Quel est l'environnement atmosphérique ?

Nous respirons l'air qui nous entoure sans en avoir conscience. Mais de quoi est-il constitué ?

L'air est essentiellement constitué de dioxygène et de diazote essentiels à la vie, mais il contient également d'autres gaz sans lesquels n'existeraient pas les conditions nécessaires à la protection et au maintien de celle-ci.

Un mélange de gaz

De quoi se compose l'air que nous respirons ? Quand nous respirons, nous n'en avons pas conscience mais nous avalons une multitude de gaz différents.

L'air sec (sans vapeur d'eau) est un mélange de gaz. Il contient 78,08 % de diazote, 20,95 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,03 % de dioxyde de carbone et d'autres gaz à l'état de traces. Nous retiendrons la proportion de 20 % de dioxygène et 80 % de diazote.

Le dioxygène de l'air est consommé lors de la respiration des êtres vivants, mais les plantes produisent (en moyenne) plus de dioxygène qu'elles n'en consomment, ce qui permet de stabiliser la quantité de dioxygène dans l'air. Le dioxyde de carbone, bien que présent en très petites quantités, joue un rôle primordial dans le climat de la Terre car il participe à l'effet de serre.

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La composition de l'atmosphère varie en fonction de l'altitude

L'atmosphère est l'ensemble des couches d'air qui entoure la Terre. Elle a une épaisseur de plusieurs centaines de kilomètres. Dans chaque couche de l'atmosphère, la température ne varie pas de la même façon.

La couche la plus basse, dans laquelle nous vivons est appelée la troposphère. L'air y a une composition constante, mais la pression et la température diminuent avec l'altitude. Il y a moins d'air et donc moins de dioxygène (deux fois moins environ) à 5 000 m d'altitude qu'au niveau de la mer. Les alpinistes le savent bien. Au sommet de l'Everest, l'air est rare et il y a peu de dioxygène ; il faut alors fournir des efforts considérables pour avancer si bien que peu d'alpinistes gravissent l'Everest sans l'aide de bouteilles de dioxygène.

La composition de l'atmosphère a varié au cours du temps

À l'origine, l''atmosphère terrestre était surtout constituée des gaz produits par les éruptions volcaniques alors très fréquentes. Il n'y avait pas de dioxygène, mais du diazote, de grandes quantités de dioxyde de carbone et de l'eau.

La Terre s'est ensuite refroidie et l'eau s'est condensée pour former les océans. Le dioxyde de carbone s'est fixé dans les sédiments (roches calcaires) et s'est dissout dans l'eau. L'apparition de formes de vie dans l'eau puis à la surface de la Terre (vie végétale) a permis la production de dioxygène, pour aboutir à la composition actuelle de l'air.

De quoi se compose l'atmosphère ? La composition des gaz présents dans l'atmosphère diffère selon les cycles de la Terre.

Les rôles de l'atmosphère

L'atmosphère est un bouclier, il nous protège des bombardements d'objets venant de l'espace. Lors de leur passage dans l'atmosphère, les météorites (formées de roches ou de glaces) ou les débris de satellites s'échauffent par frottement sur l'air suffisamment pour brûler ou exploser en minuscules morceaux ne présentant aucun danger pour l'homme.

L'air est un régulateur thermique. Il ne se refroidit pas et ne se réchauffe pas très vite. De plus, les mouvements de l'air rendent plus homogène sa température. Il diminue donc les différences de température entre le jour et la nuit. Sans atmosphère, les écarts de température entre le jour et la nuit seraient de plus de 200 °C.

L'atmosphère est un filtre. La couche d'ozone nous protège des rayons ultraviolets (UV) invisibles, émis par le Soleil en arrêtant les plus énergétiques Ceux qui passent sont malgré tout suffisamment puissants pour brûler la peau (bronzage et coups de soleil). Si la couche d’ozone venait à disparaître la vie ne serait plus possible qu'à l'abri du rayonnement solaire.

Les propriétés de l'air

Pression

La pression au sol de l'air est de l'ordre d'un bar au niveau de la mer. Lorsque l'on monte en altitude, la pression diminue. La concentration de l'air en gaz en est donc amoindrie. C'est pour cela qu'il est parfois difficile de respirer lors de l’ascension de certaines montagnes.

Dans les cabines d'avions, l'air est pressurisé afin de ne pas subir la baisse violente de pression lors de la montée au décollage.

La pression correspond à une grandeur physique qui permet de traduire les échange de quantité de mouvement au sein d'un système thermodynamique, notamment au sein d'un solide ou encore d'un fluide. On peut alors définir la pression comme correspondant à l'intensité de force que va exercer une fluide par unité de surface.

La pression est une grandeur scalaire, voire tensorielle, intensive.

Il faut être prudent lorsque l'on parle de la pression. En effet, nombreux sont ceux qui parlent de pression exercée par un fluide sur une paroi pour parler de la force pressante que le fluide va exercer par unité d'aire de la paroi. Cependant, la force correspond plutôt à une grandeur vectorielle que l'on défini localement alors que la pression correspond à une grandeur scalaire qui est définie en tout point du fluide concerné.

Etats des différents composants

Tous les éléments qui composent l'air le sont sous forme gazeuse. Cependant, leur température d'ébullition est changeante. Voici un tableau qui les récapitule :

NomTempérature
Hélium- 268,93 °C
Dihydrogène- 252,76 °C
Néon- 246,053 °C
Diazote- 195,79 °C
Argon- 185,85 °C
Dioxygène- 183 °C
Méthane- 161,52 °C
Krypton- 154,34 °C
Monoxyde d'azote- 151,8 °C
Ozone- 111,9 °C
Xénon- 108,09 °C
Protoxyde d'azote- 88,5 °C
Radon- 61,7 °C
Dioxyde de carbone- 56,6 °C
Dioxyde d'azote21,2 °C

Action de l'air

Sur la propagation des ondes

Comment se transmet le son ? L'air est un milieu matériel dans lequel les sons peuvent se propager.

Lorsque l'onde se propage dans un milieu fluide compressible, il est possible d'observer une variation de pression qui va alors se propager sous la forme d'une onde. L'air nous entourant étant un milieu fluide compressible, il est alors possible de ressentir ces ondes sous la forme de son que l'on perçoit grâce aux tympans. Cependant, pour qu'elle soit perceptible, il faut que la variation de pression, parce que son amplitude est faible par rapport à la pression atmosphérique, soit suffisamment rapide et répétée.

Il est possible de considérer tout objet vibrant, tel qu'un instrument de musique ou encore un haut-parleur, comme étant une source sonore qui est donc, comme son nom l'indique, la source des vibration de l'air. La perturbation va alors se propager, même si les particules oscillent très peu (soit quelques micromètres autour d'une position stable), d'une façon analogue aux perturbations de l'eau lorsqu'une pierre y tombe : on peut observer des vagues qui s'éloignent peu à peu du point de perturbation bien que l'eau reste au même endroit. En effet, l'eau ne se déplace que verticalement et ne suit pas les vagues (il est possible d'observer ce phénomène en plaçant un objet flottant près de la perturbation : il ne restera à la même position).

On peut alors dire que, dans les fluides, l'onde sonore correspond à une onde longitudinale. Ainsi, les particules observées vibrent de façon parallèle à la direction de déplacement de l'onde.

Une onde sonore peut également être transmise par un solide vibrant. En effet, la vibration va se propager au sein du solide comme dans les fluides : il y aura de faibles oscillation autour de la position d'équilibre des atomes constituant le solide. La conséquence est alors une contrainte du matériau qui, équivalente à la pression dans un fluide, est très difficile à mesurer. C'est donc la rigidité du matériau qui permettra la transmission des ondes de contraintes transversales.

Il peut être intéressant de noter que, la vitesse de propagation du son, également appelée célérité, varie selon différentes propriétés du milieu comme :

  • La nature du milieu ;
  • La température du milieu ;
  • Et la pression du milieu.

Ainsi, dans un gaz parfait, on peut obtenir la vitesse de propagation d'une onde sonore avec la relation suivante :

    \[ c = \frac  { 1 } { \sqrt { \rho \chi _{S} } } \]

Avec :

  • ρ correspondant à la masse volumique du gaz ;
  • Et χS correspondant à la compressibilité isentropique du gaz.

Il est également possible d'observer une diminution de la vitesse du son lorsque :

  • La densité du gaz augmente, on appelle cela l'effet d'inertie ;
  • La compressibilité du gaz, c'est à dire sa capacité à changer de volume selon la pression qu'il subit, augmente.

La réfraction

Définition : La réfraction de la lumière correspond au changement de direction du rayon lumineux lorsque celui-ci traverse une surface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents.

En effet, la loi de Snell-Descartes de la réfraction exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi qui sépare deux milieux différents. Il faut d'abord savoir que chaque milieu est caractérisé par sa capacité à « ralentir » la lumière.

On modélise cette caractéristique par son indice de réfraction n qui s'exprime sous la forme :

    \[n = \frac{c}{v}\]

v est la vitesse de la lumière dans ce milieu et c est la vitesse de la lumière dans le vide (souvent arrondie à 3.108 m.s-1

Il est important de savoir que :

  • Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre), il est dit réfracté après avoir rencontré cette dernière.
  • Le point de rencontre du rayon incident et du dioptre est appelé point d'incidence.
  • Le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre, au point d'incidence est dit plan d'incidence.
  • L'angle orienté i1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence.
  • L'angle orienté i2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.
  • Les angles i1 et i2 sont positifs si ils sont orientés dans le sens trigonométrique (sens inverse des aiguilles d'une montre), négatifs sinon.

On prend n1 l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon incident et n2 celui du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté.

Pour pouvoir énoncer la loi de la réfraction, il faut que le rayon réfracté, le rayon incident et la normale (au dioptre) soient dans un même plan qui est appelé le plan d'incidence et que le rayon incident et le rayon réfracté soient situés de part et d'autre de la normale.

Lorsque n> n2 (et respectivement n< n2) le rayon réfracté (et respectivement : incident) se rapproche plus rapidement du dioptre que le rayon incident (ou réfracté). Cependant, il existe un cas particulier où le rayon réfracté (ou incident) se retrouve mathématiquement sur le dioptre (sa limite) : il y a alors réflexion totale.

La réfraction dépend aussi de la température de l'air. Voici quelques exemples :

Indice de réfraction de l'air selon la température

Température (en °C) Indice de réfraction de l'air
201,000271373
101,000281196
01,000291647
- 101,000302844
- 201,00031489

Réfraction atmosphérique

Comment naissent les arcs en ciel ? C'est grâce à la réfraction de la lumière du soleil qu'existent les arcs en ciel. Pensez-vous qu'il y ait un chaudron de pièces jaunes à leur pied ?

La réfraction atmosphérique correspond à un phénomène optique consistant en une trajectoire non rectiligne de la lumière lorsque celle-ci traverse l'atmosphère. Cela est principalement dû à une variation de la densité de l'air avec l'altitude.

L’atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre. Cette dernière joue un rôle de protection en nous protégeant de ce qui se trouve au delà, dans l’espace, comme les rayons du soleil ou les corps étrangers. L’air que contient l’atmosphère est constitué à 78 % de diazote, de 21 % de dioxygène et le dernier pourcent représente une multitude d’autres gaz tels que le méthane, l’ozone, le dioxyde de carbone, l’argon, néon, krypton, xénon, etc.

Ainsi, pour tous les objets dits immergés dans l'atmosphère, le phénomène se renomme réfraction terrestre. Ce sont d'ailleurs ces réfractions terrestres qui conduisent aux mirages mais aussi aux effets de miroitement et d'ondulation en ce qui concerne les objets lointains.

De ce fait, en astronomie d'observation, la réfraction atmosphérique peut provoquer des erreurs en ce qui concerne l'évaluation de la position angulaire réelle de l'astre qui est observé. En effet, cet astre sera observé plus haut dans le ciel qu'il ne l'est dans sa position réelle. C'est pour cela qu'il est nécessaire, voire obligatoire, d'observer une correction de hauteur, également appelé de réfraction atmosphérique.

Cependant, il faut savoir que ce phénomène ne se contente pas d'affecter les rayons lumineux mais, de façon plus générale, il impacte toutes les ondes électromagnétiques. De fait de sa relation avec la longueur d'onde, on appelle cela le phénomène de dispersion, la lumière bleue sera plus fortement affectée par le phénomène que le serait la lumière rouge. C'est donc pour cela que, à cause de leur spectre, certain objets astronomiques peuvent voir les images en haute résolution s'étaler.

Notons que la lumière verte peut, en partie, être interprété par la réfraction atmosphérique mais aussi par la dispersion.

Un autre phénomène bien connu, l'observation du Soleil sous forme oblongue -donc légèrement aplati- lorsqu'il est à l'horizon, est un autre phénomène provoqué par la réfraction atmosphérique. Ce phénomène est d'ailleurs également observable pour la Lune.

Notons cependant que la réfraction atmosphérique est beaucoup plus importante pour tout objets proche de l'horizon par rapport aux objets qui seront plus près du zénith. C'est pour cela que les astronomes, dans le but de limiter les effets de la réfraction atmosphérique, préfèrent l'observations des objets lorsqu'ils se situent à leur point culminant de leur trajectoire dans le ciel. Mais c'est également pour cela que les marins, afin de se guider, ne visent pas les étoiles proches de l'horizon mais plutôt celles qui se trouvent au moins à 20° au-dessus de cet horizon.

Malgré tout, s'il n'est pas possible d'éviter les observations proches de l'horizon, il est tout à fait possible, sur certains instruments d'optique, de compenser les décalages observés à cause de la réfraction atmosphérique mais également ceux à cause de la dispersion.

Il faut tout de même savoir que la réfraction atmosphérique dépend également de la pression atmosphérique et également de la température. C'est pour cela que les instruments permettant de corriger les effets précédemment cités causés par la réfraction atmosphérique et la dispersion se doivent d'être technologiquement complexe. De ce fait, leur coût élevé minimise leur expansion.

Le problème est encore plus ancré dans le cas où la réfraction atmosphérique est non-homogène, principalement à cause de la présence de turbulences dans l'air. Ce sont ces mêmes turbulences qui provoquent d'ailleurs le phénomène de scintillation des étoiles.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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ETIENNE
ETIENNE
Invité
10 Mai.

La composition de l’air ne varie pas avec l’altitude. C’est la pression qui diminue si bien qu’en s’élevant la chute progressive de la pression d’oxygène rend l’effort de plus en plus pénible.

Joy
Joy
Éditeur
13 Mai.

Bonjour,

Il est vrai que le titre de notre article peut paraître trompeur, mais il est bien indiqué que la composition de l’air ne changeait pas au sein même de la troposphère mais que la pression variait selon l’altitude.
Ce que l’auteur laissait entendre avec un tel titre était que, selon la couche de l’atmosphère dans laquelle nous nous situons, les proportions gazeuses pouvait varier. En effet, on peut prendre l’exemple de la stratosphère qui contient 90% de l’ozone de l’atmosphère.