planète Terre

L'atmosphère

La Terre est entourée d'une atmosphère relativement mince (communément appelée air) composée d'un mélange de gaz, principalement de l'azote moléculaire (78%) et de l'oxygène moléculaire (21%). Sont également présents des quantités beaucoup plus petites de gaz tels que l'argon (près de 1%), la vapeur d'eau (en moyenne 1% mais très variable dans le temps et l'emplacement), le dioxyde de carbone (0,0395% [395 parties par million] et actuellement en augmentation), le méthane (0,00018 pour cent [1,8 parties par million] et actuellement en hausse), et d'autres, ainsi que de minuscules particules solides et liquides en suspension.

géoïde: détermination de la figure de la Terre

Le crédit pour l'idée que la Terre est sphérique est généralement attribué à Pythagore (florissant 6ème siècle avant JC) et

Parce que la Terre a un champ gravitationnel faible (en raison de sa taille) et des températures atmosphériques chaudes (en raison de sa proximité avec le Soleil) par rapport aux planètes géantes, il lui manque les gaz les plus courants dans l'univers qu'ils possèdent: l'hydrogène et l'hélium. Alors que le Soleil et Jupiter sont composés principalement de ces deux éléments, ils ne pouvaient pas être conservés longtemps sur la Terre primitive et s'évaporer rapidement dans l'espace interplanétaire. La teneur élevée en oxygène de l'atmosphère terrestre sort de l'ordinaire. L'oxygène est un gaz hautement réactif qui, dans la plupart des conditions planétaires, serait combiné avec d'autres produits chimiques dans l'atmosphère, la surface et la croûte. Il est en effet alimenté en continu par des processus biologiques; sans vie, il n'y aurait pratiquement pas d'oxygène libre. Les 1,8 parties par million de méthane dans l'atmosphère sont également loin de l'équilibre chimique avec l'atmosphère et la croûte: elle aussi est d'origine biologique, la contribution des activités humaines dépassant largement les autres.

Les gaz de l'atmosphère s'étendent de la surface de la Terre à des hauteurs de milliers de kilomètres, finissant par se confondre avec le vent solaire - un flux de particules chargées qui s'écoule vers l'extérieur des régions ultrapériphériques du Soleil. La composition de l'atmosphère est plus ou moins constante avec une hauteur jusqu'à une altitude d'environ 100 km (60 miles), avec des exceptions particulières étant la vapeur d'eau et l'ozone.

L'atmosphère est généralement décrite en termes de couches ou régions distinctes. La plupart de l'atmosphère est concentrée dans la troposphère, qui s'étend de la surface à une altitude d'environ 10 à 15 km (6 à 9 milles), selon la latitude et la saison. Le comportement des gaz dans cette couche est contrôlé par convection. Ce processus implique les mouvements turbulents et renversants résultant de la flottabilité de l'air près de la surface qui est réchauffé par le Soleil. La convection maintient un gradient de température vertical décroissant, c'est-à-dire un déclin de la température avec l'altitude, d'environ 6 ° C (10,8 ° F) par km dans la troposphère. Au sommet de la troposphère, qui est appelée la tropopause, les températures sont tombées à environ -80 ° C (−112 ° F). La troposphère est la région où presque toute la vapeur d'eau existe et essentiellement tous les temps se produisent.

La stratosphère sèche et ténue se situe au-dessus de la troposphère et s'étend jusqu'à une altitude d'environ 50 km (30 miles). Les mouvements convectifs sont faibles ou absents dans la stratosphère; les mouvements ont plutôt tendance à être orientés horizontalement. La température dans cette couche augmente avec l'altitude.

Dans les régions stratosphériques supérieures, l'absorption de la lumière ultraviolette du Soleil décompose l'oxygène moléculaire (O ₂); la recombinaison d'atomes d'oxygène uniques avec des molécules d'O ₂ en ozone (O ₃) crée la couche d'ozone de protection.

Au-dessus de la stratopause relativement chaude se trouve la mésosphère encore plus ténue, dans laquelle les températures diminuent à nouveau avec l'altitude à 80–90 km (50–56 miles) au-dessus de la surface, où la mésopause est définie. La température minimale atteinte y est extrêmement variable selon la saison. Les températures augmentent ensuite avec une hauteur croissante à travers la couche sus-jacente connue sous le nom de thermosphère. Au-dessus d'environ 80 à 90 km, il y a une fraction croissante de particules chargées ou ionisées qui, à partir de cette altitude, définit l'ionosphère. Des aurores spectaculaires visibles sont générées dans cette région, en particulier le long de zones approximativement circulaires autour des pôles, par l'interaction d'atomes d'azote et d'oxygène dans l'atmosphère avec des salves épisodiques de particules énergétiques provenant du Soleil.

La circulation atmosphérique générale de la Terre est entraînée par l'énergie de la lumière solaire, qui est plus abondante aux latitudes équatoriales. Le mouvement de cette chaleur vers les pôles est fortement affecté par la rotation rapide de la Terre et la force de Coriolis associée à des latitudes éloignées de l'équateur (ce qui ajoute une composante est-ouest à la direction des vents), entraînant de multiples cellules d'air en circulation dans chacune hémisphère. Les instabilités (perturbations du flux atmosphérique qui augmentent avec le temps) produisent les zones de haute pression et les tempêtes de basse pression caractéristiques des latitudes moyennes ainsi que les courants-jets rapides et orientés vers l'est de la haute troposphère qui guident les trajectoires des tempêtes. Les océans sont d'énormes réservoirs de chaleur qui agissent en grande partie pour atténuer les variations des températures mondiales de la Terre, mais leurs courants et températures qui changent lentement influencent également la météo et le climat, comme dans le phénomène météorologique El Niño / Oscillation australe (voir climat: Circulation, courants, et interaction océan-atmosphère; climat: El Niño / Oscillation australe et changement climatique).

L'atmosphère terrestre n'est pas une caractéristique statique de l'environnement. Au contraire, sa composition a évolué au fil du temps géologique de concert avec la vie et évolue plus rapidement aujourd'hui en réponse aux activités humaines. À peu près à mi-chemin de l'histoire de la Terre, l'abondance inhabituellement élevée d'oxygène libre dans l'atmosphère a commencé à se développer, par le biais de la photosynthèse par les cyanobactéries (voir les algues bleu-vert) et la saturation des puits naturels d'oxygène de surface (par exemple, des minéraux et de l'hydrogène relativement pauvres en oxygène). gaz riches exsudés des volcans). L'accumulation d'oxygène a permis aux cellules complexes, qui consomment de l'oxygène au cours du métabolisme et dont toutes les plantes et tous les animaux sont composés, de se développer (voir eucaryote).

Le climat de la Terre à n'importe quel endroit varie avec les saisons, mais il existe également des variations à plus long terme du climat mondial. Les explosions volcaniques, comme l'éruption du mont Pinatubo en 1991 aux Philippines, peuvent injecter de grandes quantités de particules de poussière dans la stratosphère, qui restent en suspension pendant des années, diminuant la transparence atmosphérique et entraînant un refroidissement mesurable dans le monde entier. Beaucoup plus rares, les impacts géants des astéroïdes et des comètes peuvent produire des effets encore plus profonds, y compris de fortes réductions de la lumière solaire pendant des mois ou des années, comme de nombreux scientifiques pensent que cela a conduit à l'extinction massive d'espèces vivantes à la fin du Crétacé, 66 millions d'années depuis. (Pour plus d'informations sur les risques posés par les impacts cosmiques et les chances de leur occurrence, voir Risque d'impact sur la Terre.) Les variations climatiques dominantes observées dans les récents enregistrements géologiques sont les âges glaciaires, qui sont liés aux variations de l'inclinaison de la Terre et de son orbite. géométrie par rapport au Soleil.

La physique de la fusion de l'hydrogène conduit les astronomes à conclure que le Soleil était 30% moins lumineux au cours de la première histoire de la Terre qu'aujourd'hui. Par conséquent, toutes choses étant égales par ailleurs, les océans auraient dû être gelés. Les observations des voisins planétaires de la Terre, Mars et Vénus, et les estimations du carbone emprisonné dans la croûte terrestre suggèrent actuellement qu'il y avait beaucoup plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre au cours des périodes antérieures. Cela aurait amélioré le réchauffement de la surface via l'effet de serre et aurait ainsi permis aux océans de rester liquides.

Aujourd'hui, il y a 100 000 fois plus de dioxyde de carbone enfoui dans les roches carbonatées de la croûte terrestre que dans l'atmosphère, ce qui contraste fortement avec Vénus, dont l'évolution atmosphérique a suivi un cours différent. Sur Terre, la formation de coquilles de carbonate par la vie marine est le principal mécanisme de transformation du dioxyde de carbone en carbonates; les processus abiotiques impliquant de l'eau liquide produisent également des carbonates, quoique plus lentement. Sur Vénus, cependant, la vie n'a jamais eu la chance de se lever et de générer des carbonates. En raison de l'emplacement de la planète dans le système solaire, Vénus primitive a reçu 10 à 20 pour cent de plus de lumière solaire que les chutes sur Terre, même aujourd'hui, malgré le jeune soleil plus faible à l'époque. La plupart des scientifiques planétaires pensent que la température de surface élevée qui en a résulté a empêché l'eau de se condenser en un liquide. Au lieu de cela, il est resté dans l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau, qui, comme le dioxyde de carbone, est un gaz à effet de serre efficace. Ensemble, les deux gaz ont fait monter les températures de surface encore plus haut, de sorte que des quantités massives d'eau se sont échappées dans la stratosphère, où elle a été dissociée par le rayonnement ultraviolet solaire. Avec des conditions maintenant trop chaudes et sèches pour permettre la formation de carbonates abiotiques, la plupart ou la totalité de l'inventaire de carbone de la planète est resté dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Les modèles prédisent que la Terre pourrait subir le même sort dans un milliard d'années, lorsque le Soleil dépassera sa luminosité actuelle de 10 à 20%.

Entre la fin des années 50 et la fin du 20e siècle, la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre a augmenté de plus de 15% en raison de la combustion de combustibles fossiles (par exemple, charbon, pétrole et gaz naturel) et de la destruction des forêts tropicales humides, comme celle du bassin du fleuve Amazone. Les modèles informatiques prédisent qu'un doublement net du dioxyde de carbone d'ici le milieu du 21e siècle pourrait conduire à un réchauffement climatique de 1,5 à 4,5 ° C (2,7 à 8,1 ° F) en moyenne sur la planète, ce qui aurait des effets profonds sur le niveau de la mer et agriculture. Bien que cette conclusion ait été critiquée par certains au motif que le réchauffement observé jusqu'à présent n'a pas suivi le rythme de la projection, les analyses des données sur la température des océans ont suggéré qu'une grande partie du réchauffement au cours du 20e siècle s'est en fait produite dans les océans eux-mêmes - et finissent par apparaître dans l'atmosphère.

Une autre préoccupation actuelle concernant l'atmosphère est l'impact des activités humaines sur la couche d'ozone stratosphérique. Des réactions chimiques complexes impliquant des traces de chlorofluorocarbones artificiels (CFC) se sont révélées au milieu des années 80 créer des trous temporaires dans la couche d'ozone, en particulier au-dessus de l'Antarctique, au printemps polaire. Encore plus troublant a été la découverte d'un appauvrissement croissant de l'ozone sous les latitudes tempérées très peuplées, car il a été constaté que le rayonnement ultraviolet à courte longueur d'onde que la couche d'ozone absorbe efficacement provoque le cancer de la peau. Les accords internationaux en place pour arrêter la production des CFC les plus flagrants qui détruisent l'ozone finiront par arrêter et inverser l'appauvrissement, mais seulement d'ici le milieu du 21e siècle, en raison du long temps de séjour de ces produits chimiques dans la stratosphère.