AÉRONOMIE

Phénomènes de transport

La distribution des constituants atmosphériques soumis à l'action du rayonnement solaire et impliqués dans de nombreuses réactions chimiques ne peut pas être évaluée en faisant uniquement un bilan des productions et des pertes. Il faut aussi tenir compte des phénomènes de transport capables de modifier fortement la répartition en altitude et en latitude des constituants de l'atmosphère. Il y a lieu de distinguer deux grandes catégories de mouvements. Tout d'abord, les mouvements d'ensemble qui affectent à la fois les constituants majoritaires et minoritaires. Ce sont essentiellement les vents horizontaux dont la structure et l'effet peuvent être très variables en fonction de l'altitude. Ensuite, les mouvements spécifiques à chaque constituant minoritaire peuvent modifier de façon appréciable la distribution verticale de ceux-ci en fonction de l'importance relative des processus de perte et de production chimique et photochimique.

L'ensemble des phénomènes de la circulation horizontale est extrêmement compliqué. Il est cependant utile de signaler une différence fondamentale entre la circulation générale dans l'homosphère et dans l' hétérosphère. Au-dessous de 100 km d'altitude, le vent horizontal souffle parallèlement aux isobares. Dans l'hémisphère Nord, le vent souffle dans le sens des aiguilles d'une montre autour des centres de haute pression et dans le sens contraire autour des centres de basse pression. Il s'agit de l'approximation géostrophique à laquelle nous sommes habitués dans la troposphère, mais qui reste valable jusqu'aux environs de 100 km. Dans l'hémisphère Sud, les sens de rotation sont inversés. Au-dessus de 100 km, le rayonnement solaire ultraviolet a formé l' ionosphère constituée d'électrons et d'ions positifs qui sont toujours en quantité inférieure au millième des concentrations des espèces neutres. Malgré cela, l'interaction entre l'hétérosphère neutre et l'ionosphère est tellement forte que les vents horizontaux soufflent des centres de haute pression vers les centres de basse pression, c'est-à-dire perpendiculairement aux isobares. Dans l'hétérosphère, les vents horizontaux atteignent aisément 300 km/h, et des valeurs de 3 000 km/h ont été observées dans les régions aurorales lors de fortes perturbations dues à l'influence des champs électriques de la magnétosphère.

Les transports verticaux sont de plusieurs ordres de grandeur plus faibles, mais sont fondamentaux pour comprendre la distribution verticale des constituants de l'atmosphère. Dans l'homosphère, la turbulence assure une décroissance identique avec l'altitude pour tous les constituants principaux (N₂, O₂, Ar). À la turbopause, vers 100 km d'altitude, la diffusion moléculaire permet une séparation des constituants en fonction de leur masse atomique ou moléculaire. Les constituants les plus légers diffusent plus facilement vers le haut que les constituants plus lourds (fig.7). Ainsi, la teneur en un constituant dont la masse atomique est inférieure à la masse moléculaire moyenne dans l'homosphère (28,9 unités de masse atomique) décroît moins vite avec l'altitude que celle d'un constituant plus lourd (fig. 7). Ce transport vertical, associé à la photodissociation de l'oxygène moléculaire, explique pourquoi l'oxygène atomique devient progressivement l'élément le plus abondant au-dessus de 100 km. Au-dessus de 500 km, l'oxygène est à son tour supplanté par l'hélium et l'hydrogène atomique qui étaient des constituants négligeables dans toute l'homosphère et dans la basse thermosphère.