 16 septembre 1987 et ratifié par tous les pays de l’ONU, a organisé l’abandon de ces gaz. La couche d’ozone se reconstitue lentement ; elle devrait retrouver son état des années 1980 vers 2066 au-dessus de l’Antarctique.

L’ozone présent près du sol, en revanche, est un polluant irritant, formé par réaction entre des polluants et le soleil lors des épisodes de chaleur.

Les grands rôles de l’atmosphère

• Respiration : elle fournit l’oxygène aux animaux et le CO2 aux plantes.
• Protection : elle arrête les UV les plus nocifs, et la plupart des météorites se consument avant d’atteindre le sol.
• Régulation thermique : sans atmosphère, comme sur la Lune, les écarts entre jour et nuit dépasseraient 200 °C.
• Circulation de l’eau : elle transporte la vapeur évaporée des océans vers les continents, où elle retombe en pluie (voir cycle de l’eau).
• Redistribution de la chaleur : les vents transportent la chaleur de l’équateur vers les pôles.

Les activités humaines modifient sa composition, en augmentant les gaz à effet de serre, source du réchauffement climatique, et en émettant des polluants (particules fines, oxydes d’azote, ozone) dangereux pour la santé.

Questions fréquentes

Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Parce que les molécules de l’air diffusent beaucoup plus la lumière bleue, de courte longueur d’onde, que la lumière rouge : c’est la diffusion de Rayleigh. Au coucher du soleil, la lumière traverse une plus grande épaisseur d’air, perd son bleu en chemin, et le ciel se teinte d’orange et de rouge.

Quelle est l’épaisseur de l’atmosphère ?

Elle n’a pas de limite nette : l’air se raréfie progressivement jusqu’à se confondre avec l’espace, au-delà de 500 à 1 000 km. Mais la moitié de sa masse se trouve sous 5,5 km et 99 % sous environ 30 km.

Pourquoi a-t-on du mal à respirer en altitude ?

L’air contient toujours 21 % d’oxygène, mais il est moins dense : chaque inspiration apporte moins de molécules d’oxygène. Au-delà de 2 500 à 3 000 m, un malaise appelé mal aigu des montagnes peut survenir chez des personnes non acclimatées.

L’atmosphère peut-elle s’échapper dans l’espace ?

Très lentement, pour les gaz les plus légers comme l’hydrogène et l’hélium. La gravité terrestre et le champ magnétique, qui dévie le vent solaire, retiennent l’essentiel de l’atmosphère. Mars, plus petite et sans champ magnétique global, a perdu la majeure partie de la sienne.