L’atmosphère terrestre

L’atmosphère terrestre est l’enveloppe gazeuse de notre planète, qui s’étend jusqu’à des milliers de kilomètres au-dessus de la surface. Elle se caractérise par un grand dynamisme, une hétérogénéité physique et une vulnérabilité aux facteurs biologiques. Au cours des milliards d’années de l’histoire de l’atmosphère terrestre, ce sont les êtres vivants qui ont le plus fortement modifié sa composition.

Propriétés fondamentales de l’atmosphère terrestre

L’atmosphère est notre dôme protecteur contre toutes sortes de menaces venant de l’espace. Elle brûle la plupart des météorites qui tombent sur la planète et sa couche d’ozone sert de filtre contre les rayons ultraviolets du soleil, dont l’énergie est mortelle pour les êtres vivants. En outre, c’est l’atmosphère qui maintient une température confortable près de la surface de la Terre — sans l’effet de serre, obtenu par la réflexion répétée de la lumière du soleil sur les nuages, la Terre serait en moyenne 20 à 30 degrés plus froide. La circulation de l’eau dans l’atmosphère et le mouvement des masses d’air permettent non seulement d’équilibrer la température et l’humidité, mais aussi de créer la diversité des paysages et des minéraux de la Terre, une richesse que l’on ne trouve nulle part ailleurs dans le système solaire.

La combustion des météorites est l’un des cadeaux de notre atmosphère

L’atmosphère a une masse de 5,2×10 18 kilogrammes. Bien que les enveloppes gazeuses s’étendent à plusieurs milliers de kilomètres de la Terre, seules celles qui tournent autour d’un axe à la même vitesse que la rotation de la planète sont considérées comme son atmosphère. Ainsi, la hauteur de l’atmosphère terrestre est d’environ 1 000 kilomètres, avec un passage en douceur dans l’espace extra-atmosphérique dans la couche supérieure, l’exosphère (du grec «boule extérieure»).

Composition de l’atmosphère terrestre. Histoire du développement

Bien que l’air semble homogène, il s’agit d’un mélange de différents gaz. Si l’on ne retient que ceux qui occupent ne serait-ce qu’un millième du volume de l’atmosphère, ils sont déjà au nombre de 12. Si l’on regarde les choses dans leur ensemble, l’air contient en même temps tout le tableau de Mendeleïev !

Cependant, la Terre n’a pas été en mesure d’atteindre une telle diversité en une seule fois. Ce n’est que grâce à la coïncidence unique d’éléments chimiques et à la présence de la vie que l’atmosphère terrestre est devenue aussi complexe. Notre planète a conservé des traces géologiques de ces processus, ce qui nous permet de remonter des milliards d’années en arrière :

La jeune Terre différait considérablement de son aspect actuel. Les «lacs» ronds sont des cratères résultant de l’impact de nombreuses météorites qui ont traversé sans difficulté la fine atmosphère.

• Les premiers gaz qui ont enveloppé la jeune Terre il y a 4,3 milliards d’années étaient l’hydrogène et l’hélium, les constituants fondamentaux de l’atmosphère des géantes gazeuses comme Jupiter. Ce sont les substances les plus élémentaires : elles constituaient les restes de la nébuleuse qui a donné naissance au Soleil et aux planètes qui l’entourent, et elles se sont déposées en abondance autour des centres gravitationnels des planètes. Leur concentration n’était pas très élevée et leur faible masse atomique leur permettait de s’échapper dans l’espace, ce qu’ils font encore aujourd’hui. Aujourd’hui, leur masse spécifique totale représente 0,00052 % de la masse totale de l’atmosphère terrestre (0,00002 % d’hydrogène et 0,0005 % d’hélium), ce qui est assez faible.
• Cependant, à l’intérieur même de la Terre, il y avait une multitude de substances qui ne demandaient qu’à s’échapper de l’intérieur incandescent. Les volcans ont émis d’énormes quantités de gaz, principalement de l’ammoniac, du méthane et du dioxyde de carbone, ainsi que du soufre. L’ammoniac et le méthane se sont ensuite décomposés en azote, qui se taille aujourd’hui la part du lion dans la masse de l’atmosphère terrestre (78 %).

Les volcans sont l’un des principaux acteurs de la formation de l’atmosphère.

• Mais la véritable révolution dans la composition de l’atmosphère terrestre s’est produite avec l’arrivée de l’oxygène. Il est apparu naturellement : le manteau chaud de la jeune planète se débarrassait activement des gaz piégés sous la croûte terrestre. En outre, la vapeur d’eau rejetée par les volcans s’est scindée en hydrogène et en oxygène sous l’effet de la lumière solaire ultraviolette.

Mais cet oxygène ne pouvait pas rester longtemps dans l’atmosphère. Il réagissait avec le monoxyde de carbone, le fer libre, le soufre et de nombreux autres éléments à la surface de la planète. Seule l’apparition d’organismes vivants a changé la donne.

• Tout d’abord, ils ont commencé à libérer une telle quantité d’oxygène que celui-ci a non seulement oxydé toutes les substances présentes à la surface, mais a également commencé à s’accumuler — en quelques milliards d’années, sa quantité est passée de zéro à 21 % d’un pour cent de la masse totale de l’atmosphère.
• Deuxièmement, les organismes vivants ont activement utilisé le carbone atmosphérique pour construire leur propre squelette. Grâce à leur activité, la croûte terrestre s’est enrichie de couches géologiques entières de matériaux organiques et de fossiles, et le dioxyde de carbone est devenu beaucoup plus abondant

Calcaire contenant des restes d’anciens organismes invertébrés.

• Enfin, l’excès d’oxygène a formé la couche d’ozone, qui a commencé à protéger les organismes vivants des rayons ultraviolets. La vie a commencé à évoluer plus activement et à acquérir de nouvelles formes plus complexes. Des créatures hautement organisées sont apparues parmi les bactéries et les algues. Aujourd’hui, l’ozone ne représente plus que 0,00001 % de la masse terrestre.

Vous savez probablement déjà que la couleur bleue du ciel terrestre est également due à l’oxygène : de tout le spectre de l’arc-en-ciel du Soleil, c’est lui qui diffuse le mieux les courtes longueurs d’onde de la lumière responsable de la couleur bleue. Le même effet se produit dans l’espace : de loin, la Terre semble enveloppée d’une brume bleue, et de loin, elle se transforme en un point bleu.

En outre, les gaz nobles sont présents dans l’atmosphère en quantités significatives. L’argon est le plus abondant d’entre eux, sa part dans l’atmosphère est de 0,9 à 1 %. Il trouve sa source dans des processus nucléaires dans les profondeurs de la Terre et atteint la surface par le biais de microfissures dans les plaques lithosphériques et d’éruptions volcaniques (de la même manière que l’hélium apparaît dans l’atmosphère). En raison de leurs caractéristiques physiques, les gaz rares s’élèvent dans la haute atmosphère, où ils s’échappent dans l’espace.

Smog sur la Chine, vue de l’espace

Comme on le voit, la composition de l’atmosphère terrestre a changé à de nombreuses reprises, et de manière très spectaculaire, mais cela a pris des millions d’années. En revanche, les phénomènes vitaux sont très stables : la couche d’ozone existera et fonctionnera même s’il y a 100 fois moins d’oxygène sur Terre. Au regard de l’histoire globale de la planète, l’activité humaine n’a pas laissé de traces graves. Cependant, à l’échelle locale, la civilisation est capable de créer des problèmes, au moins pour elle-même. Les polluants atmosphériques ont déjà rendu la vie dangereuse aux habitants de Pékin, en Chine, et d’énormes nuages de brouillard sale au-dessus des grandes villes sont visibles même depuis l’espace.

Structure atmosphérique

Cependant, l’exosphère n’est pas la seule couche spéciale de notre atmosphère. Il y en a beaucoup d’autres, et chacune d’entre elles possède ses propres caractéristiques. Jetons un coup d’œil à quelques-unes des principales :

La troposphère

La couche la plus basse et la plus dense de l’atmosphère s’appelle la troposphère. Le lecteur de cet article se trouve exactement dans sa partie «inférieure» — à moins, bien sûr, qu’il ne fasse partie des 500 000 personnes qui volent en ce moment même dans un avion. La limite supérieure de la troposphère dépend de la latitude (rappelez-vous la force centrifuge de la rotation de la Terre, qui rend la planète plus large à l’équateur) et varie de 7 kilomètres aux pôles à 20 kilomètres à l’équateur. Par ailleurs, la taille de la troposphère dépend de la saison : plus l’air est chaud, plus la limite supérieure s’élève.

Le nom «troposphère» vient du grec ancien «tropos», qui se traduit par «tourner, changer». Cela reflète assez bien les propriétés de cette couche de l’atmosphère : c’est la plus dynamique et la plus productive. C’est dans la troposphère que les nuages se rassemblent et que l’eau circule, que les cyclones et les anticyclones se forment et que les vents sont générés — tous ces processus que nous appelons «météo» et «climat» ont lieu. C’est aussi la couche la plus massive et la plus dense, qui représente 80 % de la masse de l’atmosphère et la quasi-totalité de son contenu en eau. Elle abrite également la plupart des organismes vivants.

Couches de l’atmosphère vues de l’espace. La couche la plus basse, de couleur orange, est la troposphère.

Tout le monde sait que plus on monte, plus il fait froid. C’est vrai : tous les 100 mètres, la température de l’air diminue de 0,5 à 0,7 degré. Toutefois, ce principe ne fonctionne que dans la troposphère. Plus haut, la température commence à augmenter avec l’altitude. La zone située entre la troposphère et la stratosphère, où la température reste inchangée, est appelée tropopause. Avec l’altitude, le vent s’accélère également, de 2 à 3 km/s par kilomètre d’élévation. C’est pourquoi les parapentistes et les deltaplanes préfèrent voler sur des plateaux et des montagnes élevés, où il est toujours possible de «prendre une vague».

Le cycle de l’eau dans la nature

Le fond de l’air déjà mentionné, où l’atmosphère entre en contact avec la lithosphère, est appelé couche limite de surface. Son rôle dans la circulation de l’atmosphère est extrêmement important : la chaleur et le rayonnement provenant de la surface créent des vents et des différences de pression, tandis que les montagnes et autres irrégularités du relief les orientent et les séparent. C’est également là que s’effectue l’échange d’eau : en 8 à 12 jours, toute l’eau prélevée dans les océans et à la surface revient, transformant la troposphère en une sorte de filtre à eau.

• Il est intéressant de noter que la transpiration, un processus important de la vie végétale, est liée à l’échange d’eau avec l’atmosphère. Avec son aide, la flore de la planète influence activement le climat — par exemple, les grandes zones vertes atténuent les changements de temps et de température. Dans les zones saturées d’eau, les plantes évaporent 99 % de l’eau prélevée dans le sol. Un hectare de blé, par exemple, libère 2 à 3 000 tonnes d’eau dans l’atmosphère au cours de l’été, soit bien plus que ce que le sol sans vie pourrait dégager.

La pression normale près de la surface de la Terre est d’environ 1000 millibars. La pression de référence est de 1013 mBar, ce qui correspond à une «atmosphère» — une unité de mesure que vous avez probablement déjà rencontrée. À mesure que l’altitude augmente, la pression diminue rapidement : aux limites de la troposphère (à une altitude de 12 kilomètres), elle est déjà de 200 mBar, et à une altitude de 45 kilomètres, elle tombe à 1 mBar. Il n’est donc pas étonnant que ce soit dans la troposphère saturée que se trouvent 80 % de la masse totale de l’atmosphère terrestre.

La stratosphère

La couche de l’atmosphère située entre 8 km d’altitude (au pôle) et 50 km d’altitude (à l’équateur) est appelée stratosphère. Ce nom vient du mot grec «stratos», qui signifie «planche, couche». Il s’agit d’une zone extrêmement raréfiée de l’atmosphère terrestre qui ne contient pratiquement pas de vapeur d’eau. La pression de l’air dans la partie inférieure de la stratosphère est 10 fois inférieure à la pression de l’air en surface, et dans la partie supérieure, elle est 100 fois inférieure.

En parlant de la troposphère, nous avons déjà appris que la température y diminue en fonction de l’altitude. Dans la stratosphère, c’est exactement l’inverse : à mesure que l’altitude augmente, la température passe d e-56°C à 0-1°C. Le réchauffement s’arrête à la stratopause, la limite entre la stratosphère et la mésosphère.

Vue de la Terre depuis la stratosphère. Les nuages semblent encore plus petits vus d’en haut que vus d’en bas

La vie et l’homme dans la stratosphère

Les avions de ligne et les avions supersoniques volent généralement dans la basse stratosphère, ce qui les protège non seulement de l’instabilité des courants d’air troposphériques, mais simplifie également leurs déplacements en raison de la faible traînée aérodynamique. En outre, les basses températures et l’air raréfié permettent d’optimiser la consommation de carburant, ce qui est particulièrement important pour les vols longue distance.

Cependant, il existe une limite technique à l’altitude d’un avion : l’alimentation en air, qui est si rare dans la stratosphère, est nécessaire au fonctionnement des moteurs à réaction. Par conséquent, pour atteindre la pression d’air requise dans la turbine, l’avion doit se déplacer à une vitesse supérieure à celle du son. C’est pourquoi, dans la stratosphère (à une altitude de 18 à 30 kilomètres), seuls les véhicules de combat et les avions supersoniques tels que le «Concorde» peuvent se déplacer. Les principaux «habitants» de la stratosphère sont donc des sondes météorologiques attachées à des ballons, qui peuvent y rester longtemps pour recueillir des informations sur la dynamique de la troposphère sous-jacente.

Le Concorde est un avion supersonique de transport de passagers

Le lecteur sait probablement déjà que l’on trouve dans l’atmosphère, jusqu’à la couche d’ozone, des micro-organismes appelés aéroplancton. Cependant, les bactéries ne sont pas les seules à pouvoir survivre dans la stratosphère. Par exemple, un vautour africain, une espèce particulière de vautour, s’est introduit dans le moteur d’un avion à une altitude de 11,5 milliers de mètres. Et certains canards, lors de leurs migrations, survolent tranquillement le mont Everest.

Mais la plus grande créature à avoir séjourné dans la stratosphère reste un être humain. Le record d’altitude actuel a été établi par Alan Eustace, vice-président de Google. Le jour du saut, il avait 57 ans ! À bord d’une montgolfière spéciale, il s’est élevé à 41 kilomètres au-dessus du niveau de la mer, puis a sauté en parachute. La vitesse qu’il a atteinte au moment le plus élevé de la chute était de 1342 kilomètres par heure, soit plus que la vitesse du son ! Par la même occasion, Eustache est devenu la première personne à franchir le seuil de la vitesse du son par ses propres moyens (sans compter le scaphandre spatial pour la survie et les parachutes pour l’atterrissage).

• Fait intéressant, Eustache a eu besoin d’un dispositif explosif pour se détacher du ballon, un peu comme les fusées spatiales pour détacher leurs étages.

Alan Eustace en combinaison spatiale. Le saut a été effectué avec une simple combinaison de protection, sans capsule pressurisée ni autres mesures de protection.

La couche d’ozone

À la frontière entre la stratosphère et la mésosphère se trouve également la fameuse couche d’ozone. Elle protège la surface de la Terre des rayons ultraviolets et sert en même temps de limite supérieure à la propagation de la vie sur la planète : au-delà, la température, la pression et le rayonnement cosmique auront vite raison des bactéries les plus résistantes.

D’où vient ce bouclier ? La réponse est incroyable : il a été créé par des organismes vivants, plus précisément par l’oxygène, que diverses bactéries, algues et plantes produisent depuis des temps immémoriaux. En s’élevant dans l’atmosphère, l’oxygène entre en contact avec les rayons ultraviolets et entre dans une réaction photochimique. Il en résulte que l’oxygène que nous respirons, O.₂pour produire de l’ozone — O₃.

Paradoxalement, l’ozone créé par le rayonnement solaire nous protège de ce même rayonnement ! L’ozone absorbe également la lumière ultraviolette au lieu de la réfléchir, ce qui réchauffe l’atmosphère autour de lui.

L’ozone liquide violet et l’oxygène bleu à des températures inférieures à-180°C.

La mésosphère

Nous avons déjà mentionné qu’au-dessus de la stratosphère — ou plutôt de la stratopause, une couche limite de température stable — se trouve la mésosphère. Cette couche relativement petite se situe entre 40-45 et 90 kilomètres d’altitude et constitue l’endroit le plus froid de notre planète — dans la mésopause, la couche supérieure de la mésosphère, l’air se refroidit jusqu’ à-143°C.

La mésosphère est la partie la moins étudiée de l’atmosphère terrestre. La pression extrêmement faible des gaz, qui est des milliers à dix mille fois inférieure à la pression de surface, limite le mouvement des ballons — leur force de levage est nulle et ils restent simplement sur place. Il en va de même pour les avions à réaction : l’aérodynamique de l’aile et du corps de l’avion n’a plus de sens. Par conséquent, pour voler dans la mésosphère, on peut utiliser des fusées ou des avions équipés de moteurs-fusées — les avions-fusées. C’est le cas de l’avion-fusée X-15, qui détient le titre d’avion le plus rapide au monde : il a atteint une hauteur de 108 kilomètres et une vitesse de 7200 km/h, soit 6,72 fois la vitesse du son.

Cependant, le vol record du X-15 n’a duré que 15 minutes. Cela symbolise un problème commun aux véhicules voyageant dans la mésosphère : ils sont trop rapides pour effectuer des recherches solides et restent à une altitude donnée pendant une courte période, s’envolant plus haut ou retombant. La mésosphère ne peut pas non plus être explorée par des satellites ou des sondes suborbitales, car même si la pression dans cette couche de l’atmosphère est faible, elle ralentit (et parfois brûle) les engins spatiaux. En raison de ces difficultés, les scientifiques appellent souvent la mésosphère l'»ignorosphère» (de «ignorosphere», où «ignorance» signifie ignorance).

C’est également dans la mésosphère que la plupart des météorites tombant sur la Terre se consument — c’est là qu’éclate la pluie de météores des Perséides, connue sous le nom de «chute d’étoiles du mois d’août». L’effet d’éclairage se produit lorsqu’un corps spatial pénètre dans l’atmosphère terrestre à un angle aigu et à une vitesse supérieure à 11 km/h. La force de friction provoque l’inflammation de la météorite.

Les Perséides. Filmées en 2015

Après avoir perdu leur masse dans la mésosphère, les restes des «aliens» se déposent sur Terre sous forme de poussière cosmique — chaque jour, de 100 à 10 000 tonnes de matière météoritique tombent sur la planète. Les particules de poussière étant très légères, il leur faut jusqu’à un mois pour atteindre la surface de la Terre ! Une fois dans les nuages, elles les alourdissent et provoquent même parfois de la pluie, tout comme les cendres volcaniques ou les particules issues des explosions nucléaires. Toutefois, l’influence des poussières spatiales sur la formation de la pluie est considérée comme faible : même 10 000 tonnes ne suffisent pas à modifier sérieusement la circulation naturelle de l’atmosphère terrestre.

La thermosphère

Au-dessus de la mésosphère, à une altitude de 100 kilomètres au-dessus du niveau de la mer, se trouve la ligne de Karman, la frontière conventionnelle entre la Terre et l’espace. Bien qu’il y ait là des gaz qui tournent avec la Terre et entrent techniquement dans l’atmosphère, leur quantité au-dessus de la ligne de Karman est invisiblement faible. Par conséquent, tout vol dépassant une altitude de 100 kilomètres est déjà considéré comme un vol spatial.

La limite inférieure de la couche la plus longue de l’atmosphère, la thermosphère, coïncide avec la ligne de Karman. Elle s’élève à 800 kilomètres d’altitude et présente une température extrêmement élevée — à 400 kilomètres d’altitude, elle atteint un maximum de 1800°C !

Navette sur la ligne Karman. La photo montre clairement toutes les couches de l’atmosphère

Il fait chaud, n’est-ce pas ? À une température de 1 538 °C, le fer commence à fondre. Comment les engins spatiaux restent-ils intacts dans la thermosphère ? C’est dû à la très faible concentration de gaz dans la haute atmosphère — la pression au milieu de la thermosphère est 1000000 fois inférieure à la concentration de l’air près de la surface de la Terre ! L’énergie des particules individuelles est élevée, mais la distance qui les sépare est énorme et les vaisseaux spatiaux se trouvent en fait dans le vide. Cela ne les aide cependant pas à se débarrasser de la chaleur générée par les mécanismes — pour dissiper la chaleur, tous les engins spatiaux sont équipés de radiateurs, qui diffusent l’énergie excédentaire.

• Soit dit en passant, il faut toujours tenir compte de la densité de la matière incandescente. Lorsqu’il s’agit de températures élevées, il convient toujours de tenir compte de la densité de la matière incandescente. Ainsi, les scientifiques du collisionneur d’Andron peuvent effectivement chauffer de la matière à la température du soleil. Mais il est évident qu’il s’agira de molécules individuelles — un gramme de matière de l’étoile suffirait pour l’explosion la plus puissante. Il ne faut donc pas croire la presse à sensation qui nous promet la fin imminente du monde par les «mains» du collisionneur, tout comme il ne faut pas avoir peur de la chaleur dans la thermosphère.

Thermosphère et astronautique

La thermosphère est en fait un espace ouvert — c’est dans ses limites que se trouvait l’orbite du premier «Spoutnik» soviétique. C’est aussi là que se trouvait l’apocentre — le point le plus élevé au-dessus de la Terre — du vol Vostok-1 avec Youri Gagarine à son bord. De nombreux satellites artificiels destinés à l’étude de la surface, de l’océan et de l’atmosphère de la Terre, comme les satellites de Google Maps, sont également lancés à cette altitude. Ainsi, lorsqu’il est question de LEO (Low Reference Orbit, terme couramment utilisé en astronautique), il s’agit dans 99 % des cas de la thermosphère.

Le vaisseau spatial Vostok-1 en orbite dans la vue d’artiste

Les vols orbitaux de personnes et d’animaux ne se produisent pas uniquement dans la thermosphère. En effet, c’est dans sa partie supérieure, à une hauteur de 500 kilomètres ou plus, que s’étendent les ceintures de radiation de la Terre. C’est là que les particules chargées du vent solaire sont capturées et accumulées par la magnétosphère. Une présence prolongée dans les ceintures de radiation cause des dommages irréparables aux organismes vivants et même à l’électronique — c’est pourquoi tous les véhicules en orbite haute sont équipés d’un blindage contre les radiations.

Lumières polaires

Les latitudes polaires produisent souvent un spectacle spectaculaire et grandiose : les aurores boréales. Elles ressemblent à de longs arcs lumineux de couleurs et de formes variées qui scintillent dans le ciel. La Terre doit leur apparition à sa magnétosphère, ou plus précisément aux lacunes qu’elle présente près des pôles. Les particules chargées du vent solaire s’y engouffrent et font briller l’atmosphère. Vous pouvez admirer les aurores les plus spectaculaires et en savoir plus sur leur origine ici.

Aujourd’hui, les aurores boréales sont monnaie courante dans les pays circumpolaires comme le Canada ou la Norvège, et figurent au programme de tout touriste, mais dans le passé, on leur attribuait des propriétés surnaturelles. Dans l’Antiquité, les lumières multicolores étaient perçues comme des portes du paradis, des créatures mythiques et des feux spirituels, et leur comportement était considéré comme de la divination. Et nos ancêtres peuvent être compris : même l’éducation et la foi en son propre esprit ne parviennent pas toujours à contenir l’émerveillement devant les forces de la nature

Lumières polaires depuis l’ISS

Exosphère

La dernière couche de l’atmosphère terrestre, dont la limite inférieure passe à 700 kilomètres d’altitude, est l’exosphère (du grec kory «exo» — extérieur, dehors). Elle est incroyablement diffuse et se compose principalement d’atomes de l’élément le plus léger, l’hydrogène, ainsi que d’atomes d’oxygène et d’azote, qui sont fortement ionisés par le rayonnement omniprésent du soleil.

La taille de l’exosphère terrestre est incroyablement grande : elle se développe pour former la couronne terrestre, la géocorona, qui s’étend jusqu’à 100 000 kilomètres de la planète. Elle est très raréfiée : la concentration de particules est des millions de fois inférieure à la densité de l’air ordinaire. Mais si la Lune masque la Terre pour un engin spatial lointain, la couronne de notre planète sera visible, comme on peut voir la couronne du Soleil lors de son éclipse. Cependant, ce phénomène n’a pas encore pu être observé.

Le satellite Google Maps. Les satellites d’imagerie à grande échelle sont généralement en orbite à l’intérieur de l’exosphère.

L’altération de l’atmosphère

C’est également dans l’exosphère que l’atmosphère terrestre est altérée : en raison de la grande distance qui la sépare du centre gravitationnel de la planète, les particules se détachent facilement de la masse gazeuse totale et se placent sur leur propre orbite. Ce phénomène est appelé dissipation atmosphérique. Notre planète perd 3 kilogrammes d’hydrogène et 50 grammes d’hélium de l’atmosphère chaque seconde. Seules ces particules sont suffisamment légères pour quitter la masse totale des gaz.

De simples calculs montrent que la Terre perd environ 110 000 tonnes de masse atmosphérique chaque année. Est-ce dangereux ? En fait, non : la capacité de notre planète à «produire» de l’hydrogène et de l’hélium est supérieure au taux de perte. En outre, une partie de la matière perdue finit par retourner dans l’atmosphère. Et les gaz importants comme l’oxygène ou le dioxyde de carbone sont tout simplement trop lourds pour quitter la Terre en masse — il n’y a donc pas lieu de craindre que l’atmosphère de notre planète s’échappe.

• Fait intéressant, les «prophètes» de la fin du monde disent souvent que si le noyau de la Terre cesse de tourner, l’atmosphère sera rapidement érodée par le vent solaire. Cependant, nos lecteurs savent que les forces gravitationnelles maintiennent l’atmosphère près de la Terre, et que ces forces gravitationnelles opèrent quelle que soit la rotation du noyau. Vénus, qui a un noyau fixe et un champ magnétique faible, mais une atmosphère 93 fois plus dense et plus lourde que celle de la Terre, en est la preuve éclatante. Toutefois, cela ne signifie pas que l’on peut arrêter la dynamique du noyau terrestre en toute sécurité, car le champ magnétique de la planète disparaîtrait alors. Son rôle est important, non pas tant pour retenir l’atmosphère que pour la protéger des particules chargées du vent solaire, qui pourraient facilement transformer notre planète en un désert radioactif.

Les nuages

L’eau sur Terre n’existe pas seulement dans les vastes océans et les nombreux cours d’eau. Environ 5,2 × 10 15 kilogrammes d’eau se trouvent dans l’atmosphère. Elle est présente presque partout — la proportion de vapeur dans l’air varie de 0,1 % à 2,5 % du volume, en fonction de la température et du lieu. Cependant, la plus grande partie de l’eau est collectée dans les nuages, où elle est stockée non seulement sous forme de gaz, mais aussi sous forme de petites gouttelettes et de cristaux de glace. La concentration d’eau dans les nuages atteint jusqu’à 10g/m 3 — et comme les nuages atteignent un volume de plusieurs kilomètres cubes, la masse d’eau qu’ils contiennent est estimée à des dizaines et des centaines de tonnes.

Les différentes classes de nuages

Les nuages sont la formation la plus visible sur notre Terre ; ils sont visibles même depuis la Lune, où les contours des continents sont flous à l’œil nu. Ce n’est pas un hasard : les nuages couvrent en permanence plus de 50 % de la surface de la Terre !

Les nuages jouent un rôle extrêmement important dans l’échange de chaleur de la Terre. En hiver, ils captent les rayons du soleil, augmentant ainsi la température en dessous d’eux par effet de serre, et en été, ils protègent l’énorme énergie du soleil. Les nuages compensent également les différences de température entre le jour et la nuit. C’est d’ailleurs précisément à cause de leur absence que les déserts sont si froids la nuit : toute la chaleur accumulée par le sable et les rochers s’envole vers le haut sans entrave, alors que dans d’autres régions, elle est retenue par les nuages.

La grande majorité des nuages se forment près de la surface de la Terre, dans la troposphère, mais au cours de leur développement, ils prennent des formes et des propriétés très variées. Leur séparation est très utile : l’apparition de différents types de nuages permet non seulement de prévoir le temps qu’il fera, mais aussi de déterminer la présence d’impuretés dans l’air ! Examinons de plus près les principaux types de nuages.

Nuage vu de l’espace

Nuages de niveau inférieur

Les nuages qui descendent le plus bas au-dessus du sol sont classés comme des nuages de niveau inférieur. Ils se caractérisent par une grande homogénéité et une faible masse. Lorsqu’ils descendent vers le sol, les météorologues ne les distinguent pas du brouillard normal. Néanmoins, il existe une différence entre eux : certains obscurcissent simplement le ciel, tandis que d’autres peuvent déclencher de fortes pluies et des chutes de neige.

• Les nuages capables de produire de fortes précipitations comprennent les nuages de pluie en couches. Ce sont les plus gros des nuages de niveau inférieur : leur épaisseur atteint plusieurs kilomètres et leur longueur dépasse les milliers de kilomètres. Ils forment une masse grise homogène — observez le ciel lors d’un orage soutenu et vous verrez certainement des nuages de pluie en couches.
• Les cumulus en couches, qui s’élèvent de 600 à 1 500 mètres au-dessus du sol, constituent un autre type de nuages de niveau inférieur. Il s’agit de groupes de centaines de nuages gris-blancs séparés par de petits espaces. C’est le type de nuages que l’on voit généralement les jours où la nébulosité est variable. Il est rare qu’il pleuve ou qu’il neige à partir de ces nuages.
• Le dernier type de nuages bas est constitué par les nuages en couches ordinaires ; ce sont ceux qui couvrent le ciel les jours nuageux, lorsqu’une fine bruine tombe du ciel. Ils sont très fins et bas — la hauteur maximale des nuages en couches atteint 400 à 500 mètres. Leur structure est très similaire à celle du brouillard — descendant la nuit jusqu’au sol, ils créent souvent une brume matinale épaisse.

Nuages à développement vertical

Les nuages de niveau inférieur ont de grands frères : les nuages à développement vertical. Bien que leur limite inférieure se situe à une faible altitude de 800 à 2 000 kilomètres, les nuages à développement vertical sont sérieusement ascendants — leur épaisseur peut atteindre 12 à 14 kilomètres, repoussant leur limite supérieure jusqu’à la limite de la troposphère. Ces nuages sont également appelés nuages convectifs : en raison de leur grande taille, l’eau qu’ils contiennent acquiert des températures différentes, ce qui génère une convection — le processus de déplacement des masses chaudes vers le haut et des masses froides vers le bas. C’est pourquoi la vapeur d’eau, les petites gouttelettes, les flocons de neige et même les cristaux de glace entiers existent simultanément dans les nuages à développement vertical.

• Les principaux types de nuages verticaux sont les cumulus, d’énormes nuages blancs ressemblant à des morceaux de coton déchirés ou à des icebergs. Ils ont besoin d’une température élevée pour exister, c’est pourquoi dans la partie centrale de la Russie, ils n’apparaissent qu’en été et fondent la nuit. Leur épaisseur atteint plusieurs kilomètres.

• Cependant, lorsque les cumulus ont l’occasion de se rassembler, ils créent une forme beaucoup plus imposante : les cumulonimbus. Ils sont à l’origine de fortes averses, de grêle et d’orages en été. Ils ne durent que quelques heures, mais ils atteignent jusqu’à 15 kilomètres de haut — leur partie supérieure atteint une température d e-10°C et est constituée de cristaux de glace. Cela se produit lorsque le nuage atteint la limite de la stratosphère — la physique ne lui permet pas de s’étendre davantage, ce qui fait que le cumulonimbus s’étale le long de la limite de hauteur.

Un grand cumulonimbus

• Fait intéressant, de puissants cumulonimbus se forment sur les sites d’éruptions volcaniques, d’impacts de météorites et d’explosions nucléaires. Ces nuages sont les plus grands — leurs limites atteignent même la stratosphère, à une hauteur de 16 kilomètres. Saturés d’eau évaporée et de microparticules, ils crachent de puissantes averses orageuses qui, dans la plupart des cas, suffisent à éteindre les incendies cataclysmiques. Voilà pour le pompier de la nature 🙂

Nuages de niveau moyen

Dans la partie intermédiaire de la troposphère (à une altitude de 2 à 7 kilomètres aux latitudes moyennes) se trouvent les nuages de niveau moyen. Ils se caractérisent par de grandes surfaces — ils sont moins affectés par les flux ascendants en provenance de la surface de la Terre et les irrégularités du paysage — et une faible épaisseur de quelques centaines de mètres. Ce sont les nuages qui «s’enroulent» autour des sommets aigus des montagnes et qui restent près d’elles.

Les nuages d’altitude moyenne se répartissent en deux catégories principales : les nuages très stratifiés et les nuages très cumulus.

• Les nuages fortement stratifiés sont l’une des composantes des masses atmosphériques complexes. Ils forment un linceul uniforme de couleur gris-bleu à travers lequel on peut voir le Soleil et la Lune. Bien que les nuages à haute altitude mesurent des milliers de kilomètres de long, ils n’ont que quelques kilomètres d’épaisseur. Le linceul gris et dense que l’on voit depuis le hublot d’un avion volant à haute altitude est précisément constitué de nuages à forte épaisseur. Ils produisent souvent de la pluie ou de la neige de longue durée.

Nuages à cumulus élevé et à couches élevées

• Les cumulus élevés, qui ressemblent à de petits morceaux de coton déchiré ou à de fines bandes parallèles, apparaissent pendant la saison chaude. Ils se forment lorsque des masses d’air chaud s’élèvent à des hauteurs de 2 à 6 kilomètres. Les cumulus élevés sont un indicateur sûr d’un changement de temps imminent et de l’approche de la pluie. Ils peuvent être créés non seulement par la convection naturelle de l’atmosphère, mais aussi par l’arrivée de masses d’air froid. Il pleut rarement à partir d’eux, mais les nuages peuvent se regrouper et créer un gros nuage de pluie.

En parlant de nuages près des montagnes, vous avez probablement vu sur des photos (et peut-être même en personne) des nuages ronds ressemblant à des disques d’ouate suspendus en couches au-dessus d’un pic montagneux. Les nuages de moyenne altitude sont souvent lenticulaires, c’est-à-dire divisés en plusieurs couches parallèles. Ils sont créés par les vagues d’air qui se forment lorsque le vent s’engouffre dans les pics escarpés. Les nuages lenticulaires ont également la particularité de rester en place même lorsque les vents sont les plus forts. C’est ce qui rend leur nature possible : comme ces nuages sont créés là où plusieurs courants d’air entrent en contact, ils se trouvent dans une position relativement stable.

Nuages lenticulaires au-dessus du mont Fuji, Japon

Nuages de niveau supérieur

Le dernier niveau de nuages normaux qui s’élèvent dans les parties inférieures de la stratosphère s’appelle l’étage supérieur. Ces nuages atteignent des hauteurs de 6 à 13 kilomètres. Il y fait très froid et les nuages de l’étage supérieur sont donc constitués de petits flocons de glace. En raison de leur forme fibreuse et extensible comme une plume, les nuages élevés sont également appelés nuages gonflés, bien que les caprices de l’atmosphère leur donnent souvent la forme de griffes, de flocons et même de squelettes de poissons. Les précipitations qui se forment à partir de ces nuages n’atteignent jamais le sol, mais la présence même des nuages pennés est un moyen ancien de prédire le temps.

• Les nuages purement gonflés sont les plus longs des nuages de niveau supérieur — une fibre individuelle peut mesurer jusqu’à une douzaine de kilomètres de long. Les cristaux de glace des nuages étant suffisamment gros pour ressentir la gravité terrestre, les nuages gonflés «tombent» en cascade — la distance entre le point supérieur et le point inférieur d’un seul nuage peut atteindre 3 à 4 kilomètres ! En fait, les nuages périsphériques sont d’immenses «chutes de glace». Ce sont les différences de forme des cristaux d’eau qui créent leur forme fibreuse, semblable à un ruisseau.

• Dans cette catégorie, il existe également des nuages presque invisibles, les nuages à couches périsphériques. Ils se forment lorsque de grandes masses d’air de surface s’élèvent — à haute altitude, leur humidité est suffisante pour former un nuage. Lorsque le soleil ou la lune brille à travers eux, un halo apparaît — un disque brillant et irisé de rayons dispersés.

Nuages argentés

Les nuages argentés, les plus hauts nuages de la planète, devraient être classés dans une catégorie à part. Ils atteignent une hauteur de 80 kilomètres, ce qui est encore plus élevé que la stratosphère ! En outre, ils ont une composition inhabituelle : contrairement aux autres nuages, ils sont constitués de poussière de météorite et de méthane, et non d’eau. Ces nuages ne sont visibles qu’après le coucher du soleil ou avant l’aube : les rayons du soleil pénétrant derrière l’horizon illuminent les nuages argentés, qui restent invisibles en altitude pendant la journée.

Les nuages argentés sont d’une incroyable beauté, mais il faut des conditions particulières pour les observer dans l’hémisphère nord. Et leur mystère n’a pas été facile à résoudre : les scientifiques n’y ont pas cru, déclarant que les nuages argentés étaient une illusion d’optique. Pour voir ces nuages inhabituels et découvrir leurs secrets, vous pouvez consulter notre article spécial.

L’atmosphère terrestre en astronomie

Dans l’article précédent, nous avons mentionné que la Terre est le principal outil de connaissance des autres mondes. Son atmosphère ne fait pas exception : en comparant les phénomènes terrestres et extraterrestres, les astronomes découvrent l’histoire ancienne des planètes proches et moins proches.

Par exemple, la couleur de l’atmosphère des autres planètes nous révèle les secrets de leur composition. L’atmosphère de Mars a la même teinte rouge que sa surface. Cela s’explique par le fait que le gaz dominant sur Mars est le dioxyde de carbone. Il en va de même pour les exoplanètes. En analysant leur spectre de couleurs, nous pouvons connaître la composition de leur atmosphère, sans même savoir à quoi ressemble la planète.

Et la composition de l’atmosphère telle que nous la connaissons peut nous en apprendre beaucoup sur la planète. S’il y a beaucoup de dioxyde de carbone, cela signifie que des volcans font rage et que des processus géologiques actifs se déroulent sur la planète. La vapeur d’eau dans l’atmosphère ne garantit pas la présence d’océans à la surface, mais elle est une source d’oxygène. Et l’excès d’oxygène existant est presque une garantie à 100 % de la présence de la vie. Après tout, vous et moi savons déjà que l’oxygène provenant de sources non vivantes est immédiatement dépensé dans des réactions chimiques et qu’une source biotique est nécessaire pour le stocker.

Mars aussi a une atmosphère et même des nuages

En outre, tous les gaz et liquides circulent selon des lois chimiques similaires. Bien que l’eau soit une substance unique, elle n’est pas un composant essentiel de l’atmosphère. Titan, le satellite de Saturne, possède une enveloppe gazeuse dont la structure est similaire à celle de la Terre. Les mêmes classes de nuages s’y forment, le même liquide circule dans l’atmosphère, mais sa température est inférieure d’une centaine de degrés, et au lieu de l’eau, il y a du méthane !

L’atmosphère laisse également des traces marquées à la surface de la Terre. Les signes d’érosion éolienne subsistent même après que l’objet spatial a perdu son atmosphère. En comparant les paysages extraterrestres et terrestres, il est possible de déterminer avec précision leur histoire — c’est ainsi que les études théoriques réalisées sur les images satellites du relief de Mars ont trouvé leur confirmation lors du travail des rovers martiens.

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023