L'atmosphère de la Terre vue depuis l'espace.

De quoi l'atmosphère a l'air

La troposphère. 
La couche la plus basse est la troposphère.  C'est elle qui est le siège des phénomènes météorologiques (vents, précipitations, nuages, etc.).  Elle s'étend du niveau du sol et de la mer jusqu'à à une altitude d'une dizaine de kilomètres. C'est l'altitude à laquelle volent les avions de ligne. En fait, son épaisseur est variable selon la latitude : elle atteint un peu plus d'une quinzaine de kilomètres à l'équateur et elle est moitié moins épaisse aux pôles. La troposphère referme les trois quarts de la masse de l'atmosphère. La température de la troposphère diminue avec l'altitude : elle est à sa base en moyenne de 15°C, et tombe à -50 °C à son sommet, appelé la tropopause.

La gravité, combinée à la compressibilité de l'air, fait chuter la densité de l'atmosphère de façon exponentielle avec l'altitude, de sorte que la troposphère terrestre contient 80% de la masse de l'atmosphère et la plupart de la vapeur d'eau , et par conséquent la plupart des nuages. À l'intérieur de cette région, de grands mouvements de convection ont lieu : en basse altitude, l'air chauffé par la surface monte; en altitude, il se refroidit et redescend. Cette circulation génère des nuages, des précipitations et du vent. 

La stratosphère. 
Par comparaison avec la troposphère, la stratosphère est un couche calme. La persistance de couches minces d'aérosol et le séjour de longue durée de certains radio-nucléides issus des explosions nucléaires atmosphériques entre 1945 et 1996 sont des témoins directs directe de l'absence de mélange dans cette région de l'atmosphère. 

La stratosphère s'étend au dessus de la troposphère jusqu'à une altitude d'environ 50 km  au-dessus du niveau de la mer. La baisse presque adiabatique de la température avec l'altitude dans la troposphère terrestre laisse place ici à une augmentation de la température avec l'altitude. La température est de -3 °C au sommet de la stratosphère (stratopause). 

La source de chauffage dans la stratosphère terrestre est la photochimie de l'ozone ou trioxygène (O3), qui culmine à environ 25 km. L'ozone absorbe la lumière ultraviolette (UV) et en dessous d'environ 75 km, presque tout ce rayonnement est converti en énergie thermique. L'ozone est produit principalement au-dessus de l'équateur, mais ses plus grandes concentrations se trouvent au-dessus des pôles, ce qui signifie que pour le budget de l'ozone la dynamique est aussi importante que la chimie. 

Dans la troposphère, la vapeur d'eau, qui représente jusqu'à 1% environ de l'air, varie spatialement et diminue en effet rapidement avec l'altitude. Le rapport de mélange de la vapeur d'eau dans la stratosphère et au-dessus est inférieur de près de 4 ordres de grandeur à celui de la troposphère inférieure tropicale. Des nuages peuvent cependant se former dans la stratosphère (voire dans la mésosphère), au-dessus des pôles.
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La mésosphère.
C'est une couche de l'atmosphère qui s'étend jusqu'à environ 80 km d'altitude (mésopause) . Les températures baissent de nouveau, mais plus lentement que dans la troposphère. C'est au niveau de la mésopause que sont atteintes les températures les plus basses, environ -130 °C. Cette chute s'explique parce que dans la mésosphère  il y a moins de chauffage par l'ozone et l'émission dans l'espace par le dioxyde de carbone est un mécanisme de refroidissement efficace. Cette couche peut d'ailleurs être considérée comme marquant la transition entre ce qui constitue l'essentiel de l'atmosphère terrestre et ce qu'il est convenu d'appeler l'espace. C'est au niveau de la mésosphère qu'à cause de la friction avec les molécules atmosphériques, les météoroïdes rencontrant la Terre subissent un échauffement tel qu'ils deviennent lumineux pour donner lieu au phénomène des étoiles filantes. La stratosphère et la mésosphère de la Terre sont souvent appelées collectivement l'atmosphère moyenne. Les couches qui se trouvent au-delà de la mésosphère sont très peu denses.

La thermosphère. 
Il s'agit de la couche qui s'étend de 80 km à 500 ou 600 km au-dessus de la surface de la Terre. Comme c'est le cas pour l'ozone dans la stratosphère terrestre, au-dessus de la mésopause, l'oxygène atomique et moléculaire absorbe fortement le rayonnement UV solaire et chauffe l'atmosphère. La température augmente progressivement avec l'altitude, atteignant une valeur maximale de 1700 °C, mais cette valeur varie selon  l'activité solaire et peut être sensiblement inférieure. 

Tout comme dans la stratosphère, la thermosphère est stable au mélange vertical. À environ 120 km, la diffusion moléculaire devient plus importante que le mélange turbulent, et cette altitude est appelée homopause (ou turbopause).  La diffusion moléculaire dépend de la masse et chaque espèce chimique chute de façon exponentielle selon sa propre hauteur d'échelle, autrement dit la distance sur laquelle sa densité diminue d'un facteur e (= 2,718...), conduisant à une différentiation élémentaire qui augmente l'abondance des espèces les plus légères au sommet de l'atmosphère.

Ainsi, jusqu'à une altitude d'environ 80 km, l'atmosphère terrestre était composée, en volume, de 78% d'azote (N2), de 21% de dioxygène (O2), de 0,9% d'Argon (Ar) et de 0,002% de Néon (Ne); on y trouvait en outre des traces de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d'eau (H2O), de méthane (CH4) et de nombreux autres composés, ainsi que des quantités variables de particules de poussière et de gouttelettes d'eau en suspension dans l'air. Ce sont les proportions que l'on donne ordinairement pour la composition de l'air. Mais à partir de la thermosphère, la diffusion, la chimie et d'autres effets modifient considérablement la composition atmosphérique.

C'est dans la thermosphère que se forment les aurores polaires, nées des collision des particules du vent solaire avec les particules atmosphériques.

L'exosphère. 
Cette couche, située au-dessus de 500 ou 600 kilomètres est excessivement diluée. Sa densité, l'altitude de 5000 km est équivalente à celle du milieu interplanétaire. Il n'y plus lieu dès lors de parler d'atmosphère terrestre au-delà. À une altitude d'environ 500 km sur Terre, le libre parcours moyen entre les molécules croît pour être comparable à la hauteur de l'échelle de densité. Cela définit l'exobase, qui est le début de l'exosphère.

A ces hautes altitudes, la lumière du soleil peut retirer les électrons des constituants atmosphériques et former une réserve d'ions. Ces ions interagissent avec le champ magnétique planétaire et avec le vent solaire pour former une ionosphère. Sur Terre, la plupart des ions proviennent de l'oxygène moléculaire et de l'azote, tandis que sur Mars et Vénus, la plupart des ions proviennent du dioxyde de carbone. En raison de la chimie, cependant, les atomes et molécules d'oxygène ionisé sont l'ion le plus abondant pour les trois atmosphères.

L'évaporation de l'atmosphère.
À des altitudes supérieures à 100 kilomètres, l'atmosphère est si mince que les satellites en orbite peuvent la parcourir avec très peu de friction. 

À ces altitudes, des atomes et les molécules peuvent posseder des énergies cinétiques qui les rendent capable de s'échapper complètement du champ gravitationnel de la Terre. Notre planète connaît ainsi une perte très lente mais continue de son atmosphère, en particulier des atomes légers, qui se déplacent plus rapidement que les atomes lourds. L'atmosphère terrestre ne peut pas, par exemple, empêcher longtemps l'hydrogène ou à l'hélium de s'échapper dans l'espace. 

La Terre n'est pas la seule planète à subir une telle évaporation de son atmosphère. C'est ce phénomène, par exemple, qui est à l'origine de la minceur de l'atmosphère de Mars. L'atmosphère sèche de Vénus, quant à elle, a évolué ainsi parce qu'à cause de sa proximité avec le Soleil, l'eau atmosphérique y a été dissociée et ses composants étant perdus dans l'espace. 

Deux processus sont suceptibles de fournir l'énergie cinétique nécessaire aux molécules pour atteindre la vitesse de libération : les processus thermiques et les processus non-thermiques. 

Mécanismes thermiques.
A une température donnée, la répartition des vitesses particules qui composent un gaz prend la forme d'une cloche relativement asymétrique (loi de distribution de vitesses de Maxwell). Le sommet de cette cloche, qui correspond à la vitesse moyenne, définit la température, mais il existe de part et d'autre des particules avec des vitesses différentes. Plus les vitesses sont importantes et moins il ya de particules concernées. Cependant quans la température est suffisament élévée, comme c'est le cas dans la thermosphère, le nombre de particules atteignant la vitesse de libération n'est pas négligeable. A basse altitude, la densité de l'air empêcherait une libération effective, mais à haute altitude, au niveau ou au-dessus de l'exobase, quand la vitesse de libération d'une particule est atteinte, la particule a peu de chances d'entrer en collision avec une autre particule tant la densité de l'air est faible.  Il s'ensuit que rien ne s'oppose alors à ce qu'elle échappe de la planète. 

Mécanismes non-thermiques.
L'énergie cinétique d'une molécule ou d'un atome peut tenir à d'autres raisons que la température du gaz dans lequel elle se trouve. Un important processus de libération non thermique est ainsi la dissociation, à la fois chimique et photochimique. L'énergie pour la dissociation chimique est l'énergie dégagée par une réaction chimique, et pour la dissociation photochimique, c'est l'énergie excédentaire du photon ou de l'électron incident, qui dote d'énergie cinétique la particule bombardée. 

Si un ion se forme très haut dans l'atmosphère, il peut être emporté de l'atmosphère d'une planète par le vent solaire.  Mais d'autres non thermiques peuvent encore concerner les particules chargées électriquement. Celles-ci sont normalement piégées par les champs magnétiques et ne s'échappent donc pas facilement. Cependant, un proton rapide peut entrer en collision avec un atome d'hydrogène lent et capturer l'électron de l'atome d'hydrogène. Ce processus d'échange de charge transforme le proton rapide en un atome d'hydrogène rapide qui est électriquement neutre et peut donc s'échapper.

Le temps et le climat.
Toutes les planètes avec des atmosphères ont une météorologie, c'est-à-dire une circulation à la fois verticale et horizontale de l'atmosphère, qui représente la réponse de ces atmosphères aux changements d’apports d’énergie du Soleil. L'énergie qui alimente l'alimente provient principalement de la lumière du soleil qui chauffe la surface. 

Le météorologie de la Terre.
Sur la Terre, les rayons du Soleil traversent l'atmosphère, réchauffant la surface du sol ou des océans et l'air au-dessus d'eux, provoquant  l'évaporation de l'eau, et le déplacement de  masses d'air et d'eau liquide dans les océans. De ces déplacements, qui ne concernent donc pas seulement l'atmosphère, mais aussi, en même temps et de manière liée, l'hydrosphère (mers, océans, lacs) résulte une variation permanente, très complexe, des conditions météorologiques. 

La rotation de la planète, causant l'alternace du jour et de la nuit, et sa révolution  autour du Soleil, à l'origine des changements saisonniers plus lents, provoquent des variations de la quantité de lumière solaire frappant différentes parties de la Terre. L'atmosphère, via les vents, et les océans, via les courants, redistribuent la chaleur des zones plus chaudes aux zones plus froides. 

Le climat de la Terre.
Le climat est un terme utilisé pour désigner les conditions dans l'atmosphère qui durent des décennies et des siècles. Les changements climatiques (par opposition aux variations aléatoires des conditions météorologiques d'une année à l'autre) sont souvent difficiles à mettre en évidence sur de courtes périodes, mais à mesure qu'ils s'accumulent, leur effet peut être dévastateur. 

L'agriculture moderne est particulièrement sensible à la température et aux précipitations; par exemple, les calculs indiquent qu'une baisse de seulement 2 °C pendant la saison de croissance réduirait de moitié la production de blé en Amérique du Nord. À l'autre extrême, une augmentation de 2 °C de la température moyenne de la Terre suffirait à faire fondre de nombreux glaciers, dont une grande partie de la couverture de glace du Groenland, augmentant le niveau de la mer jusqu'à 10 mètres, inondant de nombreuses villes et ports côtiers et engloutissant de nombreuses petites îles.

Les changements les mieux documentés du climat de la Terre sont les grands âges glaciaires du Quaternaire, qui ont abaissé périodiquement la température de l'hémisphère Nord au cours des cinq derniers millions d'années. La dernière période glaciaire, qui s'est terminée il y a environ 14 000 ans, a duré environ 20 000 ans. À son apogée, la glace avait près de 2 kilomètres d'épaisseur au-dessus de Boston et s'étendait aussi au sud que New York. En Europe, les glaciers recouvraient la Scandinavie, les pays au Sud-Est de la mer Baltique et la presque totalité des Îles Britanniques. Ces périodes glaciaires étaient principalement le résultat de changements dans l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, produits par les effets gravitationnels des autres planètes. Il semble aussi, qu'au moins une fois (et peut-être deux fois), il y a environ un milliard d'années, l'océan tout entier s'est gelé, une situation appelée Terre boule de neige.
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L'évolution chimique et le changement climatique

L'origine de l'atmosphère et des océans.
On doit considérer ici l'autre élément fluide qui existe au dessus de la surface solide de la planète, l'hydrosphère. Au conditions changeantes qui ont régné sur la Terre depuis sa formation, l'eau n'a cessé s"apparaître dans des proportions très variables elles aussi soit sous forme de vapeur, dans l'atmosphère, soit principalement sous forme de liquide dans l'hydrosphère. Aussi , lorsqu'on s'interroge sur l'histoire et l'origine de l'atmosphère terrestre, faut-il aussi envisager celelles des océans.

Ceci posé, il existe trois possibilités pour expliquer l'origine de l'atmosphère et des océans de la Terre :

• 1) L'air de l'atmosphère et l'eau des océans auraient pu apparaître en même temps que le reste de la Terre, lors de son accrétion de matière à partir des débris laissés par la formation du Soleil; 

• 2) L'air de l'atmosphère et l'eau des océans auraient pu être libérées à partir des roches des régions internes de la planète par l'activité volcanique, après la formation de la Terre; 

• 3) L'air de l'atmosphère et l'eau des océans pourraient avoir été apportés sur notre planète à la faveur des impacts des comètes et des astéroïdes venus des parties extérieures du Système solaire. 

L'évolution de l'atmosphère.
L'une des étapes clés de l'évolution de la vie sur Terre a été le développement des algues bleu-vert, une forme de vie qui absorbe le dioxyde de carbone de l'environnement et libère de l'oxygène en tant que déchet (La photosynthèse). Ces micro-organismes prospères ont proliféré, donnant naissance à toutes les formes de vie que l'on range parmi les végétaux. 

Des études sur la chimie des roches anciennes montrent que l'atmosphère terrestre manquait d'oxygène libre abondant jusqu'à il y a environ 2 milliards d'années, malgré la présence de végétaux libérant de l'oxygène par photosynthèse. Apparemment, les réactions chimiques avec la croûte terrestre ont éliminé l'oxygène gazeux aussi rapidement qu'il s'est formé. Mais lentement, la sophistication évolutive croissante des organismes vivants a entraîné une croissance de la population végétale et donc une augmentation de la production d'oxygène. Dans le même temps, il semble que l'augmentation de l'activité géologique a entraîné une forte érosion à la surface de notre planète. Cela a enterré une grande partie du carbone végétal avant qu'il ne puisse se recombiner avec de l'oxygène pour former du CO2.

L'oxygène libre a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère il y a environ 2 milliards d'années, et la quantité accrue de ce gaz a conduit à la formation de la couche d'ozone de la Terre, qui protège la surface des ultraviolets solaires mortels lumière. Avant cela, il n'était pas possible pour les organismes vivants de s'aventurer en dehors des océans protecteurs, de sorte que les masses terrestres étaient nues.

La présence d'oxygène, donc d'ozone, a ainsi permis une énorme prolifération d'animaux, qui vivaient en absorbant et en utilisant les matières organiques produites par les véhétaux comme leur propre source d'énergie. Alors que les animaux évoluaient dans un environnement de plus en plus riche en oxygène, ils ont pu développer des techniques pour respirer l'oxygène atmosphérique directement.

À l'échelle planétaire, l'une des conséquences de la vie a été ainsi une diminution du dioxyde de carbone atmosphérique corrélative à une augmentation de la proportion d'oxygène. En l'absence de vie, la Terre aurait probablement une atmosphère dominée par le CO2, comme Mars ou Vénus. Mais les êtres vivants, combinés à des niveaux élevés d'activité géologique, ont effectivement dépouillé notre atmosphère de la plupart de ce gaz.

L'effet de serre et le réchauffement climatique.
Nous avons un intérêt particulier pour la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère en raison du rôle clé que ce gaz joue dans la rétention de la chaleur du soleil par un processus appelé effet de serre. Pour comprendre comment fonctionne l'effet de serre, il convient de considérer ce que devient l'énergie appartée par la la lumière solaire qui frappe la surface de la Terre. La lumière pénètre dans notre atmosphère, est absorbée par le sol et chauffe les couches superficielles. À la température de la surface de la Terre, cette énergie est ensuite réémise sous forme de rayonnement infrarouge ou thermique. Cependant, certaines molécules de notre atmosphère, qui laissent passer la lumière visible, absorbent bien l'énergie infrarouge. C'est le cas d'abord du du dioxyde de carbone (CO2 ), et ensuite du méthane et de la vapeur d'eau, qui agissent comme une couverture, emprisonnant la chaleur dans l'atmosphère et empêchant son retour dans l'espace, et donc le refroidissement de l'atmosphère. Pour maintenir un équilibre énergétique, la température de la surface et de la basse atmosphère doit augmenter jusqu'à ce que l'énergie totale rayonnée par la Terre vers l'espace soit égale à l'énergie reçue du Soleil. Plus il y a de CO2 dans notre atmosphère, plus est élevée la température à laquelle la surface de la Terre atteint un nouvel équilibre.
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On parle d'effet de serre pour désigner ce mécanisme observable aussi sur d'autres planètes que la Terre, car il est similaire au chauffage d'une serre de jardinier, dont la paroi transparente joue le rôle de gaz à effet de serre, laissant entrer la lumière du soleil mais réduisant le flux sortant du rayonnement thermique. En conséquence, une serre se réchauffe beaucoup plus que ce à quoi on pourrait s'attendre du seul chauffage du soleil. Sur Terre, l'effet de serre actuel élève la température de surface d'environ 23 ° C. Sans cet effet de serre, la température de surface moyenne serait bien en dessous de zéro et notre planète serait prionnière d'une ère glaciaire perpétuelle.

L'effet de serre a donc une conséquence très bénéfique pour la vie sur Terre; Le problème, est  que le chauffage dû à l'effet de serre est actuellement en augmentation. . La société industrielle moderne dépend de l'énergie extraite de la combustion de combustibles fossiles. Nous exploitons le matériau énergétique créé par la photosynthèse il y a des dizaines de millions d'années. Comme ces anciens gisements de charbon et de pétrole sont oxydés (brûlés à l'oxygène), de grandes quantités de dioxyde de carbone sont libérées dans l'atmosphère quand nous consommons ces combustibles. Et ce problème est encore exacerbé par la destruction généralisée des forêts tropicales, dont nous dépendons pour extraire le CO2 de l'atmosphère et reconstituer notre approvisionnement en oxygène. Au cours des cent dernières années de développement industriel et agricole accru, la quantité de CO2 rejetée dans l'atmosphère a augmenté d'environ 30%. Elle continue d'augmenter de plus de 0,5% par an.

Avant la fin du XXI^e siècle, le niveau de CO2 de la Terre devrait atteindre le double de sa valeur avant la révolution industrielle. Les conséquences d'une telle augmentation pour la surface et l'atmosphère de la Terre (et les organismes qui y vivent) sont susceptibles d'être des changements climatiques complexes, potentiellement catastrophiques pour de nombreuses espèces. Le changement climatique est déjà largement apparent. Partout dans le monde, les records de température sont constamment établis et battus; Toutes les années les plus chaudes enregistrées, sauf une, ont eu lieu depuis 2000. Les glaciers reculent et la glace de l'océan Arctique est maintenant beaucoup plus mince que lors de sa première exploration avec des sous-marins nucléaires dans les années 1950. L'élévation du niveau de la mer (due à la fois à la fonte des glaciers et à l'expansion de l'eau à mesure que sa température augmente) constitue l'une des menaces les plus immédiates, et de nombreuses villes côtières ont l'intention de construire des digues ou des digues pour freiner les inondations attendues. Le taux d'augmentation de la température est sans précédent historique, et nous entrons rapidement en territoire inconnu, où les activités humaines conduisent aux températures les plus élevées de la Terre depuis plus de 50 millions d'années. Le changement climatique est devenu la plus grande menace connue (en exceptant peut-être la guerre nucléaire) pour la civilisation industrielle et l'écologie de notre planète.
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