ATMOSPHÈRE La couche atmosphérique terrestre

Épaisseur

En raison de son poids, l’atmosphère exerce une pression sur les objets qui sont à son contact. Ainsi, la pression atmosphérique dite standard, 101 325 pascals (P) ou 1013,25 hectopascals (hPa), correspond à la pression moyenne enregistrée au niveau moyen de la mer sur la latitude de Paris. Mais, comme l’ont mis en évidence les travaux de Torricelli en 1644 et de Pascal en 1648, cette valeur diminue rapidement lorsqu’on s’élève (700 hPa vers 3 km d’altitude ; 500 hPa vers 5,6 km ; 100 hPa vers 16 km ; 10 hPa vers 31 km). C’est la raison pour laquelle, à des altitudes supérieures à 18 ou 19 kilomètres, les astronautes doivent utiliser une combinaison pressurisée car la pression y est suffisamment basse (moins de 63 hPa) pour que l’eau – et par conséquent certains fluides du corps humain – entre en ébullition à la température du corps, soit 37 ⁰C. Cette altitude, encore nommée « limite Armstrong », est une limite physiologique mortelle pour nos organismes.

Comme en absence de perturbation, la pression atmosphérique mesurée en un point donné résulte de la force exercée par le poids de l’air située sur ce point, on déduit de ce qui précède que la moitié de la masse de l’atmosphère se situe en dessous de 5,6 kilomètres (90 p. 100 en dessous de 16 km, et 99 p. 100 en dessous de 31 km).

Dans les études du bilan énergétique de la Terre, les climatologues placent conceptuellement le « sommet de l’atmosphère » à une altitude d’environ 100 kilomètres, altitude au-dessus de laquelle on ne rencontrerait plus que 0,3 millionième de la masse, c’est-à-dire que 99,999 97 p. 100 se trouveraient en dessous. Au-delà, l’atmosphère est de plus en plus ténue. Il devient difficile de détecter la présence de gaz dont la densité varie en fonction de l’activité solaire. Par forte activité, certains satellites en orbite basse ont ainsi subi des forces de frottement les forçant à ralentir jusqu’à une altitude de 700 à 800 kilomètres, ce qui situerait alors le sommet de l’atmosphère approximativement à ces niveaux, bien qu’il n’existe pas de frontière nette entre l'atmosphère et l’espace interplanétaire.

Masse

La pression atmosphérique est définie comme l’intensité des forces qu'exerce l’atmosphère par unité de surface. En absence de vent, elle représente l’intensité du poids P (produit de la masse m par l'accélération de la pesanteur g, soit P = m × g) de la colonne d’air qui se trouve au-dessus d’une surface horizontale d’aire unité (1 m²). Ainsi, la pression atmosphérique moyenne mesurée au niveau de la mer – qui est de 1013,25 hPa ou 1 atm (symbole de l’atmosphère « normale », unité de pression qui n’appartient pas au Système international d’unités) – est exercée par une colonne d’air de 10 339 kg sur une surface de 1 mètre carré, soit l'équivalent de la pression qu’exercerait une colonne d'eau haute de 10,339 mètres. À 10,339 mètres sous la surface de l’eau, un plongeur subit donc une pression de 2 atm, en raison du poids de l’atmosphère et du poids de l’eau qui se trouve au-dessus de lui.

Il est donc possible de calculer la masse totale de l’atmosphère en se référant à la pression moyenne exercée sur la surface terrestre. Cette surface, ayant une altitude moyenne d’environ 270 mètres au-dessus du niveau moyen de la mer, subit une pression atmosphérique moyenne d’environ 985 hPa, ce qui correspond à la pression exercée sur l’ensemble du globe par une masse de près de 5 × 10¹⁸ kg (soit 5 millions de milliards de tonnes), soit la masse totale des gaz présents dans l’atmosphère. Dans ce total, on estime à 1,3 × 10¹⁶ kg, soit près de 0,26 p. 100, la part représentée par la vapeur d'eau.

Masse volumique

La masse volumique (ou masse par unité de volume) de l’air correspond à la masse de l’ensemble des molécules présentes, dans un volume unité (1 m³). Dans le cas d’un gaz parfait, la masse volumique (ρ en kg.m^-3) est reliée à la pression et à la température suivant l’équation ρ = p/R.T, où p est la pression en pascals (Pa), T la température en kelvins (K) et R une constante qui dépend du gaz considéré (en joules.kg-1.K–1).

L’air atmosphérique étant essentiellement composé d’air sec et de vapeur d’eau, sa masse volumique est la somme des masses volumiques de ces deux composants :

ρ = ρ_a + ρ_v = p_a/R_a.T + p_v/R_v.T

où Ra = 287 J.kg-1.K-1 et Rv = 461,5 J.kg-1.K-1, l’indice « a » faisant référence à l’air sec et l’indice « v » à la vapeur d’eau. Ainsi, la valeur moyenne de la masse volumique de l’air atmosphérique est d'environ 1,2 kg/m³ au niveau moyen de la mer, et diminue rapidement lorsqu’on s’élève (0,9 kg/m³ vers 3 km d’altitude ; 0,6 kg/m³ vers 5 km ; 0,4 kg/m³ vers 10 km ; et seulement 0,09 kg/m³ vers 20 km).

Cette diminution très sensible de la masse volumique de l’air avec l’altitude explique pourquoi nous nous essoufflons de plus en plus au fur et à mesure que nous montons lors d’une randonnée en montagne. La diminution, avec l’altitude, de la quantité d’oxygène entrant dans nos poumons à chaque inspiration réduit la production d'énergie utilisable par nos cellules : c'est le phénomène d’« hypoxie ». Cet effet est ressenti différemment suivant les individus, certaines personnes pouvant en souffrir dès 3 500 mètres d'altitude alors que d’autres sont capables d’atteindre plus de 8 000 mètres.