La formation de l’atmosphère

Suite à la formation de la Terre, l’atmosphère primaire de notre planète était composée essentiellement d’hydrogène et d’hélium. Cependant, cette première couche atmosphérique a rapidement été projetée dans l’espace par la chaleur provenant du Soleil.

Par la suite, une deuxième atmosphère s'est formée grâce à l’activité des volcans qui ont libéré des gaz sur Terre. Cette fois, le champ magnétique terrestre qui venait d'apparaître a protégé l’atmosphère de la Terre du vent solaire. Cette atmosphère secondaire était composée d’environ 80 % d’eau (H2O) et de quelques autres composants comme du dioxyde de carbone (CO2), du dioxyde de soufre (SO2), du diazote (N2) et de l’ammoniac (NH3).

Cette atmosphère primitive a changé au cours de l’histoire terrestre. Vers 3,8 milliards d’années, la Terre s'est refroidie et l’eau s'est condensée. En conséquence, la presque totalité de l’eau présente dans l’atmosphère est tombée sous forme de pluie. Cette averse mondiale s’est accumulée partout sur la planète : sous terre, dans les rivières, les lacs et les océans.

L’oxygène que nous respirons

Sans oxygène, nous ne pourrions respirer. De plus, ce composé permet la formation de l’ozone qui nous protège des rayons ultraviolets. C’est grâce à la couche d’ozone que la vie a pu émerger de l’eau sans se faire brûler par ces rayons.

Vers 3 milliards d’années, l’atmosphère ne contenait presque pas d’oxygène. C’est avec l’apparition de la vie, et plus particulièrement des cyanobactéries — les algues bleues — que la quantité d’oxygène dans l’air a commencé à augmenter. Ce sont les premiers organismes à avoir utilisé la photosynthèse.

Au départ, l’oxygène était capté par différents éléments comme le fer et pendant très longtemps, il s'est répandu dans l’atmosphère très lentement. Vers 2 milliards d’années, l’oxygène dans l’air équivalait à seulement 1 % de sa quantité actuelle.

Son augmentation était toutefois marquée lorsque sont apparues les algues photosynthétiques. Vers 425 millions d’années, la quantité d’oxygène est devenue très importante, atteignant 13 % du volume total de l'atmosphère. On pense même que vers 300 millions d’années, ce taux a grimpé jusqu’à 30 % pendant un bref moment pour ensuite redescendre à sa valeur actuelle de 21 %.

L’atmosphère actuelle

L’atmosphère est une « couche gazeuse qui enveloppe la Terre ainsi que d’autres astres » (l’Internaute). La composition de l’atmosphère sur Terre est le résultat des gaz volcaniques qui ont interagi avec les organismes vivants. L’air sec est composé principalement d’azote (78 %) et d’oxygène (21 %). Le 1 % restant est constitué de gaz divers en faible quantité.

Ce 1 % n’est pas moins important, au contraire. Par exemple, même s’il est présent en faible quantité, le très connu dioxyde de carbone (CO2) est un gaz à effet de serre qui régule la température planétaire. Son effet de serre piège la chaleur en empêchant les radiations infrarouges de sortir de l’atmosphère. En d’autres mots, l’énergie du Soleil est la bienvenue à son entrée sur Terre, mais on lui refuse la sortie.

En relâchant du CO2 dans l’atmosphère en trop grande quantité, l’activité humaine perturbe cet équilibre et provoque les changements climatiques.

L’humidité relative

Contrairement aux autres gaz, la vapeur d'eau dans l’air est très variable dans le temps et dans l'espace. L’humidité relative représente la différence entre la teneur en eau mesurée et la quantité maximale que l’air peut contenir dans des conditions données. Plus il fait chaud, plus la capacité de l’air à contenir de l’eau est élevée. Lorsqu’on parle d’une humidité relative de 100 %, cela signifie qu’à une température donnée, l’air contient la quantité maximale d’eau.

Son unicité dans le système solaire

Notre Terre n’est pas la seule planète du système solaire à avoir une atmosphère, mais sa composition est originale. L’atmosphère de Mercure est quasi inexistante en raison de sa masse trop petite et de sa proximité avec le Soleil. Il y a encore quelques traces d’hydrogène et d’hélium qui proviennent des vents solaires.

Les atmosphères de Vénus et de Mars sont majoritairement composées de dioxyde de carbone (CO2). Les atmosphères des quatre géantes gazeuses Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont principalement composées d’hydrogène et d’hélium ainsi que d’autres composants en petite quantité.

Les couches de l’atmosphère

Plus on est près de la surface, plus la pression de l’air est forte. À notre niveau, l’atmosphère est la plus dense. Ainsi, 99 % de celle-ci se trouve à moins de 50 km d’altitude. Plus on grimpe en altitude, plus l’atmosphère terrestre diminue en densité. Le plafond de notre atmosphère est situé à environ 10 000 km au-dessus de nos têtes.

On peut découper l’atmosphère en cinq couches. La troposphère est l’endroit où nous nous situons et elle est la plus basse de l’atmosphère. Elle s’élève jusqu’à 12 km d’altitude. Son épaisseur varie selon la latitude et les saisons. À la surface du globe, la température est en moyenne de 15 °C. Au sommet de la troposphère, la température chute progressivement jusqu’à -55 °C. Puisqu’il y a moins de friction avec l’air, c'est au sommet de cette couche que circulent les avions.

La stratosphère s’étend de 12 à 50 km d’altitude au-dessus de nos têtes. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, du bas vers le haut, la température augmente progressivement dans cette couche pour atteindre 0 °C à sa limite supérieure. C’est ici qu’on y trouve la couche d’ozone qui nous protège des rayons ultraviolets.

Ensuite, il y a la mésosphère qui couvre une zone de 50 à 85 km d’altitude. Cette fois, la température se met à chuter de nouveau pour atteindre -85 °C à son plus haut. La mésosphère n’est plus en mesure d’absorber beaucoup d’énergie solaire et c’est pour cette raison que la température baisse radicalement en s’éloignant de la surface terrestre. Les météores qui frappent la Terre commencent à se désintégrer dans la mésosphère. C’est ici qu’a lieu le phénomène des étoiles filantes.

La couche suivante est la thermosphère qui s’étend de 85 à 500 km. Cette couche contient moins de 1 % de la quantité totale des gaz atmosphériques. La température recommence à monter, mais étant donnée sa faible quantité de gaz, cette partie de l’atmosphère contient peu de chaleur et on ne la ressent plus. C’est dans cette zone que se produisent les aurores boréales et australes des régions polaires du globe.

Enfin, à l’extrémité de l’atmosphère se trouve l’exosphère qui s’étend au-delà des 500 km d’altitude pour atteindre plus de 10 000 km. La quantité de particules est devenue très rare. Nous sommes rendus à la limite de notre atmosphère. C’est dans cette couche que nos satellites sont placés en orbites autour de la Terre. À cet endroit, on est tout près du vide interstellaire.

Les frontières entre ces couches ne sont pas parfaitement distinctes. Il y a des zones de transition que l’on appelle respectivement la tropopause, la stratopause et la mésopause.

Un rôle protecteur

Notre atmosphère nous protège des objets célestes qui percutent la Terre chaque jour. On estime que 84 000 météorites s'écrasent sur Terre chaque année. En entrant dans la mésosphère, ils subissent des frottements très importants qui finissent par les réduire en poussières. Il arrive parfois que de grosses météorites se rendent jusqu’au sol.

En février 2013, le météorite Tcheliabinsk de 10 000 tonnes et de 17 mètres de diamètre a frappé la Russie. La spectaculaire onde de choc a fait voler en éclat des milliers de vitres. Après son passage dans l’atmosphère, il en restait un fragment principal de 1 255 livres. Il a été repêché dans le lac de Tchebarkoul où il a percé la glace à la manière d’un cratère. Sans la protection de notre atmosphère, les dégâts causés par ce météore auraient été bien plus désastreux.

Grâce à l’atmosphère, la vie a pu se développer sur Terre. Elle maintient une température stable sur notre globe. En son absence, les températures seraient brûlantes le jour et glaciales la nuit.

Comme nous l’avons évoqué, l’atmosphère terrestre nous protège des particules émises par le Soleil. Le rôle de la couche d’ozone est si important qu’il nécessite à lieu seul la rédaction d’un article sur le sujet. À suivre...

 

 

Références

Allô prof Centre national de la recherche scientifique

Direct Matin

Éducation Météo France

L’internaute

Le Figaro

Le système solaire (Marcus Chown) Place des Victoires

Météo 45 Physique Chimie Collège Planet-Terre - ENS de Lyon

Science étonnante

Terre, portrait d’une planète (Stephen Marshak) De boeck