L'atmosphère est un mélange de gaz
L'atmosphère est une enveloppe gazeuse d'environ 500 km d'épaisseur, peu épaisse par rapport au rayon du globe terrestre qui mesure quelque 6 500 km. Elle est retenue à la surface de la planète par la pesanteur. L’atmosphère de la Terre est un mélange de gaz. Elle est constituée principalement de diazote (N2, 78 %) et de dioxygène (O2, 21 %) et de quelques gaz beaucoup moins abondants comme le dioxyde de carbone (CO2, 0,038 %) et des gaz rares comme l'argon (Ar, 1 %). L’atmosphère présente aussi des traces d'hélium, d'hydrogène, de néon, de krypton, de xénon, d'ozone et de méthane. Enfin, les basses couches de l'atmosphère contiennent de la vapeur d'eau, à une concentration de 0 à 4 % en volume, qui constitue notamment les nuages, tandis que les hautes couches contiennent de l'ozone (O3). La basse atmosphère contient aussi des constituants mineurs comme les poussières et les aérosols qui jouent néanmoins un rôle important dans la condensation de l'eau, donc dans la formation des nuages, et dans l'absorption et la réflexion de la lumière solaire. La composition chimique de l'atmosphère, relativement stable depuis environ 500 millions d'années, se modifie beaucoup plus rapidement depuis un siècle sous l'influence des activités humaines.
L'atmosphère est stratifiée verticalement
L'atmosphère est formée de plusieurs couches superposées que l'on distingue notamment par leur température. Mais, au sein de chaque couche, la température et la pression, varient de manière progressive avec l’altitude.
La couche en contact avec le sol est la troposphère dont l'épaisseur varie de 7 km dans les régions polaires à 18 km à l'équateur. Elle représente les trois quarts de la masse de l'atmosphère et contient toute la vapeur d'eau. C'est la couche affectée par les phénomènes climatiques. Sa température diminue avec l'altitude d'environ 6°C par km.
Au dessus s'étend la stratosphère dont la limite supérieure atteint 50 km d'altitude. Sa température augmente avec l'altitude et atteint 0°C à sa limite supérieure. Elle est parcourue par des courants très rapides, appelés jet-stream pouvant atteindre 350 km/h.
Dans la mésosphère, de 50 km à 85 km d'altitude, la température passe de 0°C à ‑90°C.
Dans la thermosphère, dernière couche de l'atmosphère qui s'étend jusqu'à une altitude d'environ 500 km, la température remonte jusqu'à plus de 1 200°C.
Au delà de 500 km, les molécules gazeuses s'ionisent sous l'effet du rayonnement solaire de courte longueur d'onde, c'est l'ionosphère.
L'atmosphère est à l'origine de l'effet de serre
L'absorption d'énergie lumineuse par l'atmosphère et le sol produit un échauffement se traduisant par l'émission de rayonnement infrarouge. Si ce rayonnement infrarouge était entièrement émis dans l'espace, la température au sol serait d’environ ‑18°C. Or la température mesurée au sol est de +15°C en moyenne. La différence est due au fait que la plus grande partie du rayonnement infrarouge ne peut quitter l'atmosphère et réchauffe donc la surface terrestre : c'est l'effet de serre. En effet, l'atmosphère terrestre est quasiment transparente pour la partie visible du spectre solaire alors qu'elle absorbe fortement l'infrarouge en raison de la présence de certaines molécules gazeuses qui absorbent particulièrement ce rayonnement, notamment la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane, appelés gaz à effet de serre. Aussi, la chaleur se dissipe essentiellement dans l'atmosphère et non dans l'espace, maintenant une température compatible avec la présence d'eau liquide. On a calculé, en effet, que si aucun gaz à effet de serre n'était présent dans l'atmosphère, la température moyenne de la Terre serait inférieure à 0°C.
Dans la stratosphère, c'est l'absorption du rayonnement ultraviolet solaire par l'ozone qui est responsable de l'augmentation de la température de ‑50°C à 0°C en quelques dizaines de km. On a montré que certaines substances chimiques libérées dans l'atmosphère, comme les chlorofluorocarbones (CFC), détruisent l'ozone stratosphérique, faisant courir le risque d'une diminution de la filtration atmosphérique de ce rayonnement dangereux pour les êtres vivants. C’est pourquoi des accords internationaux ont été conclus pour limiter ou interdire, selon les cas, la production et l’utilisation de ces substances et pour en réduire les émissions dans l’atmosphère. Ainsi, la production des CFC est interdite depuis 1995.
La composition de l'atmosphère se modifie en raison des activités humaines
Les activités humaines, notamment industrielles et agricoles, ainsi que les moteurs thermiques des véhicules qui utilisent des carburants issus du pétrole, produisent de multiples substances chimiques, poussières et aérosols. La plupart sont relâchées directement dans l'atmosphère où elles ajoutent leurs effets à celui des gaz atmosphériques. Ces rejets sont à l'origine de pollutions ou font courir des dangers plus larges comme le réchauffement climatique. L'évolution de l'atmosphère s'est considérablement accélérée au cours du dernier siècle avec l'augmentation des activités humaines. Les phénomènes les plus alarmants qui en résultent sont les pluies acides, l'amincissement de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre. Ils ont pour origine des constituants mineurs de l'atmosphère comme le dioxyde de carbone, le méthane, le dioxyde de soufre (SO2), les oxydes d'azote (monoxyde d'azote, NO ; dioxyde d'azote, NO2) et divers fluorocarbones. Les poussières et les aérosols ont également une influence sur le climat.
Circulation atmosphérique
Bien que le bilan radiatif de la planète, c'est-à-dire le rapport entre le rayonnement qu’elle reçoit du Soleil et le rayonnement qu’elle émet dans l’espace, soit globalement nul, les quantités d’énergie reçues à la surface de la Terre varient dans le temps (jour/nuit, saisons) et dans l’espace (latitude, altitude). Il existe ainsi de grandes disparités selon les régions et les périodes, l’énergie reçue au niveau de l’équateur, par exemple, étant bien supérieure à celle reçue au niveau des pôles, en raison de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur le plan de son orbite. Du fait de cette inclinaison, la masse d'atmosphère traversée par le rayonnement solaire est d'autant plus petite que l'on s'éloigne des pôles et elle est minimale à l'équateur. L'énergie incidente est donc plus élevée à l'équateur qu'aux pôles.
D'autres facteurs peuvent influencer le bilan radiatif, notamment l'importance respective des océans et des continents, la nature des sols et du couvert végétal. Les activités humaines qui modifient profondément la surface de la planète et la composition de l'atmosphère peuvent aussi avoir un effet sur le bilan radiatif d'une région donnée.
Les différences de température résultant des disparités entre les différentes latitudes constituent des gradients : la température varie à la fois horizontalement (elle diminue de l'équateur aux pôles) et verticalement (elle diminue de la base vers le sommet de l'atmosphère). Ces gradients de température sont à l'origine de mouvements de grande ampleur des masses d'air atmosphérique. En effet, les masses d'air se déplacent en fonction de la température et de la pression. Les masses d'air chaud ont tendance à monter (l’air chaud est moins dense que l’air froid) et produisent ainsi des dépressions au niveau du sol tandis que les masses d'air froid ont tendance à descendre (l’air froid est plus dense que l’air chaud) et à produire des hautes pressions au niveau du sol. Il en résulte l'établissement de cellules de convection au sein desquelles les masses d'air circulent des hautes vers les basses pressions et un transfert de chaleur des basses latitudes vers les latitudes élevées. La circulation dans ces cellules de convection se traduit par les vents. Toutefois, d'autres facteurs influencent l'établissement et le fonctionnement des cellules de convection et donc des vents qui en résultent. Ainsi, la force de Coriolis due à la rotation de la Terre, les effets de frottement dus au relief, l'effet de la gravitation contribuent à dévier les mouvements des masses d'air. Les transferts d'énergie dans l'atmosphère sont également influencés par les océans. L'ensemble de ces facteurs fait de la circulation atmosphérique un phénomène extrêmement complexe représenté schématiquement ci-dessous.
Circulation atmosphérique globale
Les mouvements ascendants de l’air dépendent de son réchauffement par le rayonnement solaire. L’air atteint ainsi une altitude plus élevée au niveau de l’équateur. Les vents soufflent du nord et du sud (alizés du nord et du sud) en direction de l’équateur remplaçant l’air qui s’élève par de l’air plus froid qui à son tour se réchauffe et gagne de l’altitude. Des mouvements d’air se créent ainsi. L’air circulant à de hautes altitudes depuis l’équateur redescend à des latitudes nord et sud d’environ 30°. Cet air s’est refroidi et a perdu son humidité en s’élevant à l’équateur. Les zones où cet air sec redescend et se réchauffe correspondent notamment au désert du Sahara et au désert australien. Aux latitudes de 60° nord et sud, l’air s’élève à nouveau, et de l’air froid redescend au niveau des pôles où la quantité d’énergie solaire est faible.
Force de Coriolis : force qui dévie la trajectoire d'un objet en mouvement à la surface d'un objet en rotation. Elle s'applique aux courants atmosphériques en raison de la rotation de la Terre et les dévie vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Elle est maximale aux pôles et nulle à l'équateur.
