L'atmosphère a une structure en couches. Les limites entre les couches ne sont pas nettes et leur hauteur dépend de la latitude et de la saison. La structure en couches est le résultat des changements de température à différentes altitudes. Le temps se forme dans la troposphère (inférieur d'environ 10 km : environ 6 km au-dessus des pôles et plus de 16 km au-dessus de l'équateur). Et la limite supérieure de la troposphère est plus élevée en été qu'en hiver.
De la surface de la Terre vers le haut, ces couches sont :
Troposphère
Stratosphère
Mésosphère
Thermosphère
Exosphère
Troposphère
La partie inférieure de l'atmosphère, jusqu'à une hauteur de 10 à 15 km, dans laquelle se concentrent les 4/5 de toute la masse d'air atmosphérique, s'appelle la troposphère. Il est typique pour lui que la température baisse ici avec l'altitude de 0,6°/100 m en moyenne (dans certains cas, la répartition de la température le long de la verticale varie sur une large plage). La troposphère contient presque toute la vapeur d'eau de l'atmosphère et presque tous les nuages se forment. La turbulence est également très développée ici, en particulier près de la surface terrestre, ainsi que dans les courants dits jets dans la partie supérieure de la troposphère.
La hauteur à laquelle la troposphère s'étend sur chaque endroit de la Terre varie d'un jour à l'autre. De plus, même en moyenne, il est différent sous différentes latitudes et à différentes saisons de l'année. En moyenne, la troposphère annuelle s'étend sur les pôles jusqu'à une hauteur d'environ 9 km, sur les latitudes tempérées jusqu'à 10-12 km et sur l'équateur jusqu'à 15-17 km. La température annuelle moyenne de l'air près de la surface de la terre est d'environ +26° à l'équateur et d'environ -23° au pôle nord. A la limite supérieure de la troposphère au-dessus de l'équateur, la température moyenne est d'environ -70°, au pôle nord en hiver d'environ -65° et en été d'environ -45°.
La pression atmosphérique à la limite supérieure de la troposphère, correspondant à sa hauteur, est 5 à 8 fois inférieure à celle à la surface de la Terre. Par conséquent, la majeure partie de l'air atmosphérique se trouve dans la troposphère. Les processus qui se produisent dans la troposphère ont une importance directe et décisive pour le temps et le climat près de la surface de la terre.
Toute la vapeur d'eau est concentrée dans la troposphère, c'est pourquoi tous les nuages se forment dans la troposphère. La température diminue avec l'altitude.
Les rayons du soleil traversent facilement la troposphère et la chaleur que la Terre chauffée par les rayons du soleil dégage s'accumule dans la troposphère : des gaz comme le dioxyde de carbone, le méthane et la vapeur d'eau retiennent la chaleur. Ce mécanisme de réchauffement de l'atmosphère de la Terre, chauffée par le rayonnement solaire, s'appelle l'effet de serre. C'est parce que la Terre est la source de chaleur de l'atmosphère que la température de l'air diminue avec l'altitude.
La limite entre la troposphère turbulente et la stratosphère calme s'appelle la tropopause. Ici, des vents rapides appelés "jet streams" se forment.
On supposait autrefois que la température de l'atmosphère chute également au-dessus de la troposphère, mais des mesures dans les hautes couches de l'atmosphère ont montré que ce n'est pas le cas : immédiatement au-dessus de la tropopause, la température est presque constante, puis commence à augmenter. les vents horizontaux soufflent dans la stratosphère sans former de turbulence. L'air de la stratosphère est très sec et donc les nuages sont rares. Des nuages dits de nacre se forment.
La stratosphère est très importante pour la vie sur Terre, car c'est dans cette couche qu'il y a une petite quantité d'ozone qui absorbe un fort rayonnement ultraviolet nocif pour la vie. En absorbant le rayonnement ultraviolet, l'ozone réchauffe la stratosphère.
Stratosphère
Au-dessus de la troposphère jusqu'à une hauteur de 50 à 55 km se trouve la stratosphère, caractérisée par le fait que sa température augmente en moyenne avec la hauteur. La couche de transition entre la troposphère et la stratosphère (1-2 km d'épaisseur) s'appelle la tropopause.
Ci-dessus se trouvaient des données sur la température à la limite supérieure de la troposphère. Ces températures sont également caractéristiques de la basse stratosphère. Ainsi, la température de l'air dans la basse stratosphère au-dessus de l'équateur est toujours très basse ; de plus, en été, il est beaucoup plus bas qu'au-dessus du pôle.
La basse stratosphère est plus ou moins isotherme. Mais, à partir d'une hauteur d'environ 25 km, la température dans la stratosphère augmente rapidement avec l'altitude, atteignant par ailleurs des valeurs maximales positives (de +10 à +30 °) à une altitude d'environ 50 km. En raison de l'augmentation de la température avec l'altitude, la turbulence dans la stratosphère est faible.
Il y a très peu de vapeur d'eau dans la stratosphère. Cependant, à des altitudes de 20 à 25 km, de très fins nuages dits de nacre sont parfois observés aux hautes latitudes. Pendant la journée, ils ne sont pas visibles, mais la nuit, ils semblent briller, car ils sont éclairés par le soleil sous l'horizon. Ces nuages sont constitués de gouttelettes d'eau surfondues. La stratosphère est également caractérisée par le fait qu'elle contient principalement de l'ozone atmosphérique, comme mentionné ci-dessus.
Mésosphère
Au-dessus de la stratosphère se trouve une couche de la mésosphère, jusqu'à environ 80 km. Ici, la température chute avec l'altitude jusqu'à plusieurs dizaines de degrés en dessous de zéro. En raison de la chute rapide de la température avec l'altitude, la turbulence est très développée dans la mésosphère. À des hauteurs proches de la limite supérieure de la mésosphère (75-90 km), il existe encore un type particulier de nuages, également éclairés par le soleil la nuit, les soi-disant nuages argentés. Il est fort probable qu'ils soient composés de cristaux de glace.
A la limite supérieure de la mésosphère, la pression atmosphérique est 200 fois inférieure à celle de la surface terrestre. Ainsi, la troposphère, la stratosphère et la mésosphère réunies, jusqu'à une hauteur de 80 km, contiennent plus de 99,5 % de la masse totale de l'atmosphère. Les couches sus-jacentes contiennent une quantité négligeable d'air
À une altitude d'environ 50 km au-dessus de la Terre, la température recommence à baisser, marquant la limite supérieure de la stratosphère et le début de la couche suivante - la mésosphère. La mésosphère a la température la plus froide de l'atmosphère : de -2 à -138 degrés Celsius. Voici les nuages les plus hauts : par temps clair, on les aperçoit au coucher du soleil. Ils sont dits noctilucents (lumineux la nuit).
Thermosphère
La partie supérieure de l'atmosphère, au-dessus de la mésosphère, est caractérisée par des températures très élevées et est donc appelée la thermosphère. Cependant, on y distingue deux parties: l'ionosphère, qui s'étend de la mésosphère à des hauteurs de l'ordre de mille kilomètres, et la partie extérieure située au-dessus - l'exosphère, passant dans la couronne terrestre.
L'air dans l'ionosphère est extrêmement raréfié. Nous avons déjà indiqué qu'à des altitudes de 300 à 750 km, sa densité moyenne est d'environ 10-8-10-10 g/m3. Mais même avec une densité aussi faible, chaque centimètre cube d'air à une altitude de 300 km contient encore environ un milliard (109) de molécules ou d'atomes, et à une altitude de 600 km - plus de 10 millions (107). C'est plusieurs ordres de grandeur supérieur à la teneur en gaz dans l'espace interplanétaire.
L'ionosphère, comme son nom l'indique, se caractérise par un très fort degré d'ionisation de l'air - la teneur en ions y est plusieurs fois supérieure à celle des couches sous-jacentes, malgré la forte raréfaction globale de l'air. Ces ions sont principalement des atomes d'oxygène chargés, des molécules d'oxyde nitrique chargées et des électrons libres. Leur contenu à des altitudes de 100 à 400 km est d'environ 1015-106 par centimètre cube.
Dans l'ionosphère, plusieurs couches, ou régions, se distinguent par une ionisation maximale, notamment à des altitudes de 100-120 km et 200-400 km. Mais même dans les intervalles entre ces couches, le degré d'ionisation de l'atmosphère reste très élevé. La position des couches ionosphériques et la concentration d'ions qu'elles contiennent changent tout le temps. Les accumulations sporadiques d'électrons avec une concentration particulièrement élevée sont appelées nuages d'électrons.
La conductivité électrique de l'atmosphère dépend du degré d'ionisation. Ainsi, dans l'ionosphère, la conductivité électrique de l'air est généralement 1012 fois supérieure à celle de la surface terrestre. Les ondes radio subissent une absorption, une réfraction et une réflexion dans l'ionosphère. Les ondes de plus de 20 m ne peuvent pas du tout traverser l'ionosphère : elles sont déjà réfléchies par des couches d'électrons de faible concentration dans la partie inférieure de l'ionosphère (à des altitudes de 70 à 80 km). Les ondes moyennes et courtes sont réfléchies par les couches ionosphériques sus-jacentes.
C'est grâce à la réflexion de l'ionosphère que la communication à longue portée à ondes courtes est possible. Les réflexions multiples de l'ionosphère et de la surface terrestre permettent aux ondes courtes de se propager en zigzag sur de longues distances, longeant la surface du globe. Étant donné que la position et la concentration des couches ionosphériques changent continuellement, les conditions d'absorption, de réflexion et de propagation des ondes radio changent également. Par conséquent, une communication radio fiable nécessite une étude continue de l'état de l'ionosphère. Les observations sur la propagation des ondes radio sont précisément le moyen de telles recherches.
Dans l'ionosphère, on observe des aurores et une lueur du ciel nocturne proche d'eux dans la nature - une luminescence constante de l'air atmosphérique, ainsi que de fortes fluctuations du champ magnétique - des orages magnétiques ionosphériques.
L'ionisation dans l'ionosphère doit son existence à l'action du rayonnement ultraviolet du Soleil. Son absorption par les molécules de gaz atmosphérique conduit à l'apparition d'atomes chargés et d'électrons libres, comme évoqué plus haut. Les fluctuations du champ magnétique dans l'ionosphère et les aurores dépendent des fluctuations de l'activité solaire. Les modifications de l'activité solaire sont associées à des modifications du flux de rayonnement corpusculaire provenant du Soleil dans l'atmosphère terrestre. A savoir, le rayonnement corpusculaire est d'une importance fondamentale pour ces phénomènes ionosphériques.
La température dans l'ionosphère augmente avec l'altitude jusqu'à des valeurs très élevées. A environ 800 km d'altitude, elle atteint 1000°.
Parlant des températures élevées de l'ionosphère, cela signifie que les particules de gaz atmosphériques s'y déplacent à des vitesses très élevées. Cependant, la densité de l'air dans l'ionosphère est si faible qu'un corps situé dans l'ionosphère, tel qu'un satellite volant, ne sera pas chauffé par échange de chaleur avec l'air. Le régime de température du satellite dépendra de l'absorption directe du rayonnement solaire par celui-ci et du retour de son propre rayonnement vers l'espace environnant. La thermosphère est située au-dessus de la mésosphère à une altitude de 90 à 500 km au-dessus de la surface de la Terre. Les molécules de gaz sont ici très dispersées, elles absorbent les rayons X et la partie à courte longueur d'onde du rayonnement ultraviolet. Pour cette raison, la température peut atteindre 1000 degrés Celsius.
La thermosphère correspond essentiellement à l'ionosphère, où le gaz ionisé réfléchit les ondes radio vers la Terre - ce phénomène permet d'établir des communications radio.
Exosphère
Au-dessus de 800-1000 km, l'atmosphère passe dans l'exosphère et progressivement dans l'espace interplanétaire. Les vitesses des particules de gaz, en particulier les plus légères, sont très élevées ici, et en raison de l'air extrêmement raréfié à ces hauteurs, les particules peuvent voler autour de la Terre sur des orbites elliptiques sans se heurter. Dans ce cas, les particules individuelles peuvent avoir des vitesses suffisantes pour vaincre la force de gravité. Pour les particules non chargées, la vitesse critique sera de 11,2 km/sec. De telles particules particulièrement rapides peuvent, se déplaçant le long de trajectoires hyperboliques, voler hors de l'atmosphère dans l'espace extra-atmosphérique, "s'échapper" et se dissiper. Par conséquent, l'exosphère est également appelée sphère de diffusion.
Ce sont majoritairement des atomes d'hydrogène qui s'en échappent, qui est le gaz dominant dans les couches les plus hautes de l'exosphère.
On a récemment supposé que l'exosphère, et avec elle l'atmosphère terrestre en général, se termine à des altitudes de l'ordre de 2 000 à 3 000 km. Mais les observations des fusées et des satellites ont fait naître l'idée que l'hydrogène s'échappant de l'exosphère forme une couronne dite terrestre autour de la Terre, s'étendant sur plus de 20 000 km. Bien sûr, la densité de gaz dans la couronne terrestre est négligeable. Pour chaque centimètre cube, il n'y a en moyenne qu'environ un millier de particules. Mais dans l'espace interplanétaire, la concentration de particules (principalement des protons et des électrons) est au moins dix fois moindre.
Avec l'aide de satellites et de fusées géophysiques, l'existence dans la partie supérieure de l'atmosphère et dans l'espace extra-atmosphérique de la Terre de la ceinture de rayonnement terrestre, qui commence à une altitude de plusieurs centaines de kilomètres et s'étend sur des dizaines de milliers de kilomètres depuis le la surface de la terre, a été établie. Cette ceinture est constituée de particules chargées électriquement - protons et électrons, capturées par le champ magnétique terrestre et se déplaçant à des vitesses très élevées. Leur énergie est de l'ordre de centaines de milliers d'électronvolts. La ceinture de rayonnement perd constamment des particules dans l'atmosphère terrestre et se reconstitue grâce aux flux de rayonnement corpusculaire solaire.
température de l'atmosphère stratosphère troposphère
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse de notre planète. Sa limite inférieure passe au niveau de la croûte terrestre et de l'hydrosphère, et la limite supérieure passe dans la région proche de la Terre de l'espace extra-atmosphérique. L'atmosphère contient environ 78 % d'azote, 20 % d'oxygène, jusqu'à 1 % d'argon, du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, de l'hélium, du néon et quelques autres gaz.
Cette coquille de terre se caractérise par une stratification clairement définie. Les couches de l'atmosphère sont déterminées par la distribution verticale de la température et la densité différente des gaz à ses différents niveaux. Il existe de telles couches de l'atmosphère terrestre: troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère, exosphère. L'ionosphère est distinguée séparément.
Jusqu'à 80% de la masse totale de l'atmosphère est la troposphère - la couche de surface inférieure de l'atmosphère. La troposphère dans les zones polaires est située à un niveau allant jusqu'à 8-10 km au-dessus de la surface de la Terre, dans la zone tropicale - jusqu'à un maximum de 16-18 km. Entre la troposphère et la stratosphère sus-jacente se trouve la tropopause - la couche de transition. Dans la troposphère, la température diminue à mesure que l'altitude augmente et la pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Le gradient de température moyen dans la troposphère est de 0,6 °C par 100 m. La température à différents niveaux de cette coquille est déterminée par l'absorption du rayonnement solaire et l'efficacité de la convection. Presque toutes les activités humaines se déroulent dans la troposphère. Les plus hautes montagnes ne dépassent pas la troposphère, seul le transport aérien peut franchir la limite supérieure de cette coquille à une faible hauteur et se trouver dans la stratosphère. Une grande partie de la vapeur d'eau est contenue dans la troposphère, qui détermine la formation de presque tous les nuages. De plus, presque tous les aérosols (poussières, fumées, etc.) qui se forment à la surface de la terre sont concentrés dans la troposphère. Dans la couche inférieure limite de la troposphère, les fluctuations quotidiennes de la température et de l'humidité de l'air sont exprimées, la vitesse du vent est généralement réduite (elle augmente avec l'altitude). Dans la troposphère, il existe une division variable de la colonne d'air en masses d'air dans le sens horizontal, qui diffèrent par un certain nombre de caractéristiques en fonction de la ceinture et de la zone de leur formation. Aux fronts atmosphériques - les frontières entre les masses d'air - se forment des cyclones et des anticyclones, qui déterminent le temps dans une certaine zone pendant une période de temps spécifique.
La stratosphère est la couche de l'atmosphère située entre la troposphère et la mésosphère. Les limites de cette couche vont de 8-16 km à 50-55 km au-dessus de la surface de la Terre. Dans la stratosphère, la composition gazeuse de l'air est approximativement la même que dans la troposphère. Une caractéristique distinctive est une diminution de la concentration de vapeur d'eau et une augmentation de la teneur en ozone. La couche d'ozone de l'atmosphère, qui protège la biosphère des effets agressifs de la lumière ultraviolette, se situe à un niveau de 20 à 30 km. Dans la stratosphère, la température augmente avec l'altitude et les valeurs de température sont déterminées par le rayonnement solaire et non par la convection (mouvements des masses d'air), comme dans la troposphère. Le réchauffement de l'air dans la stratosphère est dû à l'absorption du rayonnement ultraviolet par l'ozone.
La mésosphère s'étend au-dessus de la stratosphère jusqu'à un niveau de 80 km. Cette couche de l'atmosphère se caractérise par le fait que la température décroît de 0°C à - 90°C à mesure que l'altitude augmente, c'est la région la plus froide de l'atmosphère.
Au-dessus de la mésosphère se trouve la thermosphère jusqu'à un niveau de 500 km. De la frontière avec la mésosphère à l'exosphère, la température varie d'environ 200 K à 2000 K. Jusqu'à un niveau de 500 km, la densité de l'air diminue de plusieurs centaines de milliers de fois. La composition relative des composants atmosphériques de la thermosphère est similaire à la couche de surface de la troposphère, mais avec l'augmentation de l'altitude, plus d'oxygène passe à l'état atomique. Une certaine proportion de molécules et d'atomes de la thermosphère est à l'état ionisé et répartie en plusieurs couches, elles sont unies par le concept d'ionosphère. Les caractéristiques de la thermosphère varient sur une large plage en fonction de la latitude géographique, de la quantité de rayonnement solaire, de la période de l'année et du jour.
La couche supérieure de l'atmosphère est l'exosphère. C'est la couche la plus fine de l'atmosphère. Dans l'exosphère, les libres parcours moyens des particules sont si énormes que les particules peuvent s'échapper librement dans l'espace interplanétaire. La masse de l'exosphère est un dix millionième de la masse totale de l'atmosphère. La limite inférieure de l'exosphère est le niveau de 450 à 800 km, et la limite supérieure est la zone où la concentration de particules est la même que dans l'espace extra-atmosphérique - à plusieurs milliers de kilomètres de la surface de la Terre. L'exosphère est constituée de plasma, un gaz ionisé. Dans l'exosphère se trouvent également les ceintures de radiation de notre planète.
Présentation vidéo - couches de l'atmosphère terrestre :
Contenu connexe :
L'espace est rempli d'énergie. L'énergie remplit inégalement l'espace. Il y a des lieux de sa concentration et de sa décharge. De cette façon, vous pouvez estimer la densité. La planète est un système ordonné, avec le maximum de densité de matière au centre et avec une diminution progressive de la concentration vers la périphérie. Les forces d'interaction déterminent l'état de la matière, la forme sous laquelle elle existe. La physique décrit l'état d'agrégation des substances : solide, liquide, gaz, etc.
L'atmosphère est le milieu gazeux qui entoure la planète. L'atmosphère terrestre permet la libre circulation et laisse passer la lumière, créant un espace dans lequel la vie s'épanouit.
La zone de la surface de la terre à une hauteur d'environ 16 kilomètres (moins de l'équateur aux pôles, dépend aussi de la saison) s'appelle la troposphère. La troposphère est la couche qui contient environ 80 % de l'air de l'atmosphère et presque toute la vapeur d'eau. C'est ici que se déroulent les processus qui façonnent le temps. La pression et la température diminuent avec l'altitude. La raison de la diminution de la température de l'air est un processus adiabatique, lorsque le gaz se dilate, il se refroidit. A la limite supérieure de la troposphère, les valeurs peuvent atteindre -50, -60 degrés Celsius.
Vient ensuite la stratosphère. Il s'étend jusqu'à 50 kilomètres. Dans cette couche de l'atmosphère, la température augmente avec l'altitude, acquérant une valeur au sommet d'environ 0 C. L'augmentation de température est causée par le processus d'absorption des rayons ultraviolets par la couche d'ozone. Le rayonnement provoque une réaction chimique. Les molécules d'oxygène se décomposent en atomes simples qui peuvent se combiner avec des molécules d'oxygène normales pour former de l'ozone.
Le rayonnement du soleil avec des longueurs d'onde comprises entre 10 et 400 nanomètres est classé comme ultraviolet. Plus la longueur d'onde du rayonnement UV est courte, plus le danger qu'il représente pour les organismes vivants est grand. Seule une petite fraction du rayonnement atteint la surface de la Terre, qui plus est, la partie la moins active de son spectre. Cette caractéristique de la nature permet à une personne d'obtenir un bronzage sain.
La couche suivante de l'atmosphère s'appelle la mésosphère. Limites d'environ 50 km à 85 km. Dans la mésosphère, la concentration d'ozone, qui pourrait piéger l'énergie UV, est faible, de sorte que la température recommence à baisser avec l'altitude. Au point culminant, la température chute à -90 C, certaines sources indiquent une valeur de -130 C. La plupart des météoroïdes brûlent dans cette couche de l'atmosphère.
La couche d'atmosphère qui s'étend d'une hauteur de 85 km à une distance de 600 km de la Terre s'appelle la thermosphère. La thermosphère est la première à rencontrer le rayonnement solaire, y compris ce que l'on appelle l'ultraviolet du vide.
Les UV du vide sont retardés par l'air, chauffant ainsi cette couche de l'atmosphère à des températures énormes. Cependant, comme la pression ici est extrêmement basse, ce gaz apparemment incandescent n'a pas le même effet sur les objets que dans les conditions à la surface de la terre. Au contraire, les objets placés dans un tel environnement se refroidiront.
À 100 km d'altitude, passe la ligne conditionnelle "ligne Karman", considérée comme le début de l'espace.
Les aurores se produisent dans la thermosphère. Dans cette couche de l'atmosphère, le vent solaire interagit avec le champ magnétique de la planète.
La dernière couche de l'atmosphère est l'exosphère, une enveloppe extérieure qui s'étend sur des milliers de kilomètres. L'exosphère est pratiquement un endroit vide, cependant, le nombre d'atomes errant ici est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de l'espace interplanétaire.
La personne respire de l'air. La pression normale est de 760 millimètres de mercure. A 10 000 m d'altitude, la pression est d'environ 200 mm. rt. De l'art. À cette altitude, une personne peut probablement respirer, du moins pas longtemps, mais cela nécessite une préparation. L'État sera évidemment inopérant.
La composition gazeuse de l'atmosphère : 78 % d'azote, 21 % d'oxygène, environ un pour cent d'argon, tout le reste est un mélange de gaz représentant la plus petite fraction du total.
Parfois, l'atmosphère qui entoure notre planète en une couche épaisse est appelée le cinquième océan. Pas étonnant que le deuxième nom de l'avion soit un avion. L'atmosphère est un mélange de divers gaz, parmi lesquels l'azote et l'oxygène prédominent. C'est grâce à ces derniers que la vie sur la planète est possible sous la forme à laquelle nous sommes tous habitués. En plus d'eux, il y a encore 1% d'autres composants. Ce sont des gaz inertes (n'entrant pas dans les interactions chimiques), l'oxyde de soufre.Le cinquième océan contient également des impuretés mécaniques : poussières, cendres, etc. s'attardera sur ce point plus en détail plus loin). Une épaisseur aussi impressionnante forme une sorte de bouclier impénétrable qui protège la planète des rayonnements cosmiques destructeurs et des gros objets.
On distingue les couches suivantes de l'atmosphère : la troposphère, suivie de la stratosphère, puis de la mésosphère, et enfin de la thermosphère. L'ordre ci-dessus commence à la surface de la planète. Les couches denses de l'atmosphère sont représentées par les deux premières. Ils filtrent une part importante des effets destructeurs
La couche la plus basse de l'atmosphère, la troposphère, ne s'étend qu'à 12 km au-dessus du niveau de la mer (18 km sous les tropiques). Jusqu'à 90% de la vapeur d'eau est concentrée ici, donc des nuages s'y forment. La majeure partie de l'air est également concentrée ici. Toutes les couches suivantes de l'atmosphère sont plus froides, car la proximité de la surface permet à la lumière solaire réfléchie de chauffer l'air.
La stratosphère s'étend jusqu'à près de 50 km de la surface. La plupart des ballons météo "flottent" dans cette couche. Certains types d'avions peuvent également voler ici. L'une des caractéristiques étonnantes est le régime de température: dans l'intervalle de 25 à 40 km, une augmentation de la température de l'air commence. De -60 il monte à presque 1. Puis il y a une légère décroissance jusqu'à zéro, qui persiste jusqu'à une altitude de 55 km. La limite supérieure est l'infâme
De plus, la mésosphère s'étend presque jusqu'à 90 km. La température de l'air chute fortement ici. Pour chaque 100 mètres d'altitude, il y a une diminution de 0,3 degrés. Parfois, on l'appelle la partie la plus froide de l'atmosphère. La densité de l'air est faible, mais suffisante pour créer une résistance aux chutes de météores.
Les couches de l'atmosphère au sens habituel se terminent à une altitude d'environ 118 km. Les fameuses aurores se forment ici. La région de la thermosphère commence au-dessus. En raison des rayons X, l'ionisation de ces quelques molécules d'air contenues dans cette zone se produit. Ces processus créent la soi-disant ionosphère (elle est souvent incluse dans la thermosphère, elle n'est donc pas considérée séparément).
Tout ce qui dépasse 700 km s'appelle l'exosphère. l'air est extrêmement petit, ils se déplacent donc librement sans rencontrer de résistance due aux collisions. Cela permet à certains d'entre eux d'accumuler de l'énergie correspondant à 160 degrés Celsius, alors que la température ambiante est basse. Les molécules de gaz sont réparties dans tout le volume de l'exosphère en fonction de leur masse, de sorte que les plus lourdes d'entre elles ne se trouvent que dans la partie inférieure de la couche. L'attraction de la planète, qui diminue avec l'altitude, n'est plus capable de retenir les molécules, de sorte que les particules cosmiques à haute énergie et le rayonnement donnent aux molécules de gaz une impulsion suffisante pour quitter l'atmosphère. Cette région est l'une des plus longues : on pense que l'atmosphère passe complètement dans le vide de l'espace à des altitudes supérieures à 2 000 km (parfois même le nombre 10 000 apparaît). Des orbites artificielles encore dans la thermosphère.
Tous ces chiffres sont approximatifs, car les limites des couches atmosphériques dépendent d'un certain nombre de facteurs, par exemple de l'activité du Soleil.
L'atmosphère (de l'autre grec ἀτμός - vapeur et σφαῖρα - boule) est une enveloppe gazeuse (géosphère) entourant la planète Terre. Sa surface interne recouvre l'hydrosphère et partiellement la croûte terrestre, tandis que sa surface externe borde la partie proche de la Terre de l'espace extra-atmosphérique.
L'ensemble des sections de physique et de chimie qui étudient l'atmosphère est communément appelé physique de l'atmosphère. L'atmosphère détermine le temps qu'il fait à la surface de la Terre, la météorologie s'occupe de l'étude du temps et la climatologie s'occupe des variations climatiques à long terme.
Propriétés physiques
L'épaisseur de l'atmosphère est d'environ 120 km de la surface de la Terre. La masse totale d'air dans l'atmosphère est de (5.1-5.3) 1018 kg. Parmi ceux-ci, la masse d'air sec est de (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, la masse totale de vapeur d'eau est en moyenne de 1,27 1016 kg.
La masse molaire de l'air propre et sec est de 28,966 g/mol, la densité de l'air près de la surface de la mer est d'environ 1,2 kg/m3. La pression à 0 °C au niveau de la mer est de 101,325 kPa ; température critique - -140,7 ° C (~ 132,4 K); pression critique - 3,7 MPa; Cp à 0 °C - 1,0048 103 J/(kg K), Cv - 0,7159 103 J/(kg K) (à 0 °C). La solubilité de l'air dans l'eau (en masse) à 0 ° C - 0,0036%, à 25 ° C - 0,0023%.
Pour les « conditions normales » à la surface de la Terre, on prend : densité 1,2 kg/m3, pression barométrique 101,35 kPa, température plus 20 °C et humidité relative 50 %. Ces indicateurs conditionnels ont une valeur purement technique.
Composition chimique
L'atmosphère terrestre est née de la libération de gaz lors d'éruptions volcaniques. Avec l'avènement des océans et de la biosphère, il s'est également formé en raison des échanges gazeux avec l'eau, les plantes, les animaux et leurs produits de décomposition dans les sols et les marécages.
Actuellement, l'atmosphère terrestre est principalement constituée de gaz et d'impuretés diverses (poussières, gouttes d'eau, cristaux de glace, sels marins, produits de combustion).
La concentration des gaz qui composent l'atmosphère est presque constante, à l'exception de l'eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2).
Composition de l'air sec
| Azote | ||
| Oxygène | ||
| Argon | ||
| Eau | ||
| Gaz carbonique | ||
| Néon | ||
| Hélium | ||
| Méthane | ||
| Krypton | ||
| Hydrogène | ||
| Xénon | ||
| Protoxyde d'azote |
Outre les gaz répertoriés dans le tableau, l'atmosphère contient du SO2, du NH3, du CO, de l'ozone, des hydrocarbures, du HCl, du HF, des vapeurs de Hg, de l'I2, ainsi que du NO et de nombreux autres gaz en petites quantités. Dans la troposphère, il y a constamment une grande quantité de particules solides et liquides en suspension (aérosol).
La structure de l'atmosphère
Troposphère
Sa limite supérieure se situe à une altitude de 8-10 km aux latitudes polaires, 10-12 km aux latitudes tempérées et 16-18 km aux latitudes tropicales ; plus faible en hiver qu'en été. La couche principale inférieure de l'atmosphère contient plus de 80 % de la masse totale d'air atmosphérique et environ 90 % de toute la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère. Dans la troposphère, la turbulence et la convection sont très développées, des nuages apparaissent, des cyclones et des anticyclones se développent. La température diminue avec l'altitude avec une pente verticale moyenne de 0,65°/100 m
tropopause
La couche de transition de la troposphère à la stratosphère, la couche de l'atmosphère dans laquelle la diminution de température avec l'altitude s'arrête.
Stratosphère
La couche de l'atmosphère située à une altitude de 11 à 50 km. Un léger changement de température dans la couche 11-25 km (la couche inférieure de la stratosphère) et son augmentation dans la couche 25-40 km de −56,5 à 0,8 °C (couche stratosphère supérieure ou région d'inversion) sont typiques. Ayant atteint une valeur d'environ 273 K (presque 0 °C) à une altitude d'environ 40 km, la température reste constante jusqu'à une altitude d'environ 55 km. Cette région de température constante s'appelle la stratopause et constitue la frontière entre la stratosphère et la mésosphère.
Stratopause
Couche limite de l'atmosphère entre la stratosphère et la mésosphère. Il y a un maximum dans la répartition verticale de la température (environ 0 °C).
Mésosphère
La mésosphère commence à une altitude de 50 km et s'étend jusqu'à 80-90 km. La température diminue avec l'altitude avec un gradient vertical moyen de (0,25-0,3)°/100 m. Le processus énergétique principal est le transfert de chaleur rayonnante. Des processus photochimiques complexes impliquant des radicaux libres, des molécules excitées par vibration, etc., provoquent une luminescence atmosphérique.
mésopause
Couche de transition entre la mésosphère et la thermosphère. Il y a un minimum dans la répartition verticale de la température (environ -90 °C).
Ligne Karman
Altitude au-dessus du niveau de la mer, qui est traditionnellement acceptée comme la frontière entre l'atmosphère terrestre et l'espace. Selon la définition FAI, la ligne Karman se situe à une altitude de 100 km au-dessus du niveau de la mer.
Limite de l'atmosphère terrestre
Thermosphère
La limite supérieure est d'environ 800 km. La température monte à des altitudes de 200-300 km, où elle atteint des valeurs de l'ordre de 1500 K, après quoi elle reste presque constante jusqu'à des altitudes élevées. Sous l'influence du rayonnement solaire ultraviolet et X et du rayonnement cosmique, l'air est ionisé («lumières polaires») - les principales régions de l'ionosphère se trouvent à l'intérieur de la thermosphère. À des altitudes supérieures à 300 km, l'oxygène atomique prédomine. La limite supérieure de la thermosphère est largement déterminée par l'activité actuelle du Soleil. Pendant les périodes de faible activité - par exemple, en 2008-2009 - il y a une diminution notable de la taille de cette couche.
Thermopause
La région de l'atmosphère au-dessus de la thermosphère. Dans cette région, l'absorption du rayonnement solaire est insignifiante et la température ne change pas réellement avec l'altitude.
Exosphère (sphère de diffusion)
Exosphère - zone de diffusion, la partie externe de la thermosphère, située au-dessus de 700 km. Le gaz dans l'exosphère est très raréfié, et donc ses particules fuient dans l'espace interplanétaire (dissipation).
Jusqu'à 100 km d'altitude, l'atmosphère est un mélange de gaz homogène et bien mélangé. Dans les couches supérieures, la répartition des gaz en hauteur dépend de leurs masses moléculaires, la concentration des gaz plus lourds décroît plus vite avec l'éloignement de la surface de la Terre. En raison de la diminution de la densité du gaz, la température chute de 0 °C dans la stratosphère à −110 °C dans la mésosphère. Cependant, l'énergie cinétique des particules individuelles à des altitudes de 200 à 250 km correspond à une température d'environ 150 °C. Au-dessus de 200 km, des fluctuations importantes de température et de densité de gaz sont observées dans le temps et dans l'espace.
À une altitude d'environ 2000 à 3500 km, l'exosphère passe progressivement dans le soi-disant vide spatial proche, qui est rempli de particules hautement raréfiées de gaz interplanétaire, principalement des atomes d'hydrogène. Mais ce gaz n'est qu'une partie de la matière interplanétaire. L'autre partie est composée de particules ressemblant à de la poussière d'origine cométaire et météorique. En plus des poussières extrêmement raréfiées, des rayonnements électromagnétiques et corpusculaires d'origine solaire et galactique pénètrent dans cet espace.
La troposphère représente environ 80 % de la masse de l'atmosphère, la stratosphère représente environ 20 % ; la masse de la mésosphère ne dépasse pas 0,3%, la thermosphère est inférieure à 0,05% de la masse totale de l'atmosphère. Sur la base des propriétés électriques de l'atmosphère, la neutrosphère et l'ionosphère sont distinguées. On pense actuellement que l'atmosphère s'étend jusqu'à une altitude de 2 000 à 3 000 km.
Selon la composition du gaz dans l'atmosphère, on distingue l'homosphère et l'hétérosphère. L'hétérosphère est une zone où la gravité a un effet sur la séparation des gaz, puisque leur mélange à une telle hauteur est négligeable. De là découle la composition variable de l'hétérosphère. En dessous se trouve une partie bien mélangée et homogène de l'atmosphère, appelée l'homosphère. La limite entre ces couches s'appelle la turbopause et se situe à une altitude d'environ 120 km.
Autres propriétés de l'atmosphère et effets sur le corps humain
Déjà à une altitude de 5 km au-dessus du niveau de la mer, une personne non formée développe une privation d'oxygène et, sans adaptation, les performances d'une personne sont considérablement réduites. C'est là que se termine la zone physiologique de l'atmosphère. La respiration humaine devient impossible à une altitude de 9 km, bien que jusqu'à environ 115 km l'atmosphère contienne de l'oxygène.
L'atmosphère nous fournit l'oxygène dont nous avons besoin pour respirer. Cependant, en raison de la chute de la pression totale de l'atmosphère lorsque vous vous élevez, la pression partielle d'oxygène diminue également en conséquence.
Les poumons humains contiennent constamment environ 3 litres d'air alvéolaire. La pression partielle d'oxygène dans l'air alvéolaire à pression atmosphérique normale est de 110 mm Hg. Art., pression de dioxyde de carbone - 40 mm Hg. Art., et vapeur d'eau - 47 mm Hg. De l'art. Avec l'augmentation de l'altitude, la pression d'oxygène chute et la pression totale de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone dans les poumons reste presque constante - environ 87 mm Hg. De l'art. Le flux d'oxygène dans les poumons s'arrêtera complètement lorsque la pression de l'air ambiant deviendra égale à cette valeur.
À une altitude d'environ 19-20 km, la pression atmosphérique chute à 47 mm Hg. De l'art. Par conséquent, à cette hauteur, l'eau et le liquide interstitiel commencent à bouillir dans le corps humain. En dehors de la cabine pressurisée à ces altitudes, la mort survient presque instantanément. Ainsi, du point de vue de la physiologie humaine, "l'espace" commence déjà à une altitude de 15-19 km.
Des couches d'air denses - la troposphère et la stratosphère - nous protègent des effets nocifs des radiations. Avec une raréfaction suffisante de l'air, à plus de 36 km d'altitude, les rayonnements ionisants, rayons cosmiques primaires, ont un effet intense sur l'organisme ; à plus de 40 km d'altitude, la partie ultraviolette du spectre solaire, dangereuse pour l'homme, opère.
Au fur et à mesure que nous nous élevons à une hauteur toujours plus grande au-dessus de la surface de la Terre, des phénomènes qui nous sont familiers observés dans les couches inférieures de l'atmosphère, tels que la propagation du son, l'apparition de portance et de traînée aérodynamiques, le transfert de chaleur par convection, etc. ., s'affaiblissent progressivement, puis disparaissent complètement.
Dans les couches d'air raréfiées, la propagation du son est impossible. Jusqu'à des altitudes de 60 à 90 km, il est toujours possible d'utiliser la résistance de l'air et la portance pour un vol aérodynamique contrôlé. Mais à partir d'altitudes de 100-130 km, les concepts de nombre M et de mur du son familiers à tout pilote perdent leur sens : passe la ligne conditionnelle de Karman, au-delà de laquelle commence la zone de vol purement balistique, qui ne peut être contrôlé qu'à l'aide de forces réactives.
À des altitudes supérieures à 100 km, l'atmosphère est également privée d'une autre propriété remarquable - la capacité d'absorber, de conduire et de transférer l'énergie thermique par convection (c'est-à-dire au moyen d'un mélange d'air). Cela signifie que divers éléments d'équipement, l'équipement de la station spatiale orbitale ne pourront pas être refroidis de l'extérieur comme cela se fait habituellement dans un avion - à l'aide de jets d'air et de radiateurs à air. A cette altitude, ainsi que dans l'espace en général, le seul moyen de transfert de chaleur est le rayonnement thermique.
Histoire de la formation de l'atmosphère
Selon la théorie la plus courante, l'atmosphère terrestre a eu trois compositions différentes au fil du temps. Initialement, il s'agissait de gaz légers (hydrogène et hélium) captés depuis l'espace interplanétaire. C'est ce qu'on appelle l'atmosphère primaire (il y a environ quatre milliards d'années). Au stade suivant, l'activité volcanique active a conduit à la saturation de l'atmosphère avec des gaz autres que l'hydrogène (dioxyde de carbone, ammoniac, vapeur d'eau). C'est ainsi que s'est formée l'atmosphère secondaire (environ trois milliards d'années jusqu'à nos jours). Cette ambiance était réparatrice. De plus, le processus de formation de l'atmosphère a été déterminé par les facteurs suivants :
- fuite de gaz légers (hydrogène et hélium) dans l'espace interplanétaire ;
- réactions chimiques se produisant dans l'atmosphère sous l'influence du rayonnement ultraviolet, des décharges de foudre et de certains autres facteurs.
Progressivement, ces facteurs ont conduit à la formation d'une atmosphère tertiaire, caractérisée par une teneur beaucoup plus faible en hydrogène et une teneur beaucoup plus élevée en azote et en dioxyde de carbone (formés à la suite de réactions chimiques à partir d'ammoniac et d'hydrocarbures).
Azote
La formation d'une grande quantité d'azote N2 est due à l'oxydation de l'atmosphère ammoniac-hydrogène par l'oxygène moléculaire O2, qui a commencé à provenir de la surface de la planète à la suite de la photosynthèse, à partir d'il y a 3 milliards d'années. L'azote N2 est également rejeté dans l'atmosphère à la suite de la dénitrification des nitrates et d'autres composés contenant de l'azote. L'azote est oxydé par l'ozone en NO dans la haute atmosphère.
L'azote N2 n'entre en réaction que dans des conditions spécifiques (par exemple, lors d'une décharge de foudre). L'oxydation de l'azote moléculaire par l'ozone lors des décharges électriques est utilisée en faible quantité dans la production industrielle d'engrais azotés. Il peut être oxydé avec une faible consommation d'énergie et converti en une forme biologiquement active par des cyanobactéries (algues bleu-vert) et des bactéries nodulaires qui forment une symbiose rhizobienne avec des légumineuses, les soi-disant. engrais vert.
Oxygène
La composition de l'atmosphère a commencé à changer radicalement avec l'avènement des organismes vivants sur Terre, à la suite de la photosynthèse, accompagnée de la libération d'oxygène et de l'absorption de dioxyde de carbone. Initialement, l'oxygène était dépensé pour l'oxydation des composés réduits - ammoniac, hydrocarbures, la forme ferreuse du fer contenue dans les océans, etc. À la fin de cette étape, la teneur en oxygène de l'atmosphère a commencé à augmenter. Peu à peu, une atmosphère moderne aux propriétés oxydantes s'est formée. Étant donné que cela a provoqué des changements graves et brusques dans de nombreux processus se produisant dans l'atmosphère, la lithosphère et la biosphère, cet événement a été appelé la catastrophe de l'oxygène.
Au cours du Phanérozoïque, la composition de l'atmosphère et la teneur en oxygène ont subi des modifications. Ils étaient principalement corrélés avec le taux de dépôt des roches sédimentaires organiques. Ainsi, pendant les périodes d'accumulation de charbon, la teneur en oxygène dans l'atmosphère a apparemment sensiblement dépassé le niveau moderne.
Gaz carbonique
La teneur en CO2 dans l'atmosphère dépend de l'activité volcanique et des processus chimiques dans les coquilles terrestres, mais surtout de l'intensité de la biosynthèse et de la décomposition de la matière organique dans la biosphère terrestre. La quasi-totalité de la biomasse actuelle de la planète (environ 2,4 1012 tonnes) est formée à cause du dioxyde de carbone, de l'azote et de la vapeur d'eau contenus dans l'air atmosphérique. Enfouie dans l'océan, dans les marécages et dans les forêts, la matière organique se transforme en charbon, pétrole et gaz naturel.
gaz nobles
La source des gaz inertes - argon, hélium et krypton - est les éruptions volcaniques et la désintégration des éléments radioactifs. La terre dans son ensemble et l'atmosphère en particulier sont appauvries en gaz inertes par rapport à l'espace. On pense que la raison en est la fuite continue de gaz dans l'espace interplanétaire.
La pollution de l'air
Récemment, l'homme a commencé à influencer l'évolution de l'atmosphère. Le résultat de ses activités a été une augmentation constante de la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère due à la combustion des hydrocarbures accumulés au cours des époques géologiques précédentes. D'énormes quantités de CO2 sont consommées lors de la photosynthèse et absorbées par les océans du monde. Ce gaz pénètre dans l'atmosphère en raison de la décomposition des roches carbonatées et des substances organiques d'origine végétale et animale, ainsi qu'en raison du volcanisme et des activités de production humaine. Au cours des 100 dernières années, la teneur en CO2 de l'atmosphère a augmenté de 10 %, l'essentiel (360 milliards de tonnes) provenant de la combustion de carburant. Si le taux de croissance de la combustion de carburant se poursuit, dans les 200 à 300 prochaines années, la quantité de CO2 dans l'atmosphère doublera et pourrait entraîner un changement climatique mondial.
La combustion de carburant est la principale source de gaz polluants (CO, NO, SO2). Le dioxyde de soufre est oxydé par l'oxygène atmosphérique en SO3 et l'oxyde nitrique en NO2 dans la haute atmosphère, qui à son tour interagissent avec la vapeur d'eau, et l'acide sulfurique H2SO4 et l'acide nitrique HNO3 qui en résultent tombent à la surface de la Terre sous la forme de so- appelé. pluie acide. L'utilisation de moteurs à combustion interne entraîne une importante pollution de l'air par les oxydes d'azote, les hydrocarbures et les composés du plomb (plomb tétraéthyle) Pb(CH3CH2)4.
La pollution par les aérosols de l'atmosphère est causée à la fois par des causes naturelles (éruption volcanique, tempêtes de poussière, entraînement de gouttelettes d'eau de mer et de pollen de plantes, etc.) et par l'activité économique humaine (extraction de minerais et de matériaux de construction, combustion de carburant, production de ciment, etc. .). L'élimination intense et à grande échelle de particules solides dans l'atmosphère est l'une des causes possibles du changement climatique sur la planète.
(Visité 719 fois, 1 visites aujourd'hui)