L'atmosphère est la fine couche de gaz qui entourant notre
planète est entraînée dans son mouvement
de rotation. Les forces gravitationnelles (type de forces régissant
le mouvement des planètes) l'empêchent de se disperser
dans l'espace.
L'épaisseur de l'atmosphère est estimée à
500 km, elle est qualifiée de fine par rapport au rayon
de la terre (6730 km). On peut considérer que plus de 99
% de sa masse est concentrée dans les 50 premiers km. Ceci
est dû au fait qu'au fur et à mesure que l'on s'élève
dans l'atmosphère, la pression diminue fortement.
C'est pour la même raison que la composition de l'atmosphère
varie avec l'altitude et que l'on observe un phénomène
de ségrégation : les gaz les plus légers
ont une tendance naturelle à s'élever et présentent
donc des concentrations plus élevées en altitude
qu'au sol.
Malgré ce phénomène, on peut cependant considérer
que la composition de l'atmosphère est homogène,
pour les composants majeurs, dans la première couche de
100 km. Elle est synthétisée au Tableau 1 pour les
gaz.
L'air contient également des poussières, des aérosols
ainsi que de l'eau sous diverses formes (eau, vapeur, glace).
| Azote (N2) | 78.09 |
| Oxygène (O2) | 20.95 |
| Argon (Ar) | 0.93 |
| Dioxyde de carbone (CO2) | 0.033 |
| Néon (Ne) | 18 |
| Hélium (He) | 5 |
| Krypton (Kr) | 1 |
| Xénon (Xe) | 0.09 |
| Méthane (CH4) | 1.5 |
| Monoxyde de carbone (CO) | 0.1 |
| Hydrogène (H2) | 0.5 |
| Protoxyde d'azote (N2O) | 0.25 |
Il est erroné de croire que la composition de l'atmosphère
est restée stable depuis les origines de la terre jusqu'à
l'avènement de la société industrielle. Certes,
on a pu remarquer, grâce à l'étude des bulles
d'air emprisonnées dans les glaces de l'Antarctique, une
augmentation notoire, allant jusqu'au doublement, depuis 250 ans,
des concentrations de gaz tels que le CO2 et le méthane.
L'importance de ce phénomène reste néanmoins
très faible par rapport aux bouleversements qui se sont
produits depuis les origines de la Terre.
En effet, il est généralement admis que l'atmosphère,
à l'origine, était très différente
de celle dans laquelle nous vivons et s'apparentait aux gaz émis
par les éruptions volcaniques. Ainsi elle ne contenait
probablement pas d'oxygène mais de l'eau, du dioxyde de
carbone, de l'azote et du sulfure d'hydrogène. C'est à
la suite du refroidissement de la terre que l'on a assisté
à une condensation de la vapeur d'eau (produisant les océans).
De plus, la concentration en CO2 a fortement diminué
du fait de sa dissolution dans les océans et de sa fixation
dans les sédiments. De ce fait, la vapeur et le CO2
sont devenus minoritaires par rapport à l'azote. Ensuite,
avec l'apparition de formes de vie végétale, la
photosynthèse a permis la formation de l'oxygène
à partir du CO2.
On estime que ces phénomènes se sont déroulés
pendant une période allant d'il y a 4 milliards d'année
à 600 millions d'années, soit bien avant l'apparition
de l'homme !
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1.2.1. Fonctions de l'atmosphère
L'atmosphère protège la terre et ses habitants de
la chute de la plupart des météorites, du bombardement
des particules cosmiques et de l'incidence des dangereux rayonnements
solaires ultraviolets. Elle atténue les variations climatiques
au niveau global par le déplacement des masses d'air. Elle
participe à l'équilibre thermique de la terre par
l'effet de serre. Elle apporte les éléments gazeux
nécessaires à la vie. Enfin, elle participe aux
échanges de matière et d'énergie entre les
différents milieux terrestres (lithosphère, biosphère,
océans, ruissellements de surface).
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Le climat, en un lieu donné, peut être défini
comme la synthèse des conditions météorologiques
régnant en cet endroit dans un rythme journalier et saisonnier.
Cette synthèse est caractérisée par des statistiques,
calculées sur plus d'une décennie, des éléments
météorologiques (phénomènes atmosphériques
qui caractérisent l'état du temps en un lieu et
un instant donné).
L'atmosphère influence le climat tant au niveau global
qu'au niveau local.
A l'échelle de la terre, deux éléments influencent
la température moyenne (paramètre climatique) en
surface : la quantité d'énergie solaire incidente
et la composition de l'atmosphère, en particulier, en ce
qui concerne les gaz et particules présentant un potentiel
d'effet de serre important (voir point 1.2.2.3.). La circulation
des masses d'air résulte d'un déséquilibre
géographique du bilan thermique (apport solaire - perte
par rayonnement infrarouge) entre l'équateur et les pôles.
En effet, les régions tropicales reçoivent plus
de chaleur solaire qu'elles n'en émettent sous forme infrarouge
alors que la situation aux pôles est opposée. Ce
phénomène induit une circulation des masses d'air
froid depuis les pôles en direction de l'équateur
et de masses d'air chaud en sens inverse. Dans la région
des pôles, la dominante est la circulation de courants froids.
Dans la région de l'équateur, la dominante est la
circulation de courants chauds.
A l'échelle d'un pays comme le nôtre, les variations
climatiques observées sont dues principalement aux effets
du relief, de la continentalité et de la nature du sol.
L'influence du relief se marque sur la direction et la vitesse
du vent, ainsi que sur l'ensoleillement du fait des différences
de l'orientation des bassins versants. Pour la nature du sol,
on note l'influence des variations du couvert végétal
et de l'humidité du sol. Enfin, la continentalité
se marque par une fluctuation plus importante des températures
et une diminution des précipitations. En effet, les nuages
se forment en particulier au-dessus des océans et les masses
d'air, lorsqu'elles traversent des régions continentales,
tendent à perdre une partie de plus en plus grande de l'eau
transportée (nuages), de ce fait les précipitations
sont de moins en moins importantes.
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L'effet de serre est un processus physique naturel. Il s'apparente
au phénomène rencontré lorsqu'un rayonnement
solaire pénètre au travers d'une vitre dans un espace
clos (serre, voiture, etc). Dans ce cas, le rayonnement solaire,
dont les longueurs d'ondes sont courtes, traverse aisément
la vitre, est absorbée par un milieu récepteur (objets,
plantes, etc.) et réémis par ce milieu sous forme
de rayonnements de grandes longueurs d'ondes auxquels la vitre
est opaque (comme un mur l'est pour la lumière visible).
Le rayonnement est en partie réfléchi et en partie
absorbé par la vitre. L'énergie solaire est alors
piégée dans cet espace clos et la température
y augmente.
Le changement de longueur d'onde est dû au fait qu'un objet
quelconque émet un rayonnement dont la longueur d'onde
est fonction de sa température (proportionnel à
l'inverse de la quatrième puissance de la température
absolue 1/T4). Le soleil ayant une température
d'environ 6.000° K et la terre de 288°K, les longueurs
d'ondes sont très différentes.
L'effet de serre atmosphérique met en oeuvre les mêmes
phénomènes, mais est quelque peu plus complexe.
Schématiquement, le rayonnement solaire incident (1) pénètre
facilement jusqu'à la surface de la terre où il
est absorbé (2), car l'atmosphère est relativement
transparente pour les rayonnements de faibles longueurs d'ondes.
Une partie assez faible du rayonnement solaire incident (1) est
cependant dévié vers le vide interstellaire et une
autre partie est absorbée sur le trajet.
La terre émet à son tour un rayonnement de grande
longueur d'onde (3). L'atmosphère est très opaque
à ce type de rayonnement, du fait de la présence
de certains gaz ayant la particularité de l'absorber (vapeur
d'eau, dioxyde de carbone, ozone, méthane, protoxyde d'azote,
CFC etc.). Schématiquement, les couches atmosphériques
absorbent le rayonnement et réémettent à
leur tour un rayonnement infrarouge dont une partie descend vers
la terre (5) et une partie s'éloigne dans l'espace. La
température au sol est la résultante du rayonnement
solaire absorbé (2) et du flux de rayonnement infrarouge
descendant (5).
En réalité, les phénomènes d'absorption
du rayonnement infrarouge et de réémission par les
molécules de gaz absorbants se déroulent dans l'ensemble
du volume de l'atmosphère. Cela signifie qu'un rayon partant
de la terre va rencontrer une première molécule
de gaz et être absorbé. Un rayonnement sera réémis
par la molécule dans toutes les directions (comme le soleil
émet dans toutes les directions de l'espace); ces rayons
vont rencontrer d'autres molécules de gaz et le phénomène
recommencera. C'est donc un genre de collision en chaîne
qui se déroule dans l'atmosphère.
En l'absence de gaz absorbants pour les rayonnements infrarouges
dans l'atmosphère, la température moyenne à
la surface de la terre serait de -18°C au lieu des 15°C
enregistrés actuellement. La différence, soit 33°C
est attribuable à l'action de l'effet de serre dans les
conditions actuelles de densité et de concentrations de
notre atmosphère. Cela signifie que l'effet de serre est
un phénomène utile sans lequel la vie sur terre
serait très différente de ce que nous connaissons,
voire même impossible, car les variations entre les températures
diurnes et nocturnes seraient extrêmes si elles étaient
influencées par la seule incidence d'énergie solaire
(lumière).
Le danger relatif à cet effet de serre est, en
réalité, sa variation. La concentration de certains
gaz à effet de serre (GES) est en augmentation depuis le
début de l'Ere industrielle et menace de perturber l'équilibre
thermique global de la planète. L'augmentation de température
conséquente serait d'environ quelques degrés mais
aurait des conséquences très importantes sur l'étendue
des glaces, le climat, les précipitations, etc. C'est pourquoi
des programmes de réduction des GES sont élaborés
par les instances internationales et nationales.
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1.2.1.3. Couche d'ozone
et ozone troposphérique
L'ozone (O3) résulte de la recombinaison d'une
molécule d'oxygène (O2) avec d'un atome
d'oxygène (O) provenant du bris d'une tierce molécule.
Il est présent dans toute l'atmosphère à raison de quelques ppm (quelques molécules par millions de molécules des gaz constitutifs de l'air). Ces concentrations ne restent néanmoins pas constantes dans toute son épaisseur. Les niveaux les plus importants sont atteints dans la stratosphère (entre 10 et 50 km d'altitude). C'est pourquoi on parle d'ozone stratosphérique, par opposition à l'ozone troposphérique (entre 0 et 10 km d'altitude). Ce dernier se forme lors de périodes de fort ensoleillement, en présence de précurseurs tels que les oxydes d'azote et les composés organiques volatils.
Il s'agit du même composé, présentant le même
ensemble de propriétés. Néanmoins, l'environnement
étant différent, certaines propriétés
sont " masquées " dans le cas de l'ozone
troposphérique ou stratosphérique. Ainsi, vu l'absence
de formes de vie dans les couches stratosphériques, les
propriétés irritantes pour les yeux et les muqueuses
ne sont pas mises en évidence!
Ozone stratosphérique
Dans cette couche de l'atmosphère, la réaction de
formation de l'ozone est initiée par l'action brisante,
sur une molécule d'oxygène, des radiations solaires
UVC (UltraViolet : rayonnement lumineux de faibles longueurs
d'ondes et très énergétiques, on parle des
UVA, UVB et UVC qui sont les plus dangereux). Sa destruction,
par l'action du même rayonnement UV, produit une molécule
d'oxygène (O2) et un atome d'oxygène
(O). Par la suite, ce dernier pourra de nouveau participer à
la réaction de formation de l'ozone.
La présence importante d'ozone dans la couche allant de
10 à 50 km s'explique par la nécessité de
disposer simultanément des deux composants de la réaction
de formation. A une altitude plus élevée, l'oxygène
se raréfie; à une altitude plus faible, les radiations
UVC sont insuffisamment présentes.
Dans les couches élevées de l'atmosphère,
les rayons UV sont donc présents en quantité et
c'est leur " consommation " par les réactions
précitées qui permet leur faible incidence à
la surface de la terre. La couche d'ozone agit, à ce propos,
comme un filtre. C'est la raison pour laquelle on parle de "
bouclier " d'ozone contre les UV. Il s'agit là
d'un bien grand mot car il est constitué d'une infime quantité
de gaz. D'après les calculs, elle ne présenterait
qu'une épaisseur de trois millimètres si tout l'ozone
se trouvait rassemblé à la surface de la terre,
dans les conditions de température et de pression y régnant
habituellement. Lorsque les scientifiques parlent de la variation
d'épaisseur de la couche d'ozone, ils utilisent ces mêmes
artifices de calcul.
L'épaisseur de la couche d'ozone évolue naturellement
dans l'espace et dans le temps. Ainsi, bien que la formation d'ozone
se produise surtout à l'équateur, l'épaisseur
est plus importante aux pôles grâce au phénomène
de déplacement des masses d'air. A l'échelle d'une
année, aux pôles, on observe une variation importante
de cette épaisseur en raison de la stagnation des masses
d'air pendant la période hivernale. Si la probabilité
de former de l'ozone y est extrêmement faible par contre,
sa destruction a toujours lieu. Elle est même facilitée
par des phénomènes particuliers. De ce fait, la
couche d'ozone se réduit de moitié au cours de cette
période. C'est ce que les scientifiques appellent le trou
dans la couche d'ozone! Heureusement, vers le mois de décembre,
l'arrivée de masses d'air plus riches rétablit peu
à peu les concentrations en ozone habituelles, pour atteindre
un maximum dans le courant du printemps.
Différents facteurs peuvent influencer l'épaisseur
de la couche d'ozone stratosphérique. Certains sont naturels
comme les éruptions volcaniques dont l'action est défavorable
à la couche d'ozone et l'intensité de l'activité
solaire pouvant jouer dans les deux sens. D'autres sont anthropiques
(dus à l'action des humains), tels que l'augmentation de
concentration en chlore et de ses dérivés tels que
les CFC dans la stratosphère. Ces produits peuvent être
mis en jeu dans des réactions de destruction de l'ozone.
Ils influencent donc l'équilibre entre création
et destruction de l'ozone, dans le sens d'une plus grande destruction,
et par conséquent d'une diminution de sa concentration.
La diminution de la couche d'ozone est préjudiciable
à la vie sur terre car elle serait accompagnée d'une
augmentation de radiations UV. Divers phénomènes,
dont les suivants, sont prévisibles tant au niveau des
plantes que des humains et des animaux :
Ozone troposphérique
Dans la troposphère, la réaction de formation de
l'ozone est initiée par l'action brisante des radiations
solaires UVA ou UVB sur une molécule de dioxyde d'azote
formant ainsi un atome d'oxygène et une molécule
de monoxyde d'azote. En effet, il n'y a plus suffisamment de radiations
UVC pour initier la réaction rencontrée dans la
stratosphère.
La destruction de l'ozone est due à sa réaction
avec le monoxyde d'azote pour reformer du dioxyde d'azote.
Dans une atmosphère non polluée, les réactions
s'équilibrent et la concentration en ozone est faible.
En présence de pollution par les COVs (Composés Organiques Volatils) les NOX (oxydes d'azote) appelés tous deux les précurseurs, et de fortes radiations solaires (UVA et UVB), l'équilibre est rompu et on assiste à une augmentation de la concentration en ozone au sol.
C'est le phénomène de SMOG photochimique. Celui-ci
est caractérisé par une diminution de la visibilité
et par des atteintes aux humains, animaux, plantes et matériaux;
de plus, il est une composante de l'acidification. En ce qui concerne
la santé humaine, on observe des affections respiratoires,
des irritations des muqueuses et des yeux. Certaines études
tendent même à démontrer que la conjugaison
de fortes chaleurs et de concentrations élevées
en ozone a un effet non négligeable sur la mortalité.
Il est très difficile de juguler le phénomène,
dès qu'il a démarré. Les seules actions efficaces
consistent à diminuer, à long terme, la pollution
pour les deux précurseurs. La complexité des réactions
chimiques qui contribuent à la formation de l'ozone se
reflète dans la difficulté à les limiter.
La limitation à court terme des teneurs en précurseurs
est, à cet égard, relativement inefficace et peut
conduire à des résultats inverses de ceux recherchés.
La diminution des épisodes de fortes concentrations d'ozone
est un défi capital pour les autorités.
Les mélanges entre l'ozone stratosphérique et troposphérique
sont habituellement marginaux. Il est donc erroné de croire
que l'ozone troposphérique peut contribuer à apporter
une solution à la diminution de l'épaisseur de la
couche d'ozone. Par contre, il arrive que des courants descendants
rapides apportent au sol depuis la stratosphère des quantités
importantes d'ozone. Ce phénomène donne lieu à
l'enregistrement de fortes concentrations d'ozone à des
moments incongrus, par exemple la nuit, en hiver ou au printemps.