Structure et composition de l*atmosphère terrestre

Report
Présenté par Eva Monteiro
Adaptation du cours d’introduction à la météorologie (SCA2611)
donné par Richard Harvey en 2010 à l’UQÀM
2011 – Formation en météorologie
Références principales :
Malardel 2009, Fondamentaux de Météorologie, pp. 3-8
Ahrens 2009, Meteorology Today, pp. 3-27
Mise en contexte

Le Soleil
 Étoile ordinaire située en périphérie de notre Galaxie (la Voie
Lactée) contenant quelques 200 milliards d’étoiles
 Étoiles : boules de gaz d’hydrogène incandescent générant des
quantités colossales d’énergie provenant de la fusion nucléaire
de leur hydrogène en hélium dans le noyau
 Le Soleil est prévu fournir cette énergie pour encore 5 milliards
d’années, avant de s’éteindre.

Le Système solaire
 Huit planètes majeures gravitant autour du Soleil
 Astéroïdes, comètes, planètes naines (Pluton, etc.),
poussières…
 Formation : il y a 4,5 milliards d’années (c.-a-d. aux ⅔ de l’âge
présent de l’Univers de 13,7 milliards d’années) par accrétion
de matière interstellaire. La Terre est en quelque sorte un amas
de poussières rocheuses et de gaz, agglutinés par gravité.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
3
Le soleil dans la Voie Lactée
SCA-2611 Introduction à la météorologie
4
Mise en contexte

La Terre
 3e planète en distance, à ~150
millions de km du Soleil
 5e planète en taille (diamètre de
~12700km )
 Planète rocheuse comme Mercure,
Vénus et Mars
SCA-2611 Introduction à la météorologie
5
Comparaison des planètes telluriques
Mars
Mercure
Venus
Terre
SCA-2611 Introduction à la météorologie
6
La Terre dans le système solaire
SCA-2611 Introduction à la météorologie
7
Les atmosphère planétaires

Lors de la formation des planètes, les poussières et
roches forment la partie solide sphérique et les gaz
s’accumulent autour, puisque plus légers

L’atmosphère est conséquence naturelle de la
formation des planètes

Seules les planètes les plus massives conservent leur
atmosphère

Toutes les planètes majeures, sauf Mercure, en
possèdent une
SCA-2611 Introduction à la météorologie
8
Notre atmosphère



La Terre est entourée d’une mince pellicule de gaz
appelée l’atmosphère
Principalement composée d’azote (N2) et d’oxygène (O2)
Épaisseur avoisinant la centaine de km (ligne de Kármán)
 < 2% du rayon de la Terre – ~ 2-3 mm sur un globe de 30 mm

Poids total : 5 millions de milliards de tonnes !
 5 000 000 000 000 000 tonnes

Nous protège de :
 Rayons X, UV du Soleil
 Météorites
 Écarts extrêmes de températures grâce à son effet de serre


Permet à la vie d’exister !
Pour apprécier la Terre, regardons la Lune !
SCA-2611 Introduction à la météorologie
9
L’atmosphère terrestre : un (très) mince
cocon protecteur
Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Meteotek08_atmosfera13.jpg
SCA-2611 Introduction à la météorologie
10
La Lune : désolation totale
SCA-2611 Introduction à la météorologie
11
L’histoire de l’atmosphère terrestre

Atmosphère primaire

Atmosphère secondaire

Atmosphère tertiaire
SCA-2611 Introduction à la météorologie
12
Atmosphère primaire

Origine : dégazage volcanique après accrétion
initiale et refroidissement
 Gaz volcaniques
○ 80% vapeur d’eau (H2O)
○ 10% gaz carbonique (CO2)
○ 5% sulfure d’hydrogène (H2S)
○ 2-3% azote (N2)
○ Traces de monoxyde de carbone (CO), méthane (CH4),
hydrogène (H2), autres gaz rares, etc.
 Durant les premiers ~300 millions d’années de
l’existence de la Terre (4,5 à 4,2 milliards d’années)
Source :http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_sulfide
SCA-2611 Introduction à la météorologie
13
Atmosphère secondaire

Séquestration des gaz volcaniques
 Vapeur d’eau se condense en océans globaux
(séquestration de H2O) à partir de ~4,2 milliards
d’années
 Océans couvrent déjà toute la Terre vers 3,8 milliards
d’années
 Puis, le gaz carbonique se dissout dans les jeunes
océans (séquestration de CO2)

Azote (N2) devient prédominant (car
chimiquement peu réactif) vers 3,5 milliards
d’années (1 milliards d’années d’âge : ~¼ de
l’âge présent de la Terre)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
14
Atmosphère tertiaire



La vie primitive (anoxique) apparaît à peine 500 millions
d’années après la formation de la Terre
Puis, 500 millions d’années plus tard, des organismes plus
complexes (les algues vertes) utilisent la photosynthèse comme
source de nourriture
Trois conséquences majeures pour l’atmosphère
 Accumulation d’oxygène libre (O2) dans l’atmosphère
 Séquestration additionnelle de gaz carbonique (CO2) par la
photosynthèse et enfouissement d’énormes quantités de carbone
dans les organismes morts aux fonds des océans
 Apparition d’une couche d’ozone capable de filtrer les rayons UV nocifs
et permettant à la vie de foisonner sur les continents


Concentrations augmentent graduellement de moins de 1%
jusqu`à ~20% aujourd’hui.
Résultat final : atmosphère majoritairement azotée et
contenant une fraction importante d’oxygène.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
15
Le cocktail atmosphérique

Notre atmosphère est donc composée de plusieurs gaz








78% d’azote (N2)
21% d’oxygène (O2)
0,93% Argon (Ar)
0-4% vapeur d’eau (H20)
0,039% (~390 ppm) de gaz carbonique (CO2)
5-10 ppm d’ozone (O3) stratosphérique
1-5 ppm d’ozone troposphérique (« smog »)
Elle contient aussi des particules en suspension
 Aérosols naturels
○ Poussières, sable, sel de mer, fumée des feux de forêt,
émissions volcaniques, nuages
 Polluants sulfatés (SO2 – combustion incomplète de carburants
fossiles)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
16
Météorologiquement parlant, les gaz
en petite concentration sont les plus
intéressants…

La vapeur d’eau (H20)

Le gaz carbonique (CO2)

L’ozone (O3)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
17
La vapeur d’eau

L’eau est présente sur la Terre dans ses trois phases
 Solide (glaces et neige)
 Liquide (lacs, mers, pluie)
 Gazeuse (vapeur d’eau)
Conséquence fondamentale : cycle de l’eau (cycle
hydrologique)
 Vapeur d’eau : ~60-70% de l’effet de serre naturel
total sur la Terre
 L’eau est partout sur la Terre
 N’est pas nécessaire pour l’existence de phénomènes
météorologiques, mais elle les complexifie
substantiellement. L’eau rend la météo terrestre
beaucoup plus intéressante !

SCA-2611 Introduction à la météorologie
18
Le gaz carbonique



Environ 20-25% de l’effet de serre naturel total de la
Terre
Concentrations ont augmenté depuis le XVIIIe siècle de
280ppm à 387ppm (rejets dûs à la combustion
humaine de carburants fossiles)
Cette augmentation est la principale cause de l’effet de
serre anthropique (donc, qui s’ajoute à l’effet de serre
naturel) et du réchauffement planétaire depuis ~1950.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
19
L’ozone



La majorité de l’oxygène dans l’atmosphère existe sous
forme d’oxygène moléculaire (O2)
Pour chaque million de molécules de O2, une vingtaine
existe sous une forme plus exotique comprenant trois
atomes d’oxygène : c’est l’ozone (O3)
Se forme lorsque l’oxygène moléculaire (O2) est en
présence d’une source d’énergie suffisante pour
dissocier la molécule en deux atomes individuels, qui
se recombinent ensuite avec d’autres molécules O2
pour former de l’ozone.
 Rayons UV du Soleil, décharges électriques
SCA-2611 Introduction à la météorologie
20
L’ozone



Les rayons UV du Soleil provoquent la formation d’une
couche d’ozone (O3) dans la stratosphère entre 10km et
50km d’altitude.
Cette couche filtre complètement les rayons UV les plus
nocifs pour la présence de vie hors de l’eau (UVC) et
filtre substantiellement les UVB.
L’ozone est aussi un gaz à effet de serre nonnégligeable, mais minoritaire par rapport à la vapeur
d’eau et le gaz carbonique.
SCA-2611 Introduction à la météorologie
21
La structure verticale de l’atmosphère

L’atmosphère n’est pas uniforme
 sa structure varie et dans l’horizontale, et dans la verticale
 Cependant, les variations les plus marquées sont presque
exclusivement observées dans la verticale

La structure verticale de l’atmosphère peut être décrite
selon différentes variables physiques
 la densité
 la pression
 la température

Notez que ces trois variables sont celles requises pour
décrire tout gaz dans la nature
SCA-2611 Introduction à la météorologie
22
La densité et la pression de l’air



Densité de l’air : masse d’air par unité de volume (kg par m3 d’air)
Pression : force totale due aux collisions des molécules d’air
contre une surface unitaire donnée
La gravité comprime l’atmosphère vers la surface de la Terre. Deux
conséquences sur la structure verticale de l’atmosphère :
 La densité de l’air est maximale tout près du sol et diminue avec la
hauteur
 La pression de l’air s’ajuste à tous les niveaux afin de soutenir son
propre poids. La pression atmosphérique est donc maximale au sol et
diminue avec la hauteur.

En d’autres termes, la pression atmosphérique à un niveau donné
est égale au poids de l’air au-dessus de ce niveau. Elle s’exprime
en hPa (hectopascals) sur les cartes météorologiques (ancienne
unité : le millibar – mb)
SCA-2611 Introduction à la météorologie
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Profil verticaux typiques de pression et
de densité atmosphériques
•La densité de l’air est
proportionnelle au nombre
de molécules d’air par
unité de volume
• La pression de l’air est le
poids des molécules d’air
aux niveaux supérieurs
• 1 Pa est la force (poids)
qui exerce la masse d’un
kilogramme sur la surface
de 1 m2.
101,3 kPa
• Quelle est la masse d’une
colonne d’air
atmosphérique de base
égale à 1 m2 qui exerce
une pression de 101,3 kPa?
Source : Ahrens, 2009 – Meteorology Today
SCA-2611 Introduction à la météorologie
24
Couches atmosphériques


La température de notre atmosphère varie de façon
plus complexe dans la verticale que la pression et la
densité
Le profil vertical typique de la température
atmosphérique est utilisé pour définir quatre couches
atmosphériques
 La troposphère
 La stratosphère
 La mésosphère
 La thermosphère
SCA-2611 Introduction à la météorologie
25
La température décroît avec l'altitude
car l'atmosphère est presque
transparente au rayonnement solaire.
C'est le domaine de la Météorologie.
120 km
85 km
EXOSPHÈRE
MÉSOSPHÈRE
50 km
La température augmente avec
l'altitude car il y a de l'ozone qui
absorbe une partie du rayonnement
solaire.
Troposphère
Aurore boréal
météorites
Couche d’ozone
STRATOSPHÈRE
10 km
Mésosphère
Pas grand chose à dire à part que la
température diminue.
Stratosphère
Aurore boréal
Satellites, navettes spatiales
THERMOSPHÈRE
Thermosphère
La température augmente et dépend
de l'activité solaire.
TROPOSPHÈRE
Profil vertical moyen de la
température dans
l’atmosphère
26
La troposphère
La couche qui est en contact avec la surface terrestre
 Épaisseurs typiques : 8km (pôles) – 18km (tropiques)
 Comprend 75-80% de la masse totale de l’atmosphère
 Température diminue rapidement avec la hauteur
(~6,5°C / km en moyenne)
 15°C en surface jusqu’à -50°C à 10km d’altitude
 C’est la couche qui contient toute la météo que nous
connaissons, et la quasi-totalité de la vapeur d’eau
 Limite supérieure : la tropopause

SCA-2611 Introduction à la météorologie
27
La stratosphère
Située entre 10km et 50km d’altitude
 Beaucoup plus clémente météorologiquement parlant
 Contient la couche d’ozone qui filtre les rayons UV
solaires nocifs pour la vie
 Température augmente avec l’altitude de -50°C à 10km
jusqu’à ~0°C à 50km
 C’est une couche extrêmement sèche.
 L’air y est déjà très raréfié
 Limite supérieure : la stratopause

SCA-2611 Introduction à la météorologie
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La mésosphère





Couche située entre 50km et 80km
Domaine extrêmement raréfié, aux portes de l’espace
Températures diminuent de ~0°C à 50km jusqu’à -90°C
à 80km
La mésopause est donc la région la plus froide de
l’atmosphère terrestre
Limite supérieure : la mésopause
SCA-2611 Introduction à la météorologie
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La thermosphère
Limite inférieure de « l’espace »
 Ligne de Karman : définie à 100 km d’altitude, c’est la porte
officielle de l’espace (altitude à laquelle le vol balistique est
plus efficace que le vol atmosphérique)
 Domaine des satellites artificiels, de la navette spatiale et de la
Station spatiale internationale.
 La température augmente rapidement avec l’altitude, jusqu’à des
centaines de °C à des centaines de km d’altitude. Cependant, la
notion de température devient floue dans ce milieu
extrêmement raréfié (une molécule d’air voyagera ~1km avant
d’en frapper une autre)
 La limite supérieure de la thermosphère est à environ 500km

SCA-2611 Introduction à la météorologie
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Vidéos



http://www.dailymotion.com/video/xb5rlc_superscien
ce-atmosphere-13_tech
http://www.dailymotion.com/video/xb5sou_superscie
nce-atmosphere-23_tech
http://www.dailymotion.com/video/xb5tuj_superscien
ce-atmosphere-33_tech
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Grâce à notre atmosphère…toute la
météo
Nuages, vents
 Pluie, neige, grêle
 Tempêtes hivernales
 Orages
 Ouragans
 Tornades
 Phénomènes optiques atmosphériques

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