1.2 L’atmosphère terrestre
1.2.1 Structure verticale de l’atmosphère
L’atmosphère est divisée en plusieurs couches d’importances variables, leurs limites ayant été fixées selon les discontinuités dans les variations de la température en fonction de l’altitude. De haut en bas on distinguera donc l’exosphère, la thermosphère, la mésosphère, la stratosphère, la troposphère et la couche limite atmosphérique (cf. Fig. 1.1).
1.2.1.1 L’exosphère
L’exosphère est une couche allant de 350–800 à 50 000 km d’altitude. Cette couche se définit comme la région de l’atmosphère où les collisions entre particules sont rares et considérées comme négligeables. En effet la densité de particules y est extrêmement faible, celle-ci est de l’ordre de 106 par centimètre cube à environ 700 km d’altitude, et à
5 000 km d’altitude celle-ci n’est plus que de l’ordre de 100 par centimètre cube, densité équivalente à celle du milieu interplanétaire. Les atomes s’y comportent donc librement, certains s’échappent même dans l’espace, c’est pourquoi la zone située à cette altitude est également appelée le niveau d’échappement. Un des grands intérêts de l’exosphère réside dans l’exceptionnelle capacité de durée de vie des satellites placés dans ses couches les plus hautes. En effet, en ne considérant que les frottements dus à l’atmosphère, les satellites dans l’exosphère pourraient rester en orbite des centaines, voire des milliers d’années, alors que les satellites qui évoluent à une altitude moindre, de l’ordre de 300 kilomètres (thermosphère),
Figure1.1 – Schéma représentant la structure de l’atmosphère terrestre, divisée en couche en fonction du gradient de température.
subissent un freinage permanent non négligeable. C’est dans l’exosphère que l’on trouve les satellites en orbite géostationnaire (36 000 km d’altitude, cf. section 1.5.2.2).
1.2.1.2 La thermosphère
La thermosphère, juste au-dessous de l’exosphère, est une couche où la température croît avec l’altitude (de 80 à 350–800 km d’altitude). Dans cette couche (et dans l’exo- sphère), contrairement aux couches inférieures, la composition de l’air n’est plus uniforme, le brassage de l’air n’étant plus suffisant pour maintenir la distribution de mélange.
Entre 100 et 150 kilomètres d’altitude, le dioxygène moléculaire absorbe l’ultraviolet solaire de très courtes longueurs d’onde (entre 100 et 200 nm). En résulte une augmentation de température avec l’altitude qui oscille entre 300 °C et 1 600 °C selon l’activité solaire. Après absorption du rayon ultraviolet, la molécule de dioxygène se disloque en deux atomes d’oxygène, ce qui explique que l’oxygène atomique devienne le constituant principal de la thermosphère. C’est dans cette couche que volent les satellites en orbites basses (cf. section 1.5.2.2) qui, pour pouvoir réaliser des mesures des constituants chimiques proches de la surface, doivent sonder à travers toutes les couches atmosphériques inférieures, détaillées ci-après.
32 1.2. L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE
1.2.1.3 La mésosphère
Au-dessous de la thermosphère se trouve la mésosphère, dans cette couche la tempéra- ture décroît avec l’altitude (de 50 à 80 km d’altitude) jusqu’à -80 °C. Elle est considérée comme étant une zone de transition entre la Terre et l’espace. En y pénétrant, pour des- cendre sur Terre, les météorites, satellites, etc s’échauffent contre les quelques particules d’air qu’ils rencontrent et sont détruits avant d’atteindre le sol, sauf pour les plus grosses pièces. Les vaisseaux habités, navettes spatiales, capsules Soyouz, doivent être protégés pour pouvoir passer cette couche qui va les freiner pour atteindre le sol en douceur.
1.2.1.4 La stratosphère
La stratosphère est la couche située au-dessous de la mésosphère. Dans cette couche la température, cette fois-ci, croît avec l’altitude jusqu’à 0°C. La stratosphère s’étend de 8–15 km d’altitude jusqu’à environ 50 km d’altitude et contient à peu près 90 % de la couche d’ozone.
L’ozone (O3) de la stratosphère terrestre est créé par les rayons ultraviolets frappant les molécules de dioxygène (O2), séparant ainsi ces dernières en deux atomes distincts. Les
atomes d’oxygène ainsi produits se combinent ensuite avec une molécule de dioxygène pour produire l’ozone. L’ozone est instable (bien que, dans la stratosphère, sa durée de vie soit plus longue), ainsi lorsqu’un rayon ultraviolet frappe une molécule d’ozone cette dernière est séparée à nouveau en dioxygène et en oxygène atomique. Ce processus continu s’appelle le cycle ozone-oxygène, et est le processus principalement à l’origine de l’augmentation de la température dans la stratosphère. Les concentrations d’ozone sont les plus élevées entre 20 et 40 km d’altitude, où elles atteignent des valeurs allant de 2 à 8 ppmv (partie par million par unité de volume, c’est à dire que pour 1 million de molécules d’air on a 2 à 8 molécules d’ozone). Dans la stratosphère, contrairement à l’ozone troposphérique qui est formé à partir d’un mécanisme différent (cf. section 1.3.3), l’ozone est loin d’être considéré comme un polluant puisqu’il joue un rôle essentiel dans la protection de la vie sur Terre en servant de bouclier contre le rayonnement UV. En effet le rayonnement UV peut être classé en 3 catégories :
— Les UV-A, de 315 à 400 nm, ce rayonnement est peu filtré par la couche d’ozone et 95 à 98 % des rayons vont atteindre la surface. Ces rayons sont responsables du bronzage immédiat et du vieillissement de la peau, ils peuvent également avoir un effet cancérigène.
— Les UV-B, de 280 à 315 nm, ce rayonnement est largement filtré par la couche d’ozone et seul 2 à 5 % de ces rayons vont atteindre la surface. Ces rayons sont responsables du bronzage à retardement et des coups de soleil, ils favorisent également le vieillissement de la peau et l’apparition de cancers de la peau.
— Les UV-C, de 200 à 280 nm, ce rayonnement est intégralement filtré par la couche d’ozone, ce qui est heureux puisqu’il a la propriété de casser les brins d’ADN.
1.2.1.5 La troposphère
La troposphère est la couche partant de la surface jusqu’à environ 7–16 km d’altitude, sachant que le sommet de cette couche varie entre 13 et 16 km à l’équateur, mais entre 7 et 8 km aux pôles, avec des variations dues aux conditions climatiques. Elle est définie par son gradient de température qui décroît avec l’altitude. Également, la troposphère contient 80 à 90 % de la masse totale de l’air et la quasi-totalité de la vapeur d’eau. C’est dans cette couche que se produisent les phénomènes météorologiques tels que les nuages, la pluie, etc et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux induits par la convection ther- mique et les vents.
Le mélange vertical de la troposphère est assuré par le réchauffement solaire. Ce ré- chauffement couplé à l’évaporation rend l’air moins dense, ce qui le fait remonter. Quand l’air monte, la pression au-dessus de lui décroît, par conséquent il s’étend, s’opposant à la pression de l’air environnant. Or, pour s’étendre, de l’énergie est nécessaire, donc la tem- pérature et la masse de l’air décroissent. Comme la température diminue, la vapeur d’eau dans la masse d’air peut se condenser ou se solidifier, relâchant la chaleur latente permet- tant une nouvelle élévation de la masse d’air. Ce processus détermine le gradient maximal de baisse de la température avec l’altitude, appelé gradient thermique adiabatique.
1.2.1.6 La couche limite atmosphérique
En s’intéressant à nouveau à la troposphère, on peut diviser cette dernière en deux couches distinctes (cf. Fig. 1.2) :
— La couche limite atmosphérique, c’est à dire la zone de l’atmosphère où le frottement produit par la surface (terre ou mer) ralentit le déplacement de l’air.
— La troposphère libre qui est a contrario la zone dans laquelle le frottement produit par la surface devient négligeable.
L’épaisseur de la couche limite atmosphérique est très variable selon la stabilité de l’air et la rugosité de la surface, avec une forte influence du cycle diurne et le réchauffement associé. De jour, elle est généralement convective et favorise le mélange des constituants chimiques présents, son épaisseur varie de 1 à 2 km, en fonction de l’ensoleillement, de la saison et de la latitude. Elle est plus basse en hiver qu’en été. Exceptionnellement elle peut atteindre 4 à 5 km d’épaisseur par exemple au-dessus du Sahara. De nuit, elle n’est plus convective et varie entre 100 et 300 m d’épaisseur, en fonction du vent et du refroidisse- ment en surface. Au-dessus de l’océan, elle est plus régulière, sans cycle diurne prononcé, en général épaisse de 500 et 1000 m, en fonction de la position des premiers nuages.
De part la présence de la surface sous-jacente (continent ou océan), le vent y est plus ou moins freiné et l’atmosphère est turbulente. Le rayonnement solaire arrivant en surface le jour chauffe celle-ci et réchauffe donc l’air de la couche limite atmosphérique. La nuit au contraire, il y fait plus froid. C’est bien sûr ce que l’on ressent tous les jours, mais il faut noter que plus haut dans l’atmosphère, au-dessus de la couche limite, ce cycle diurne n’est plus vraiment sensible. L’évaporation de la mer ou de l’eau du sol par les plantes humidifie
34 1.2. L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE
l’air dans la couche limite atmosphérique, puis celui-ci est brassé par la turbulence, ce qui conduit souvent à y observer des nuages à son sommet.
Figure1.2 – Schéma représentant la variation de l’épaisseur de la couche limite atmosphé- rique durant le cycle diurne. Adaptation d’après Stull (1988).
La couche limite atmosphérique est la couche dans laquelle nous vivons, dans laquelle nous respirons, par conséquent l’étude et la compréhension des phénomènes se déroulant dans cette couche sont de première importance, notamment pour l’étude de la qualité de l’air. Les polluants primaires émis à la surface et les polluants secondaires qui se forment dans cette couche, comme par exemple l’ozone, sont fortement mélangés par le transport turbulent. Ainsi la couche limite atmosphérique est une couche homogène.
Dans le cadre de l’étude de la qualité de l’air et de sa mesure, nous nous intéressons ainsi tout particulièrement aux concentrations de polluants dans la couche limite atmosphérique (approximée comme étant la couche entre 0 et 1 km d’altitude).