MÉTÉOROLOGIE

L'AIR ATMOSPHÈRIQUE



- Exophère

- Thermosphère

- Mésosphère

- Stratosphère

- Troposphère

- Atmosphère terrestre

Structure verticale de l'atmosphère

La Terre est enveloppée par un couche gazeuse entre 0 et 1000 km environ, qui est maintenue par gravité autour du globe terrestre. Cette couche appelée atmosphère est divisée en plusieurs couches concentriques séparées par des étroites zones de transition. L'atmosphère protège la vie sur Terre en absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant les écarts de température entre le jour et la nuit.

Atmosphere coupe

Hétérosphère et homosphère

L'hétérosphère comprend l'exosphère et la thermosphère, elle se situe au-dessus de l'homosphère.
L'homosphère désigne la région située entre le sol et une altitude de 85 Km environ. Elle comprend la mésosphère, la stratosphère et la troposphère.

Exosphère

L'exopshère est la plus haute couche de l'atmosphère terrestre, elle s'étend au-dessus de la thermosphère. Sa limite inférieure se situe entre 350 à 800 km en fonction de la température de la thermopause (limite supérieure de la thermosphère) jusqu'à 10 000 km (ou plus). Elle est définie par le fait qu'au-delà de 350 à 800 km, ses principaux constituants, c'est-à-dire l'hélium et l'hydrogène ne sont plus retenus par la gravité terrestre et peuvent s'en échapper.

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Thermosphère

La thermosphère s'étend en altitude au-dessus de la mésosphère, entre 80 et 100 km d'altitude (mésopause), jusqu'à la thermopause, laquelle, située à une moyenne de 500 km d'altitude (entre 350 à 800km), marque l'entrée dans l'exosphère. La pression y est presque nulle et les molécules d'air y sont très rares. Entre 100 et 150 km d'altitude, le dioxygène moléculaire absorbe l'ultraviolet solaire de très courtes longueurs d'onde (entre 100 et 200 nm). Il en résulte une augmentation de température avec l'altitude qui oscille entre 300°C et 1 600°C selon l'activité solaire. Les températures sont élevées, mais la densité de matière est extrêmement faible, ce qui fait que, pour la peau humaine, l'effet de cette température serait négligeable. En effet, la température ressentie avoisinerait les 25°C. Source :https://fr.wikipedia.org .

Ionosphère

L'atmosphère est ionisée sur toute la surface du globe à partir d'une altitude d'environ 60 km au-dessous de laquelle l'ionisation est négligeable. Au-delà de 60 km d'altitude, l'atmosphère n'agit plus comme filtre du rayonnement solaire et cosmique, les rayons UV et rayon X sont de plus en plus agressifs et provoquent une ionisation des molécules de gaz (azote, oxygène...) de l'air. Vers les altitudes supérieures, l'ionisation s'étend jusqu'à la magnétopause, limite de la zone d'influence du champ magnétique terrestre. Cependant, il est admis que le terme ionosphère recouvre uniquement la zone inférieure, limitée à une altitude d'environ 800 km, zone où la densité des particules ionisées est la plus élevée.
Il y a trois régions principales de l'ionosphère, appelées couche D, couche E et couche F.
Ces couches n'ont pas de limites précises et les altitudes auxquelles elles se produisent varient au cours d'une journée et d'une saison à l'autre.
- Couche D : commence à environ 60 Km à 70 Km au-dessus du sol et s'étend jusqu'à environ 90 Km. Cette zone présente un faible degré d’ionisation car peu de rayon UV arrive, de plus la recombinaison est relativement rapide ce qui entraine son apparition avec le lever du Soleil et sa disparition immédiatement après le coucher de celui-ci.
- Couche E : commence vers une l’altitude de 90 Km à 100 Km et s'étend jusqu'à 120 à 150 km d'altitude. Cette couche est diurne et réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci.
- Couche F : constitue la région la plus ionisé, et commence vers une altitude de 120 à 150 Km et s'étend très loin, parfois jusqu'à 800 km. Elle se décompose durant la journée en deux sous-couches F1 et F2, la limite entre ces deux sous-couches se situant aux environ de 200 km à 250 Km d'altitude. Elle s'atténue et disparaît la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil. Mais lors des fortes activités solaire elle peut persister toute la nuit. Elle a également une influence sur la propagation des ondes courtes.

Atmosphere Ionosphere
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Mésosphère

La mésosphère est la couche comprise entre 50 km et 85 km d'altitude, au-delà de la stratopause (limite supérieure de la stratosphére), donc à partir de 50 km d'altitude environ le profil vertical de température redevient décroissant, et va le rester jusqu'à l'entrée dans la thermosphère, qui forme la couche inférieure de la haute atmosphère. C'est dans cette zone de transition entre la Terre et l'Espace que les météorites, satellites, en y pénétrant, s'échauffent contre les quelques particules d'air qu'ils rencontrent et sont détruits avant d'atteindre le sol. Les vaisseaux spatiaux doivent être protégés pour pouvoir passer cette couche qui va les freiner partiellement.
Avec une température minimale d'environ -100°C, la mésosphère est la couche la plus froide de l'atmosphère. À ces altitudes, la vapeur d'eau peut geler formant des nuages ​​de cristaux de glace. Quand le soleil est au-dessous de l'horizon et que le sol est dans les ténèbres, ces nuages ​​élevés peuvent encore être illuminés, leur conférant leurs qualités éthérées et «nocturnes».
Ci-dessous des nuages ​​noctiluscents photographiés le 29 mai 2016 par Tim Peake à bord de la Station spatiale internationale Source : https://www.nasa.gov/ .

Atmosphere ESA/NASA
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Stratosphère

La stratosphère est la couche comprise entre 6 et 16 km d'altitude pour sa limite inférieure (tropopause) et 50 km d'altitude pour sa limite supérieure (stratopause) et selon sa latitude sur le globe. Elle renferme la quasi-totalité de l'ozone atmosphérique qui protège la Terre des rayons UV. Les transformations de l'oxygène en ozone, sous l'action des rayons ultraviolets de courte longueur d'onde, s'accompagnent de dégagement de chaleur : la température augmente au fur et à mesure qu'on s'y élève en altitude. Au point le plus haut de la stratosphère (strapopause) la température tourne autour de 270 K (−3°C), ce qui avoisine le point de congélation de l'eau.

Atmosphere Stratosphere

Photo prise par les astronautes de la Station spatiale internationale des couches atmosphériques le 31 juillet 2011, révélant la troposphère (rouge-orange) et la stratosphère au-dessus.

Couche d'ozone

La couche d’ozone est aussi appelée ozonosphère se situe entre 20 et 50 km d’altitude. Bien que faisant partie de la stratosphère, la couche d'ozone est considérée comme une couche en soi parce que sa composition chimique et physique est différente de celle de la stratosphère. L'ozone (O3) de la stratosphère terrestre est créé par les ultraviolets frappant les molécules de dioxygène (O2), les séparant en deux atomes distincts ; ce dernier se combine ensuite avec une molécule de dioxygène (O2) pour former l'ozone (O3). L'O3 est instable (bien que, dans la stratosphère, sa durée de vie est plus longue) et quand les ultraviolets le frappent, ils le séparent en O2 et en O. Ce processus continu s'appelle le cycle ozone-oxygène. Près de 90% de l'ozone de l'atmosphère se trouve dans la stratosphère. Source : https://fr.vikidia.org/

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Troposphére

La troposphère est la couche de l'atmosphère terrestre située au plus proche de la surface du globe. Sa limite supérieure (tropopause) se situe vers 11 à 12 km d'altitude dans le cas des zones tempérées, s'abaisse en direction des pôles ( vers 7 à 8 km) et s'élève au contraire en direction des zones intertropicales où elle atteint environ 18 km. De ce fait, la tropopause est plus froide au-dessus des régions équatoriales vers - 80°C qu'elle ne l'est aux moyennes et hautes latitudes entre - 50 et - 60°C.
La troposphère contient approximativement 90% de la masse totale de l'atmosphère et 99% de sa vapeur d'eau. L'air contient également du gaz carbonique, des aérosols, des poussières etc...
En moyenne, la température diminue avec l'altitude, à peu près de 6,4°C tous les 1000 mètres ou 2°C tous les 1000 ft. Elle est le siège des événements météorologiques (nuages, orages, cyclones etc...)

Tropopause

La tropopause est donc la surface entre le troposphère et la stratosphère.
La décroisance de température s'observe jusqu'à la tropopause. Celle-ci franchie, on est dans la stratosphère et suivant le modéle standard la température reste constante.
Dans la réalité, les conditions "standard" ne sont jamais réalisées. Seule la décroissance de température 2°C/1000 ft dans la troposphère se rencontre très souvent.
En un lieu donné par exemple vertical Paris, l'altitude de la tropopause varie en fonction du champ de pression. Par conséquent une tropopause basse correspondra à une dépression et une tropopause haute correspondra à un anticyclone.

Atmosphere tropopause

Les deux colonnes d'air D et A ayant le même poids, puisque comprise entre les mêms surfaces isobariques, la colonne D est moins haute, donc plus dense et plus froide.
Dans la troposphère, les dépressions sont froides et le anticyclones chauds.
Dans la stratosphère, les dépressions sont chaudes et le anticyclones froids.
Un avion volant à un niveau de vol constant et subissant une dérive droite se dirige donc, dans l'hémisphère nord vers une dépression.

Atmosphere Trajectoire

On observera : En dessous de la tropopause entre 1 et 2 une diminution de la température. En 3, l'avion franchit la tropopause, la température sera minimale. En 4 la température remonte pour atteindre un maximum en 5.
La traversée de la tropopause se traduit toujours par un minimum de température. En vol horizontal, un réchauffement de l'ordre de 10°C peut être très souvent observé lors du franchissement de la tropopause dans le sens troposhpère- stratosphère.
Le passage de la tropopause est souvent accompagné de turbulence, la nébulosité est généralement bloquée au niveau de la tropopause.
A proximité de la tropopause envion 2000 ft en-dessous le vent est maximal. (voir CircuCourants jet)

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Atmosphère terrestre

L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre que l'on appelle air.
Les constituants de l'air atmosphérique peuvent être classés en deux catégories :
- les constituants dont la concentration est constante, tout au moins dans les basses couches de l'atmosphère, comme l'azote et les gaz rares ;
- les constituants dont la teneur varie dans le temps comme le dioxyde de carbone, l'ozone et surtout la vapeur d'eau.
Si le dioxyde de carbone et l'ozone peuvent subir quelques variations selon le lieu et le temps, leur concentration étant faible dans l'atmosphère, leurs variations peuvent être considérées comme négligeables et ne modifient pas notablement la composition chimique de l'air sec.

Air sec

L’air sec est un mélange de gaz contenant principalement de l’azote, de l’oxygène, de l’argon, du gaz carbonique et, en faibles quantités, un certain nombre d’autres gaz (néon, hélium, krypton, hydrogène, etc.). Les proportions de ces différents gaz, tout en variant légèrement en fonction du temps et du lieu, peuvent être considérées en première approximation comme constantes.
Composition de l'air sec

- Gaz constituants l'air sec - - Pourcentages en Volume -
Azote (N2) 78,09
Dioxygéne (O2) 20,95
Argon(A) 0,93
Dioxyde de carbone(CO2) 0,035
Néon(Ne) 1,8 10-3
Hélium(He) 5,24 10-4
Krypton(kr) 1,0 10-4
Hydrogéne(H2) 5,0 10-5
Xénon(Xe) 8,0 10-6
Ozone((O-3) 1,0 10-6
Radonn(Rn) 6,0 10-18

Cette liste de gaz n'est pas exhaustive ; certains gaz dont les pourcentages en volume sont encore plus faibles n'apparaissent pas. Cependant, malgré leur très faible concentration, certains de ces gaz à l'état de trace jouent un rôle important.

Atmosphere composition

On constate que 3 gaz, l'azote, l'oxygène et l'argon, constituent presque 100% du total. Les autres corps ne représentent chimiquement que des impuretés.

Air humide

L'eau joue un rôle tellement particulier dans l'atmosphère que les météorologistes décrivent habituellement l'air atmosphérique comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau qu'ils traitent à part.
Pour la plupart des calculs de bases nous aurons :
        «AIR RÉEL» = «AIR SEC» + «HUMIDITÉ»
L’air humide est un mélange en proportions variables d’air sec et de vapeur d’eau. Il est à noter que la vapeur d’eau étant de l’eau à l’état gazeux, la présence d’eau sous forme liquide en suspension (brouillard) n’intervient pas dans la notion d’air humide.
Dans un volume atmosphérique, la pression, P est la somme des pressions partielles de l’air sec, Pa, et de la vapeur d’eau, e soit :     P = Pa + e
En moyenne, la vapeur d'eau contenue dans l'air humide représente 0,25% de masse totale de l'atmosphère ce qui en fait un constituant assez minoritaire ; elle dispose de la particularité notable d'être le seul gaz de l'atmosphère susceptible de changer de phase, et dont la concentration est très variable dans le temps et dans l'espace, de 0,1 % au-dessus de la Sibérie, 4 % au-dessus de certaines mers tropicales. L'eau se rencontre essentiellement dans les premiers kilomètres de l'atmosphère (environ 15km). On la trouve sous forme de vapeur, et aussi sous forme liquide (dans les nuages, brouillards etc...) et solide (dans certains nuages). La vapeur d'eau est un gaz invisible, présent partout dans l'atmosphère. Source : education.meteofrance.fr

Air saturé

L’air saturé correspond à un air humide, à une température et à une pression données, dont la quantité de vapeur d’eau est telle que toute quantité d’eau supplémentaire ne peut apparaître que sous forme liquide ou solide. Voir page Humidité.

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