Le climat – Troisième épisode – L’atmosphère et le climat

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Chère lectrice, cher lecteur, nous voici déjà dans l’épisode 3 des articles sur le climat et je vais décrire ici les effets liés à l’atmosphère sur le climat. Mais pour commencer en musique (ou du moins avec l’image et le son 🙂 ), revoyons d’abord ce qu’est l’effet de serre et quels sont les gaz à effet de serre. Nous décrirons alors comment l’atmosphère a évolué depuis les origines.

On pense que l’atmosphère terrestre primitive se composait principalement d’hydrogène et d’hélium dans des proportions d’environ 2 : 1. Cette atmosphère primitive a disparu en raison : 1) des températures de surface élevées qui prévalaient à l’époque, conduisant à la perte relativement rapide des gaz de faible poids moléculaire dans l’espace et 2) de l’action de piégeage du rayonnement intense et du flux de particules provenant du jeune Soleil dans sa phase ‘T Tauri’, qui fit disparaitre les molécules plus lourdes également.

Plus tard, une atmosphère secondaire a été produite lorsque les gaz ont été expulsés de l’intérieur de la planète. Sa composition était probablement similaire à celle qui est encore libérée par les volcans à l’heure actuelle (principalement de l’H20, avec un faible pourcentage de C02 et de S02, plus de plus petites quantités de CO, S, Cl2, N2 et H2) et des quantités inconnues, mais probablement significatives, de substances volatiles comme le NH3 (ammoniac) et le CH4 (méthane).

La vapeur d’eau se condensa lorsque la planète se refroidit et forma l’océan ; de l’oxygène fut produit par photosynthèse et de l’ozone par photochimie, le tout équilibré par l’échappement continu de gaz légers du haut de l’atmosphère, l’élimination du dioxyde de carbone par la formation de fossiles et la perte d’oxygène par des processus d’oxydation. C’est l’équilibre que nous constatons aujourd’hui.

Ouahhh, que de choses se sont déroulées depuis les origines ! Mais il y a plus … 🙂

Il y a une structure verticale de la température dans l’atmosphère, pourquoi, comment cela s’est-il produit ?

Je vous propose ici trois vidéos qui expliquent quelques concepts thermodynamiques (ou de mécanique des fluides) utiles pour comprendre ce qu’il se passe dans l’atmosphère. Si vous êtes allergiques aux mathématiques, passez simplement votre chemin et retrouvons nous en bas de chaque vidéo pour un résumé en 1 ligne de cette vidéo 🙂

Commençons par voir et comprendre pourquoi il y a une variation de pression avec l’altitude dans l’atmosphère.

Variation de pression avec l’altitude

La pression diminue donc de façon exponentielle avec l’altitude z dans l’atmosphère. C’est d’ailleurs ce qui permet aux avions de savoir à quelle altitude ils sont …

Ensuite, voyons comment le premier principe de la thermodynamique, mis sous forme adéquate pour étudier les transformation isobares (même pression) dans l’atmosphère nous permet de déterminer la variation de température avec l’altitude dans la troposphère.

1er principe de la thermodynamique pour étudier les phénomènes ayant lieu dans l’atmosphère
Variation de température avec l’altitude dans la troposphère

La température diminue donc avec l’altitude à une vitesse de 10°C (ou 10 K) par km, si l’air est sec, dans la troposphère. Brrr, il ne fait pas bon monter trop haut. L’Himalaya, très peu pour moi … 🙂

La structure verticale moyenne de la température de l’atmosphère résulte de l’équilibre entre le chauffage et le refroidissement à différents niveaux est illustré ici :

Variation de température et de pression avec l’altitude dans l’atmosphère

La séparation en grandes régions par la tendance générale à la hausse et la baisse des températures a conduit à l’attribution de noms à ces régions. Ainsi, les 10 km les plus bas, où la température baisse avec l’altitude, à une vitesse à peu près constante, est connue sous le nom de troposphère. ‘Tropos’ vient du mot grec qui signifie « tourner », une référence à l’importance des mouvements convectifs pour le transport vertical de la chaleur.

Convection – pour une poêle et dans l’atmosphère

Rappelons que le gradient adiabatique de la température par rapport à la hauteur, qui est juste stable vis-à-vis de la convection, peut être calculé simplement et vaut environ 10 K km-1, la valeur exacte dependant de la composition, et en particulier de l’humidité.

Au sommet de la troposphère (la tropopause), la température tend à devenir invariante avec la hauteur et l’atmosphère est stratifiée de façon stable (c.-à-d. que les couches d’air n’ont pas tendance à se déplacer ni vers le haut ni vers le bas), d’où le nom de stratosphère pour cette région.

Pour quelle raison ?

La principale différence entre la stratosphère et la troposphère est que, au-dessus de la tropopause, du à une densité atmosphérique plus faible, le rayonnement infrarouge est plus efficace que la dynamique de transfert vertical d’énergie, de sorte que la convection est supprimée. Un mouvement vertical de l’air se produit dans la stratosphère, bien sûr, généralement à cause des flux d’air et de la turbulence, mais pas aussi vigoureusement qu’en dessous de la tropopause, et dans des zones plus limitées.

Plus haut dans la stratosphère, la température recommence à augmenter et, au niveau de la stratopause, la température est presque revenue à la valeur de surface. Le réchauffement responsable de ce comportement est dû en grande partie à l’absorption de rayonnement à courte longueur d’onde provenant du Soleil, principalement dans la partie UV du spectre, et particulièrement par l’ozone. Evidemment, plus la densité diminue, moins l’absorption est importante et la température baisse également, atteignant sa valeur la plus basse (moins de 200K) près d’une altitude d’environ 80 km.

Cette zone où la température baisse continument est appelée la mésosphère. Assez confusément, puisque méso signifie moyen, la stratosphère et la mésosphère sont maintenant collectivement connues sous le nom d’atmosphère moyenne. De plus, l’expression  » basse atmosphère  » est utilisée pour désigner la troposphère et  » haute atmosphère” est utilisé pour tout ce qui est au-dessus de la mésopause.

La haute atmosphère présente des températures très élevées en raison de l’énergie libérée lors de la dissociation des molécules et des atomes atmosphériques sous l’influence des photons solaires énergétiques et des particules de rayons solaires et cosmiques.

Des couches de particules chargées (l’ionosphère) existent également. Bien qu’un peu de physique intéressante s’y trouve, cette région est trop faible en densité pour être d’une grande importance au niveau du bilan énergétique de la Terre ou du climat présent à la surface de la Terre.

On a donc vu jusqu’ici que des variations de pression, de composition et de température existent dans l’atmosphère. Quelle est la résultante de tous ces effets sur la dynamique de l’atmosphère ?

Dans toute l’atmosphère basse et moyenne, la pression varie en fonction de la hauteur. selon les lois familières de l’hydrostatique, comme je l’ai décrit ci plus haut. L’équation hydrostatique prédit que la pression diminue exponentiellement avec la hauteur dans une atmosphère isotherme. De fait, même lorsque les variations de température réelles décrites ci-dessus sont prises en compte, la diminution exponentielle de pression en fonction de la hauteur reste à peu près vraie.

À l’exception de la vapeur d’eau, la composition de la basse atmosphère est à peu près constante partout, puisque les autres constituants principaux (azote, oxygène, dioxyde de carbone et argon) sont en grande partie chimiquement inactifs et ne se condensent pas. Bien que l’oxygène soit important pour la formation d’ozone et que certains composés azotés soient actifs dans le cycle chimique qui détruit l’ozone, la fraction totale des atomes de N et 0 impliqués dans ces réactions est très faible par rapport à ceux qui composent la majeure partie de l’atmosphère sous forme de N2 et 02, de sorte que les abondances de ces derniers restent effectivement constantes.

D’autre part, les constituants mineurs de l’atmosphère peuvent être présents en quantité extrêmement variables et ont un rôle très important dans la physique du climat. La vapeur d’eau  est un puissant absorbeur de rayonnement infrarouge (c’est donc un gaz à effet de serre) et, bien sûr, le niveau d’humidité est un facteur clé dans la production de nuages et du transfert de chaleur latente. Les autres gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane sont également des constituants mineurs de l’atmosphère, qui représentent beaucoup moins d’un pour cent du total. Quelques cycles chimiques ayant lieu dans l’atmosphère, comme ceux qui forment et appauvrissent la couche d’ozone stratosphérique, impliquent des gaz qui ne sont présents qu’en parties par million ou en parties par milliards, voire moins …

Par ailleurs, la structure de la température atmosphérique présente des variations, non seulement avec la hauteur, mais aussi avec la latitude et la saison. La figure ci-dessous montre une coupe transversale latitude-altitude de la température moyenne annuelle. 

Remarquons comment la hauteur de la tropopause varie en fonction de la latitude, étant plus élevée dans les régions équatoriales. Elle se trouve à son point le plus bas, souvent à moins de 8 km de la surface, aux latitudes élevées en hiver, et à son plus haut niveau au-dessus de l’Asie du Sud-Est, lors de la mousson d’été, où elle atteint parfois des sommets supérieurs à 18 km. Étant donné que la vitesse à laquelle la température baisse avec l’altitude est à peu près constante partout dans la troposphère, cela signifie que la tropopause est la plus froide dans les tropiques.

La tropopause est une surface dynamique qui peut se déformer et se  » plier « , ce qui apporte de l’air stratosphérique riche en ozone dans la troposphère, et parfois jusqu’à la surface, surtout pendant l’hiver polaire du nord. Le transfert dans la direction opposée se produit principalement dans les tropiques, qui ont les températures de surface les plus élevées et les vitesses de chauffe les plus rapides. Le transfert de la chaleur et de l’humidité vers le haut par convection y est particulièrement vigoureux. L’activité orageuse qui en résulte peut se manifester dans toute la tropopause, ce qui entraîne le transfert de grandes parcelles d’air dans la stratosphère. Il s’agit probablement du principal mécanisme de transfert de l’air troposphérique pollué, y compris les composés chlorés nocifs pour la couche d’ozone, dans la stratosphère.

Voila voila, j’en ai fini pour cet article 🙂 J’espère que vous l’avez aimé. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

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