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Atmosphère

Atmosphère terrestre

   Catégorie : Terre
Mise à jour 01 juin 2013

La Terre est une oasis de vie, une singularité qu'elle doit au cocon de gaz qui l'enveloppe. Cette couche d'air nous isole de l'espace et nous protège.
L'atmosphère terrestre (du grec ἀτμός, vapeur, air et σφαῖρα, sphère), ce bouclier miraculeux est la couverture gazeuse qui entoure la Terre. L'air sec se compose de 78,08 % d'azote, 20,95 % d'oxygène, 0,93 % d'argon, 0,038 % de dioxyde de carbone et des traces d'autres gaz. L'atmosphère protège la vie définition biologique de la vie : « un organisme est dit vivant lorsqu'il échange de la matière et de l'énergie avec son environnement en conservant son autonomie, lorsqu'il se reproduit et évolue par sélection naturelle. » sur Terre en absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface, en retenant la chaleur par effet de serre et en réduisant les écarts de température entre le jour et la nuit.
Il n'y a pas de frontière bien définie entre l'atmosphère et l'espace, cette limite externe de l'atmosphère est définie comme la distance supposée où les molécules de gaz atmosphérique cessent de subir l'attraction terrestre et les interactions de son champ magnétique. La couche d'air varie fortement en fonction de la latitude et du champ magnétique terrestre continuellement déformé par le vent solaire. 
Comme on le voit sur cette image, l'air devient de moins en moins dense et s'évanouit peu à peu dans l'espace. Cependant l'altitude de 120 km marque la limite où les effets atmosphériques deviennent notables durant la rentrée atmosphérique d'un objet.
La ligne de Kármán située à 100 km, est considérée comme la frontière entre l'atmosphère et l'espace, cependant les dernières molécules de gaz atmosphérique qui cessent de subir l'attraction terrestre sont certainement bien plus loin.
L'atmosphère est divisée en plusieurs couches d'importance variable. Leurs limites ont été fixées selon les discontinuités dans les variations de la température, en fonction de l'altitude car la température décroit avec l'altitude.

 

Nous vivons dans la troposphère où l'air est le plus dense et le moins froid et où la pression est la plus forte. Dans cet environnement, la vie s'est parfaitement adaptée. La morphologie et le métabolisme des êtres vivants ont été façonnés par l'atmosphère.
Les différentes couches atmosphériques de la Terre :
- La troposphère (changement en grec) : l'épaisseur de la troposphère varie entre 0 et 13 à 16 km à l'équateur, et entre 0 et 7 à 8 km aux pôles. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, convection thermique, vents).
- La stratosphère est au dessus de la troposphère, la couche stratosphérique monte jusqu'à 50 km d'altitude. C'est là que se situe une bonne partie de la couche d'ozone.
- La mésosphère est cette couche qui se situe entre 50 km et 80 km d'altitude où la température décroit jusqu'à -100 °C.
- La thermosphère est la couche qui se situe vers 80 km et va jusqu'à 640 km d'altitude. Dans cette couche la température augmente avec l'altitude et peut atteindre plus de 1000°C mais la pression est si faible qu'elle n'est pas ressentit.
- L'exosphère est la couche qui s'évanouit peu à peu dans l'espace jusqu'à 100 000 km d'altitude et probablement jusqu'à la Lune.

 atmosphère de la Terre

Image : Les différentes couches de l'atmosphère, de moins en moins denses, s'évanouissant peu à peu dans l'espace. Cette image de l'horizon de la Terre, aux couleurs vives, a été prise le 29 Juillet 2009, par l'équipage STS-127 en orbite autour de la Terre dans la navette spatiale Endeavour. Image Crédit: NASA

Les couches de l'atmosphère
  
Troposphèrede 0 à 16 km
Stratosphèrede 16 à 50 km
Mésosphèrede 50 à 80 km
Thermosphèrede 80 à 640 km
Exosphèrejusqu'à 100 000 km

La ligne bleue de l'atmosphère

    

L'atmosphère de la Terre est unique, elle n'existe nulle part ailleurs, vue de la navette spatiale internationale, elle se remarque dans le ciel  comme une mince ligne bleue miraculeuse. Le soleil couchant sublime, sur cette photo, les couleurs de cette couche protectrice de la vie sur Terre. L'atmosphère de la Terre est le fruit d’une évolution complexe qui a démarré il y a plusieurs milliards d’années.
C'est le fer dissous dans les océans, vestige des nombreux bombardements de météorites, qui a patiemment libéré l'oxygène dans l’atmosphère.
La composition de l'atmosphère terrestre la rend relativement transparente aux rayonnements électromagnétiques dans le domaine du spectre visible. Par contre elle est relativement opaque aux rayonnements infrarouges émis par le sol, à l'origine de l'effet de serre. Lorsque la lumière traverse l'atmosphère, elle est diffusée dans toutes les directions, ce phénomène porte le nom de diffusion Rayleigh.
Ce phénomène explique la couleur bleue de l'atmosphère où se diffusent plus aisément les longueurs d'onde les plus courtes, donc le bleu par rapport aux longueurs d'ondes plus longues comme le rouge. La longueur d'onde des radiations lumineuses va croissante du bleu vers le rouge.

 

La longueur d'onde du bleu est comprise approximativement entre 446 et 520 nm et varie en luminosité, du cyan à une teinte plus sombre comme le bleu de Prusse ou bleu de minuit. Cet air est sans pareil, Uranus et Neptune sont enveloppées de nuages de gaz glaciaux, Mars et Mercure ont une atmosphère extrêmement ténue, Jupiter et Saturne ne sont que de l'atmosphère sans surface solide, ce sont des géantes gazeuses.
Une seule planète possède une atmosphère comme celle de la Terre à l'origine de sa formation, Vénus notre plus proche voisine. Mais la pression atmosphérique de Vénus est énorme, 90 fois plus élevée que sur la Terre. Cette pression s'accompagne de températures très élevées, 480 °C en moyenne. Cette température suffirait à faire fondre le plomb sur Terre. De plus d'épais nuages sont constitués d'acide sulfurique concentré, ce qui obscurcit le ciel de Vénus.
Alors que la Terre et Vénus sont des planètes jumelles, leurs atmosphères sont extrêmement différentes. Selon David Crisp,  chercheur au Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology, la collision gigantesque entre la Terre et une protoplanète de la taille de Mars, qui a donné naissance à la Lune, a débarrassé la Terre de cette atmosphère primitive de CO2 qui règne encore sur Vénus.

 atmosphère terrestre vue par la station spatiale

Image : Sur ce magnifique coucher du soleil lointain, on peut admirer les couches de l'atmosphère terrestre.
Cette image de l'horizon de la Terre, a été prise par l'équipage STS-129 de la navette spatiale internationale.
Image Crédit: NASA

Origine de l'atmosphère terrestre

    

Pour comprendre l'origine de notre atmosphère, il nous faut remonter jusqu'à la formation de notre système solaire, il y a 4,5 milliards d'années. L'atmosphère primitive de la Terre nait dans ce lointain passé. Les énormes quantités de matière s'agglomèrent pour former des protoplanètes, Jupiter et Saturne, loin du Soleil, deviendront des planètes gazeuses. Sur la Terre la matière se condense dans un noyau bouillonnant. Les gaz expulsés par la roche en fusion s'évaporent et constituent l'atmosphère primitive, retenue par la gravité, autour du globe. Les puissants vents solaires ont pour effet d'expulser le gaz atmosphérique des planètes proches. La Terre a maintenu son atmosphère grâce au champ magnétique généré par son noyau qui empêche le flux d'ions et d'électrons solaires d'emporter son air. Cet air contient à l'origine de grandes quantités de CO2, comme sur Vénus actuellement (95% de CO2), surchauffée l'eau de Vénus s'est évaporée. Selon David Crisp,  chercheur au Jet Propulsion Laboratory / California Institute of Technology, la collision gigantesque entre la Terre et une protoplanète de la taille de Mars, qui a donné naissance à la Lune, a débarrassé la Terre de cette atmosphère primitive de CO2 qui règne encore sur Vénus. A ce moment notre atmosphère ne se compose plus que de vapeur de roche.

 

Plusieurs millions d'années plus tard elle se constitue d'azote, de CO2 et de vapeur d'eau, des éléments qui viendront du ciel et de la Terre. L'azote et le CO2 sont rejetés du noyau en fusion, lors des éruptions volcaniques, l'eau serait venue des comètes qui percutent à cette époque régulièrement notre planète. Jusque là, il n'y a pas encore d'oxygène moléculaire ou dioxygène, le gaz que l'on respire. Le dioxygène serait apparu lors d'un changement brutal, il y a 2,5 milliards d'années. Ce sont les cyanobactéries qui ont envahi la Terre et qui ont rejeté assez d'oxygène pour en faire un composant permanent de l'atmosphère. C'est l'époque de la grande oxydation.  Les cyanobactéries qui ont appris à faire la photosynthèse oxygénique, absorbent le CO2 et utilisent l'énergie solaire pour casser les molécules d'eau, ce qui libère du dioxygène.
Le fort pouvoir oxydant de l'oxygène transforme le fer en oxyde de fer qui se dépose sur les fonds marins. Une fois les minéraux saturés, l'oxygène commence à s'accumuler dans l'atmosphère. Sous la poussée de l'oxygène, la vie va évoluer telle que nous la connaissons aujourd'hui.

Image : Les étoiles se forment au sein de nébuleuses par effondrement des masses gigantesques de poussière et de gaz.

 étoiles dans RCW108

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