Couches de l’atmosphère
L’atmosphère est en couches, correspondant à la façon dont la température de l’atmosphère change avec l’altitude. En comprenant comment la température change avec l’altitude, nous pouvons en apprendre beaucoup sur le fonctionnement de l’atmosphère. Alors que le temps se déroule dans la basse atmosphère, des choses intéressantes, comme la belle aurore, se produisent plus haut dans l’atmosphère. Pourquoi l’air chaud monte-t-il? Les molécules de gaz peuvent se déplacer librement et si elles ne sont pas contenues, comme elles le sont dans l’atmosphère, elles peuvent occuper plus ou moins d’espace.
- Lorsque les molécules de gaz sont froides, elles sont lentes et ne prennent pas autant de place. Avec le même nombre de molécules dans moins d’espace, la densité et la pression de l’air sont plus élevées.
- Lorsque les molécules de gaz sont chaudes, elles se déplacent vigoureusement et prennent plus de place. La densité et la pression de l’air sont plus faibles.
Un air plus chaud et plus léger est plus flottant que l’air plus frais au-dessus, il monte donc. L’air plus frais descend ensuite, car il est plus dense que l’air en dessous. C’est ce qu’on appelle la convection.
La propriété qui change le plus de façon frappante avec l’altitude est la température de l’air. Contrairement au changement de pression et de densité, qui diminue avec l’altitude, les changements de température de l’air ne sont pas réguliers. Un changement de température avec la distance est appelé gradient de température.
L’atmosphère est divisée en couches en fonction de la façon dont la température dans cette couche change avec l’altitude, le gradient de température de la couche. Le gradient de température de chaque couche est différent. Dans certaines couches, la température augmente avec l’altitude et dans d’autres, elle diminue. Le gradient de température dans chaque couche est déterminé par la source de chaleur de la couche. La plupart des processus importants de l’atmosphère se déroulent dans les deux couches les plus basses: la troposphère et la stratosphère.
Troposphère
La température de la troposphère est la plus élevée près de la surface de la Terre et diminue avec l’altitude. En moyenne, le gradient de température de la troposphère est de 6,5 ºC pour 1 000 m (3,6 ºF pour 1 000 pi) d’altitude. Quelle est la source de chaleur de la troposphère?
La surface de la Terre est une source majeure de chaleur pour la troposphère, bien que la quasi-totalité de cette chaleur provienne du Soleil. Les roches, le sol et l’eau sur Terre absorbent la lumière du Soleil et la rayonnent dans l’atmosphère sous forme de chaleur. La température est également plus élevée près de la surface en raison de la plus grande densité de gaz. La gravité plus élevée fait monter la température.
Notez que dans la troposphère, l’air plus chaud est sous l’air plus frais. Selon vous, quelle en est la conséquence? Cette condition est instable . L’air chaud près de la surface monte et l’air frais plus haut dans la troposphère coule. Donc, l’air dans la troposphère fait beaucoup de mélange. Ce mélange fait varier le gradient de température avec le temps et le lieu. La montée et la descente de l’air dans la troposphère signifie que tout le temps de la planète a lieu dans la troposphère.
Parfois, il y a une inversion de température , une situation dans laquelle la température de l’air dans la troposphère augmente avec l’altitude et l’air chaud est au-dessus de l’air froid. Les inversions sont très stables et peuvent durer plusieurs jours, voire plusieurs semaines. Elles forment:
- Sur terre la nuit ou en hiver lorsque le sol est froid. Le sol froid refroidit l’air qui se trouve au-dessus de lui, ce qui rend cette couche d’air plus dense que l’air au-dessus.
- Près de la côte où l’eau de mer froide refroidit l’air au-dessus d’elle. Lorsque cet air plus dense se déplace vers l’intérieur des terres, il glisse sous l’air plus chaud sur la terre.
Étant donné que les inversions de température sont stables, elles piègent souvent les polluants et produisent des conditions atmosphériques malsaines dans les villes. Au sommet de la troposphère se trouve une couche mince dans laquelle la température ne change pas avec la hauteur. Cela signifie que l’air plus frais et plus dense de la troposphère est emprisonné sous l’air plus chaud et moins dense de la stratosphère. L’air de la troposphère et de la stratosphère se mélange rarement.
Stratosphère
Les cendres et les gaz d’une grande éruption volcanique peuvent atteindre la stratosphère, la couche au-dessus de la troposphère. Une fois dans la stratosphère, il y reste suspendu pendant de nombreuses années car il y a si peu de mélange entre les deux couches. Les pilotes aiment voler dans les parties inférieures de la stratosphère car il y a peu de turbulence de l’air.
Dans la stratosphère, la température augmente avec l’altitude. Quelle est la source de chaleur de la stratosphère? La source de chaleur directe de la stratosphère est le Soleil. L’air dans la stratosphère est stable parce que l’air plus chaud et moins dense se trouve au-dessus de l’air plus frais et plus dense. En conséquence, il y a peu de mélange d’air dans la couche.
La couche d’ozone se trouve dans la stratosphère entre 15 et 30 km (9 à 19 miles) d’altitude. L’épaisseur de la couche d’ozone varie selon la saison et également selon la latitude. La couche d’ozone est extrêmement importante car l’ozone gazeux dans la stratosphère absorbe la plupart des rayons ultraviolets (UV) nocifs du Soleil. Pour cette raison, la couche d’ozone protège la vie sur Terre. La lumière UV à haute énergie pénètre dans les cellules et endommage l’ADN, entraînant la mort des cellules (que nous connaissons comme un mauvais coup de soleil). Les organismes sur Terre ne sont pas adaptés à une forte exposition aux UV, qui les tue ou les endommage. Sans la couche d’ozone pour réfléchir les rayons UVC et UVB, la vie la plus complexe sur Terre ne survivrait pas longtemps.
Mésosphère
Les températures dans la mésosphère diminuent avec l’altitude. Parce qu’il y a peu de molécules de gaz dans la mésosphère pour absorber le rayonnement solaire, la source de chaleur est la stratosphère en dessous. La mésosphère est extrêmement froide, surtout à son sommet, à environ −90 degrés C (−130 degrés F).
L’air dans la mésosphère a une densité extrêmement faible: 99,9% de la masse de l’atmosphère est en dessous de la mésosphère. En conséquence, la pression atmosphérique est très faible. Une personne voyageant dans la mésosphère subirait de graves brûlures dues à la lumière ultraviolette, car la couche d’ozone qui fournit une protection UV se trouve dans la stratosphère en dessous. Il n’y aurait presque pas d’oxygène pour respirer. Plus étrange encore, le sang d’un voyageur non protégé bouillirait à une température corporelle normale car la pression est si basse.
Thermosphère
La densité des molécules est si faible dans la thermosphère qu’une molécule de gaz peut parcourir environ 1 km avant d’entrer en collision avec une autre molécule. Étant donné que si peu d’énergie est transférée, l’air est très froid. Dans la thermosphère se trouve l’ionosphère. L’ionosphère tire son nom du rayonnement solaire qui ionise les molécules de gaz pour créer un ion chargé positivement et un ou plusieurs électrons chargés négativement. Les électrons libérés voyagent dans l’ionosphère sous forme de courants électriques. En raison des ions libres, l’ionosphère a de nombreuses caractéristiques intéressantes. La nuit, les ondes radio rebondissent sur l’ionosphère et reviennent sur Terre. C’est pourquoi vous pouvez souvent capter une station de radio AM loin de sa source la nuit.
Les ceintures de rayonnement de Van Allen sont deux zones en forme de beignet de particules hautement chargées qui sont situées au-delà de l’atmosphère dans la magnétosphère. Les particules proviennent des éruptions solaires et volent vers la Terre par le vent solaire. Une fois piégés par le champ magnétique terrestre, ils suivent les lignes de force magnétiques du champ. Ces lignes s’étendent du dessus de l’équateur jusqu’au pôle Nord et aussi au pôle Sud puis reviennent à l’équateur.
Lorsque des tempêtes solaires massives provoquent une surcharge des particules des ceintures de Van Allen, le résultat est la caractéristique la plus spectaculaire de l’ionosphère: les aurores nocturnes. Les particules spiralent le long des lignes de champ magnétique vers les pôles. Les particules chargées dynamisent les molécules d’oxygène et d’azote, les faisant s’allumer. Chaque gaz émet une couleur particulière de lumière.
Il n’y a pas de véritable limite extérieure à l’exosphère, la couche la plus externe de l’atmosphère; les molécules de gaz deviennent finalement si rares qu’à un moment donné il n’y en a plus. Au-delà de l’atmosphère se trouve le vent solaire. Le vent solaire est constitué de particules à grande vitesse, principalement des protons et des électrons, se déplaçant rapidement vers l’extérieur du Soleil.
