L'atmosphère : un mélange de gaz

L'atmosphère autour de la Terre la protège de nombreux dangers

L'air est un mélange homogène de plusieurs gaz. Sa composition en volume est la suivante :

  • 78 % de diazote
  • 21 % de dioxygène
  • 1 % d'autres gaz (argon, dihydrogène, dioxyde de carbone, hélium, néon, ... )

La composition de l'air en molécules est la même que la composition en volume. Pour simplifier, on peut dire que l'air contient 20 % (soit 1/5) de dioxygène et 80 % (soit 4/5) de diazote.

A retenir : L'air est un mélange qui contient 20 % (soit 1/5) de dioxygène et 80 % (soit 4/5) de diazote.

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Composition et 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.

Composition et 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.

Au cours de sa vie, la Terre a vu son atmosphère changer beaucoup de fois

L'atmosphère a un rôle important

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.

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Les propriétés de l'atmosphère

La 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.

La pression atmosphérique

On appelle pression atmosphérique la force exercée par les constituants de l'air sur les éléments qui l'entourent. Par exemple, la pression atmosphérique exerce une pression sur les Hommes à la surface de la Terre.

La pression atmosphérique est mesurée en Pascal d'après le Système International.

Le système international d'unités, abrégé en SI, est le système décimal des unités de mesures le plus utilisé au monde. L’ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d’unités. Il s’agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées unités légales. Elles sont universelles et connues de par le monde entier. Vous pouvez consulter notre article sur les unités de mesures pour en savoir plus.

Il existe un lien entre altitude et pression. En effet, plus l'altitude augmente et plus la pression diminue. On considère que la pression diminue d'un facteur 10 tous les 16 km de plus.

L'atmosphère et la lumière : la réfraction atmosphérique

La réfraction atmosphérique peut changer la perception des choses que l'on observe

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 correspond à 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 objet 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.

De nombreuses formules existent dans le but de calculer la réfraction pour une hauteur définie.

Voici l'une des formules proposées avec :

  • R la réfraction ;
  • Et h la hauteur vraie en degrés de l'astre considéré.

    \[R = \frac { 1,02 } { \tan \left( h + \frac { 10,3 } { h + 5,11 } \right) } \]

Notons que cette formule suppose que l'observation est effectuée au niveau de la mer, à une pression atmosphérique de 1010 millibars, et pour une température de 10 °C.

Nous avons vu précédemment que les mirages et donc la réfraction atmosphérique étaient dû à la déviation des rayons lumineux par des couches d'air de température différentes.

En effet, au sein de ces couches, l'indice de réfraction de l'air n'est pas constante puisque celui-ci peut évoluer en fonction de la température, de la pression atmosphérique mais aussi en fonction de l'humidité et de la composition de l'air.

De ce fait, les couches d'air froid sont plus denses que les couches d'air chaud et leur indice de réfraction est donc plus élevé puisque celui-ci évolue de façon proportionnelle à la pression mais de façon inversement proportionnelle à la température.

La superposition de couches d'air de plus en plus chaudes ou, au contraire, de plus en plus froides, va provoquer la création d'un gradient de température mais aussi de pression et par conséquence d'indice de réfraction pour l'air.

L'air et le son

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.

QCM de sciences

Cocher une seule réponse par question. Quel était le gaz le plus abondant dans l’atmosphère terrestre primitive ?

  • Diazote
  • Dihydrogène
  • Dioxyde de carbone
  • Dioxygène

La proportion de diazote / dioxygène dans l’atmosphère actuelle est :

  • 20% / 80%
  • 30% / 70%
  • 70% / 30%
  • 80% / 20%

Dans l’air, une molécule d’hydrogène se trouve avec combien de molécule d’azote ?

  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Quel scientifique a étudié en premier la composition de l’atmosphère ?

  • Berthollet
  • Curie
  • Descartes
  • Lavoisier

Et à quel siècle ?

  • XVIème
  • XVIIème
  • XVIIIème
  • XIXème

Un gaz peut occuper tout l’espace disponible. On dit qu’il est :

  • Compressible
  • Expansible
  • Extensible
  • Miscible

Une salle de classe a un volume de 400 m3. Le volume de dioxygène est :

  • 320 m3
  • 280 m3
  • 120 m3
  • 80 m3

10 L d’air expiré contient 4% de dioxyde carbone, soit le volume de :

  • 0,04 L
  • 0,4 L
  • 2,5 L
  • 4 L

Quelle est la couleur du dioxygène gazeux ?

  • Blanc
  • Bleu
  • Gris
  • Incolore

Deux gaz peuvent se mélanger entre eux facilement :

  • Toujours
  • Souvent
  • Parfois
  • Jamais
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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !