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CHAPITRE 5

L’enveloppe gazeuse de la Terre

le couple atmosphère – hydrosphère

Composition et structure thermique de L’atmosphère Terrestre actuelle

 

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Josephine Wall « Sadness of Gaïa »

http://www.josephinewall.co.uk/


Nous tenterons ici une description sommaire de la sphère des vapeurs, condensées ou non,

 

 le couple hydrosphère-atmosphère. Cependant, avant de décrire l’atmosphère de notre planète et d’envisager son histoire, nous devons nous interroger sur les conditions mêmes de l'existence d'une atmosphère sur les planètes telluriques:

1 -    la première condition est bien évidemment qu’elle fut créée un jour, soit lors de l'effondrement de la nébuleuse solaire, soit par dégazage des enveloppes rocheuses, soit encore par bombardement cométaire;

2 -    la seconde condition est que la planète concernée ait eu une pesanteur (et donc une masse) suffisante pour retenir une atmosphère.

A ces 2 conditions essentielles de l’existence d’une atmosphère viennent s’ajouter d’autres considérations, relatives à l’état de l’atmosphère, P, T° en particulier. Parmi les principaux paramètres qui régissent l’état d’une atmosphère, citons:

1 -    la distance au soleil;

2 -    l’extraction continue de volatils par le biais d’une tectonique encore active susceptible de limiter ou d’annuler les pertes vers le cosmos;

3 -    la vitesse de rotation de la planète (ou de son atmosphère en cas de super-rotation comme pour Vénus 60x plus rapide que la planète elle-même) qui limite les écarts de température jour - nuit;

4 -    l’orientation de l’axe de rotation sur le plan de l’écliptique (susceptible de variations importantes) qui peut engendrer une durée du jour égale à la durée de la révolution...

A - Composition de L’atmosphère Terrestre actuelle

La connaissance du champ de pression de l’atmosphère terrestre est récente. Après le décès de Galilée, en reprenant ses expériences non achevées sur des colonnes d’eau, E. Torricelli mit en évidence en 1644 que le poids de l’air maintient à niveau le mercure d’une colonne. B. Pascal en déduisit que la pression de l’air devait décroître avec l’altitude, ce qu’il fit mesurer en 1648 entre Clermont-Ferrand et le sommet du Puy de Dôme.

Partant du champ de pression on estime la masse de l’atmosphère (à l’équilibre hydrostatique) à 5.13 1018 kg, ce qui est de l’ordre de 1.10-6 de la masse Terrestre.

Si la masse volumique de l'air était constante, et si sa répartition autour du globe était homogène, alors l’atmosphère serait une enveloppe épaisse de 8Km environ. Mais en fait, la masse volumique de l’air varie avec l’altitude, et notre atmosphère n’a donc pas de limite. Sa masse se répartit comme suit :

50% contenus dans les     5.5    premiers Km;

75%          «          «    les    10              «       «    ;

90%          «          «    les    16              «       «    ;

99%          «          «    les    31              «       «    .

A 200 Km de la surface terrestre, la pression n’est plus que de 10-7mbar, et l’on peut considérer que vers 500 à 1000 Km, la densité de l’atmosphère est suffisamment faible pour que des molécules gazeuses puissent partir vers le cosmos sans qu’un choc avec d’autres molécules les renvoient vers l’atmosphère. On entre là dans l’exosphère, domaine où la physique des gaz ne s'applique plus, et où chaque molécule se comporte comme une particule balistique.

L’air est un mélange de gaz. Cette intuition de Descartes fut rapidement confirmée. Auparavant, l’air était considéré comme une substance homogène, ce qui rendait complexe l’explication de la pluie, souvent considérée par les anciens comme un des états possibles de l’air.

Le tableau 1 montre que les constituants gazeux essentiels de l’atmosphère sèche, exprimés en volume, sont le dioxyde d’azote (78%) et le dioxygène (21%). L’argon (0.9%) et le dioxyde de carbone (0.035%), pourtant 3° et 4° constituants respectivement, sont déjà très minoritaires.

Tableau 1, composition de l’atmosphère terrestre

Gaz

 

% volumiques

azote

N2

78.09

oxygène

O2

20.95

Argon

Ar

0.93

Dioxyde de carbone

CO2

0.038

néon

Ne

1.8 10-3

Helium

He

5.2 10-4

Krypton

Kr

1.0 10-4

Hydrogène

H2

5.0 10-5

Xénon

Xe

8.0 10-6

Ozone

O3

1.0 10-6

Par comparaison avec la composition de l’atmosphère des autres planètes telluriques (cf. planche hors texte, planétologie comparée en fin d’introduction), celle de notre hôte apparaît à la fois ordinaire par la nature des constituants (N2, O2, Ar, CO2), et singulière par les teneurs de ces constituants. Ces similitudes et ces différences reflètent l’évolution particulière de notre globe (cf. § Histoire de l’atmosphère terrestre). La comparaison avec l'atmosphère des géantes gazeuses montre des différences encore plus radicales. Celles-ci apparaissent en effet beaucoup plus proche de la composition de Soleil, et donc de la nébuleuse initiale.

La composition de l'air terrestre (sec) est suffisamment constante (malgré les variations de teneur en CO2 en particulier) pour que l’on puisse lui attribuer une masse molaire internationalement reconnue (M = 28.966). La présence de produits instables (ozone au-delà de 25 Km par exemple, ou produits azotés, NO, NO2, NO3) n’engendre pas non plus de modifications significatives de la masse molaire de l’air.

Toutefois, on considère que la production de l’oxygène atomique par photodissociation pourrait provoquer un changement de composition significatif au-delà de 80 à 100 Km. L’absence de brassage vers les très hautes altitudes, renforcerait ce changement de composition en provoquant une stratification de la composition, les gaz les plus légers tendant à s'élever au-dessus des plus lourds.

La vapeur d’eau est présente en quantité très variable dans l’atmosphère terrestre, si bien que la valeur de sa concentration moyenne, 5400 ppm volume n’a pas grande signification. La fourchette de teneur s’étend dans les basses couches de l’atmosphère entre 0.1% environ dans les régions continentales et 5% environ dans les régions océaniques intertropicales.

On évalue à 2.5Cm seulement la hauteur d’eau (condensée) contenue dans l’atmosphère, ce qui revient à dire que l’essentiel de l’eau non géosphérique (i.e. contenue dans les minéraux) est stocké dans les océans. Le réservoir atmosphérique peut apparaître insignifiant. Pourtant il n’en est rien, car le temps de résidence de l’eau dans le réservoir atmosphérique est extrêmement court (quelques heures à quelques mois) par rapport à son temps de résidence dans le réservoir océanique (102 à 104 ans), ou a fortiori géosphérique, et les flux entre le réservoir atmosphérique (continental + océanique) et l‘hydrosphère sont au contraire considérables. La figure 1 présente des estimations des réservoirs d’eau dans le cycle de l’eau selon M.T. Chahine. On notera que l'atmosphère assure un transfert d'eau vers le continent de 36.1015kg/an, qui est compensé par le débit des fleuves vers l'océan. L’imprécision sur les composants de ce cycle est certes importante, mais cette estimation des ordres de grandeur des réservoirs et des flux permet de confirmer les estimations précédentes des temps de résidence de l'eau très différents dans les divers réservoirs, de l'ordre de quelques jours dans l'atmosphère (11/434; 4.5/71); de 1000 à 10000 ans dans l'océan (1400000/398); et 500 ans environ dans le réservoir continental (59000/107).

La figure 1 résume les ordres de grandeur des volumes des réservoirs d’eau, y compris géosphériques (croûte et manteau) et les temps de résidence moyens dans les réservoirs superficiels. L’eau océanique représente l’essentiel de la masse de l’eau sur Terre avec 1.39 × 1021 kg, soit 0,023 % de la masse totale de la Terre.

Fig. 1, estimation des réservoirs et des flux dans le cycle de l’eau de la surface terrestre selon M. T. Chahine

La Terre est la seule planète de notre système où l’eau est présente sous les 3 états, solide, liquide et gaz. Le rôle solvant de l’eau (non solide), vis à vis du CO2 par exemple, les grandes vitesses de diffusion en milieu non solide, et la protection efficace qu’elle procure (à l’état liquide en particulier) vis à vis des UV entre autres, font de l’eau atmosphérique et hydrosphérique un des paramètres essentiels de l’apparition de la vie sur la Terre, mais aussi de sa pérennité

L’air contient de nombreux aérosols et grains solides provenant de la surface terrestre, tels que des poussières arrachées ou cendres volcaniques injectées dans la haute atmosphère, ou des cristaux de sel(s). Les rôles essentiels de cette fraction solide sont d’une part d’introduire des variations dans les conditions d’ensoleillement, et d’autre part (et surtout) d’aider à la condensation et/ou à la congélation de la vapeur d’eau.

 

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