Science et technologie de l'environnement CHAPITRE 7 L ATMOSPHÈRE ET L ESPACE 1 L ATMOSPHÈRE 1.1 Sa composition: L'atmosphère terrestre, en partie l'air que nous respirons, est constituée des gaz suivants : L'air est essentiellement constitué d'azote (~80 %) et d'oxygène (~20 %). Cette couche de différents gaz empêche plusieurs rayons néfastes, comme les UV, de se rendre jusqu à nous; ils empêchent les grands écarts de température à la surface de notre planète; les êtres vivants s y sont adaptés, surtout pour l O 2 et le CO 2. 1.2 Ses couches: L'atmosphère est constituée de couches se succédant depuis le sol vers l'espace. La troposphère va du sol jusqu'à une altitude d'environ 8 km aux pôles et 15 km à l'équateur. C'est dans cette couche, la plus dense, que la majorité des phénomènes météo se produisent. La température diminue à un rythme d'environ 6 o C par kilomètre au fur et à mesure que l'on monte dans la troposphère. rbreton-st et STE 1
La stratosphère va jusqu'à 50 km. La température dans cette partie de l'atmosphère est constante et croît même légèrement pour atteindre -3 o C en altitude. Ce phénomène est dû à l'absorption des rayons ultraviolets par la couche d'ozone qui se situe dans cette zone. La troposphère et la stratosphère contiennent 90 % de l'air constituant l'atmosphère terrestre. La mésosphère s'étend jusqu'à 85 km. Comme dans le cas de la troposphère, la température décroît avec l'altitude pour atteindre -93 o C. La thermosphère s'étend jusqu'à 500 ou 600 km du sol. À cette altitude, les gaz constituants de l'atmosphère sont extrêmement raréfiés et les températures peuvent atteindre des valeurs avoisinant les 1 700 o C dans sa partie supérieure, notamment en raison du rayonnement intense émis par le Soleil qui y est converti en chaleur. C'est dans cette couche qu'évoluent les orbiteurs, comme la navette spatiale, ainsi que les stations orbitales. 1.3 Sa pression: Au niveau de la mer, la pression atmosphérique (le poids de l'air «audessus») rapportée par un baromètre est d'environ 101 kpa. Au sommet du mont Everest, à 8 850 mètres d'altitude, le même baromètre indiquerait environ 31 kpa. rbreton-st et STE 2
Cette chute radicale de pression s'explique par le fait que la portion d'atmosphère au-dessus de nous diminue avec l'altitude et que la densité de l'air diminue en altitude. Puisque la gravité «tire» l'atmosphère vers le bas et que celle-ci est composée de gaz compressibles, l'air au niveau du sol est plus comprimé que celui qu'on retrouve seulement quelques milliers de mètres plus haut. À la limite supérieure de l'atmosphère, la pression tend vers zéro. 1.4 Sa circulation: L air chaud des régions tropicales (zones de basse pression ou de masse volumique faible) s élève en altitude et vers les pôles; cet air se refroidit et sa masse volumique augmente: l air froid redescend (zone de haute pression). Par l effet de Coriolis, ces courants aériens sont déviés vers la droite au Nord et vers la gauche au Sud. Ces vents forment des boucles de circulation, ou cellules: Nous ne sentons pas vraiment la pression de l'atmosphère sur nous parce que nous y sommes habitués. En revanche, notre corps est sensible aux changements subits de pression, notamment lors des décollages et des atterrissages en avion ou même lors de voyages rapides en ascenseur (on sent alors nos oreilles se boucher). Cette pression à laquelle nous sommes habitués est nécessaire au bon fonctionnement de notre organisme. Les alpinistes le savent et, pour atteindre le sommet de l'everest, ils prennent soin d'apporter l'équipement nécessaire pour contrecarrer la raréfaction de l'air et la baisse de pression. la cellule de Hadley entre l équateur et le 30e parallèle avec ses vents dominants, les alizés; la cellule de Ferrel, entre le 30e et le 60e avec ses vents dominants d ouest; puis la cellule polaire, avec ses vents dominants d est. L interaction entre les cellules crée les courants-jets, en haute altitude: le courant-jet polaire, le courant-jet subtropical, tous les deux d ouest en est. rbreton-st et STE 3
1.5 Ses masses d air: Pour l Amérique du Nord, 6 grandes masses d air influences les conditions météorologiques: les 3 masses maritimes sont plutôt chargées d humidité, contrairement aux 3 masses continentales. maritime polaire continentale polaire maritime polaire maritime tropicale continentale tropicale maritime tropicale rbreton-st et STE 4
Ses masses voyagent, poussées par les vents dominants et lorsqu elles se rencontrent, elles forment un front, ou zone de transition entre ses deux masses. C est un front chaud lorsque l'air chaud progresse vers une zone d'air froid. Comme l'air chaud est moins dense, il glisse au-dessus de l'air froid et provoque la formation des nuages en s'élevant. Souvent, des pluies prolongées précèdent (devancent) le déplacement d'un front chaud. C est un front froid, lorsque l'air froid s'avance vers une masse d'air chaud. Plus dense, l'air froid glisse sous la masse d'air chaud. Il y a encore formation de nuages, suivie de fortes pluies de courte durée, voire d'orage, puis le temps se dégage, avec alternance d'averses et d'éclaircies. C'est ce que l'on appelle un ciel de traîne. On parle d'occlusion lorsqu'un front froid rattrappe un front chaud. La masse d'air froid soulève la masse d'air chaud qui finit par ne plus être en contact avec le sol. Il se produit alors des chutes de pluies régulières suivies en général d'éclaircies. rbreton-st et STE 5
1.6 Ses anticyclones et ses dépressions: Avec l air froid, l agitation des particules d air diminue, donc la distance entre ces particules diminue et de ce fait, masse volumique augmente: l air froid est plus lourd, ce qui crée une zone de haute pression: c est l anticyclone. L air descendant ne génère pas de nuages. A D Avec l air chaud, l agitation des particules d air augmente, donc la distance entre ces particules augmente et de ce fait, masse volumique diminue: l air chaud est plus léger, ce qui crée une zone de basse pression: c est la dépression. L air ascendant génère des nuages. rbreton-st et STE 6
1.7 L effet de serre: C est le lien entre l'atmosphère terrestre et une serre destinée à abriter des plantes. Les parois vitrées de la serre laissent entrer les rayonnements visible et UV du soleil mais réfléchissent les rayonnements infrarouges, cause importante des pertes thermiques de tout corps. Le verre de la serre joue donc un rôle semblable à celui de l'atmosphère, qui contient les gaz à effet de serre. Ce n'est donc pas l'effet de serre qui pose problème mais son augmentation. Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, environ 28,3 % est directement réfléchi, c'està-dire renvoyé vers l'espace, par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre, en particulier les régions blanches et glacées comme l'arctique et l'antarctique. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et/ou la surface terrestre (51 %). Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur, qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges. Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre, ce qui réchauffe l'atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre. C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui constitue l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100 C. L'effet de serre est absolument indispensable à la vie sur terre, il nous permet une température moyenne de 15 C. rbreton-st et STE 7
1.8 La couche d ozone: O 3 est plus concentré dans la stratosphère, formant une sorte de couche. Ce gaz réagit fortement en présence de rayons UV provenant du soleil: les molécules se chargent de l énergie de ces rayons, qui ne rejoignent plus la surface terrestre. Certains produits, comme les CFC, peuvent atteindre la stratosphère et changer les molécules d ozone, qui ne réagissent plus avec les UV, laissant ces derniers pénétrer l atmosphère. L amincissement de la couche d ozone (et non pas un «trou»), principalement au niveau des pôles, a amené le protocole de Montréal, en 1987, visant la fin de l utilisation mondiale des CFC. 1.9 Le smog: Le terme smog («smoke» et «fog») décrit le mélange de brouillard et de fumée qui est le résultat de la condensation de l'eau (le brouillard) sur des poussières en suspension et de la présence d'ozone dans la troposphère. La fumée est produite en grande partie par la combustion des combustbles fossiles et est composée de gaz sulfureux (comme le SO2)) en plus de poussières sur lesquelles se condense la vapeur d'eau contenue dans le brouillard. La combustion, comme le chauffage au bois résidentiel et les feux de toutes sortes, se rajoute à celle des combustibles fossiles dans la formation du smog hivernal. Dans le cas de l'ozone, il s'agit plutôt d'une réaction photochimique, impliquant les rayons solaires, formant le smog photochimique, très toxique. rbreton-st et STE 8
2 L ACTION DU SOLEIL ET DE LA LUNE SUR LA TERRE: 2.1 L énergie venant du Soleil: Le Soleil est l étoile centrale du système solaire et dans la classification, c est une étoile de type naine jaune (à T au-dessus de la moyenne) et composée d hydrogène (74 % de la masse ou 92,1 % du volume) et d hélium (24 % de la masse ou 7,8 % du volume). Le Soleil représente à lui seul 99,86 % de la masse du système solaire (Jupiter représente plus des deux tiers de tout le reste). Les réactions de fusion nucléaire (et non pas de la combustion) produite les ondes électromagnétiques (tout le spectres). Toutefois, la lumière visible, les infrarouges et les ultraviolets sont les ondes qui nous atteignent le plus à la surface de la Terre. L énergie solaire est illimitée et il suffit de la capter pour la transférer et la transformer. Les systèmes de chauffage passifs, l écoconstruction, les cellules photovoltaïques et les capteurs solaires sont de bons exemples d une technologie à développer. rbreton-st et STE 9
2.2 Le système Terre-Lune: La marée est le mouvement montant (flux) puis descendant (reflux) des eaux causé par l'effet des forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Le niveau le plus élevé atteint par la mer au cours d'un cycle de marée est appelé «marée haute» et le niveau le plus bas se nomme «marée basse». Selon l'endroit de la Terre, le cycle du flux et du reflux peut avoir lieu une fois (marée diurne) ou deux fois par jour (marée semi-diurne). Lors de la pleine Lune et de la nouvelle Lune, c'est-à-dire lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont sensiblement dans le même axe (on parle de syzygie), ils agissent ensemble et les marées sont de plus grande amplitude (vives-eaux). Au contraire, lors du premier et du dernier quartier, l'amplitude est plus faible (mortes-eaux). Ce mouvement de marée n'est pas limité aux eaux, mais affecte toute la croute terrestre («marées crustales»), bien que dans une moindre mesure. L énergie produite par ces mouvements journaliers peut être captée; c est l énergie marémotrice. rbreton-st et STE 10