La composition de l'air

Comment l'humain s'adapte-t-il à la nature ?
Selon l'altitude, la concentration en oxygène varie. Pour compenser la raréfaction, le corps humain peut augmenter la production de globules rouges !

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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Le dioxygène, un gaz indispensable

L'oxygène est essentiel pour une réaction de combustion mais ce n'est pas le seul paramètre déterminant concernant la réalisation de ce type de réaction.

Pour distinguer le dioxygène des autres gaz, on utilise le test de la bûchette. En présence de dioxygène, une bûchette incandescente se rallume.

La plupart des êtres vivants utilise le dioxygène de l'air pour la respiration.

Les combustions qui se produisent dans l'air consomment aussi du dioxygène.

A retenir : Le dioxygène est le seul gaz de l'air qui permet les combustions. Il est aussi indispensable à notre respiration

Compressibilité de l'air

L'air emprisonné dans la seringue a une pression que l'on mesure avec un manomètre. Elle s'exprime en Pascal (Pa), en hectopascal (hPa) ou en bar (bar) : 1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa.

La pression d'un gaz est due aux chocs des molécules sur les parois de flacon qui le contient.

Lorsqu'on enfonce le piston de la seringue pour comprimer un gaz :

  • Le volume de l'air diminue, car les molécules sont espacées ; on peut donc les rapprocher.
  • La pression de l'air augmente, car les molécules sont plus "serrées" : le nombre de chocs sur les parois du récipient augmente

A retenir : Comme tous les gaz, l'air est compressible car il existe des espaces vides entre les molécules

Masse d'un litre d'air

L'air est constitué de molécules qui ont chacune une masse. L'air est donc pesant.

A la pression atmosphérique et à température ordinaire, la masse d'un litre d'air est voisine de 1.3 g.

La masse d'un litre d'air est beaucoup plus petite que celle d'un litre d'eau, car il existe beaucoup de vide entre les molécules dans l'air

A retenir : Comme toute la matière, l'air est pesant. Dans les conditions habituelles de pression et de température, la masse d'un litre d'air et voisine de 1.3 g.

L'air et 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.

Quelle est la valeur d'une pression atmosphérique normale ?
Puisque la pression évolue selon l'altitude, il faut savoir que la température d'ébullition de l'eau évolue également !

Mesurer la pression atmosphérique

A l'origine, la pression atmosphérique se mesurait en millimètres de mercure, abrégés en mmHg. On utilisait pour cela des baromètres à colonne de mercure.

On mesure la pression atmosphérique à l'aide de plusieurs appareils tels que le baromètre, l'altimètre ou encore l'hypsomètre. Son unité est le Pascal dans le Système International, même si on utilise couramment le bar.

En moyenne, la pression atmosphérique de base est de 1013 hPa au niveau de la mer soit 1,013 bar.

Le baromètre

L'outil le plus fréquemment utilisé pour mesurer la pression atmosphérique est le baromètre. Il en existe plusieurs sortes :

  • Le baromètre à mercure ;
  • Le baromètre à eau ;
  • Le baromètre à gaz ;
  • Le baromètre anéroïde ;
  • Le baromètre électronique.
Le baromètre à mercure

Le baromètre à colonne de mercure est le tout premier baromètre à avoir été inventé. Son créateur, Evangelista Torricelli, l'a mis au point en 1643. On équilibre le niveau de mercure dans une colonne fermée dans laquelle l'espace est vide. En fonction des modifications de pression atmosphérique, le niveau de mercure bouge au sein de la colonne.

Ces derniers fonctionnent selon un système d'équilibre des forces. Quand la pression de l'air augmente, elle pousse sur le mercure dans la colonne qui augmente alors de niveau. A l'inverse, si la pression de l'air ambiant est moins forte et pousse moins sur le mercure. L'air se situant au dessus du mercure exerce donc sa pression et "écrase" le mercure, faisant baisser le niveau de façon rapide. Il suffit donc d'observer le niveau de la colonne de mercure, sur laquelle a préalablement été dessiné une échelle.

Le mercure a longtemps été choisi comme fluide dans les appareils de mesures comme les thermomètres et les baromètres par exemple. Cependant, ils sont maintenant interdits de nos jours, la toxicité du mercure étant connue, il est trop risqué de s'y exposer en cas de casse des appareils de mesure qui en contiennent.

Le baromètre à eau

Leur production a commencé en 1792. La majeure partie du temps ils sont utilisés en décoration, leurs mesures étant peu précises.

Le baromètre à gaz

Créé en 1818 par Alexandre Adie, ce baromètre utilise les variation de volume de certains gaz qui sont soumis à la pression atmosphérique.

Le baromètre anéroïde

Ce type de baromètre a été créé en 1844 par Lucien Vidie. La pression est calculée à l'aide d'une enceinte métallique hermétique et dépourvue d'air. Elle se déforme en fonction de la pression atmosphérique qui l'entoure. Ce changement est alors amplifié par un système mécanique afin de faire bouger une aiguille sur le cadran ou enregistrer les données sur des bandes de papier.

Le baromètre électronique

Ce type d'appareil traduit la pression en suivant les déformations d'une cloche à vide qu'il contient.

L'hypsomètre

L'hypsomètre est l'instrument utilisé afin de mesurer l'altitude. Pour cela, il permet d'observer la température d'ébullition de l'eau ou d'autres liquides comme du méthanol ou de l'éthanol.
En effet, plus la pression diminue et donc l'altitude augmente, plus la température d'ébullition diminue.

Par exemple, si vous souhaitez faire bouillir de l'eau au niveau au niveau de la mer, à une pression atmosphérique d'1 bar, l'eau bout à 100°C. Par contre, si vous souhaitez faire bouillir de l'eau au sommet du Mont Blanc, à une altitude de 4000 m environ, la pression n'est plus que de 0,5 bars et l'eau se mettra à bouillir à 85°C.

C'est ce phénomène qui explique comment ont trouve des sources d'eau chaude de plus de 300°C dans les fosses marines à 3000 m de profondeur, sans que cette eau ne soit gazeuse.

L'hypsomètre utilise donc ces procédés physiques pour mesurer l'altitude. Il est constitué d'un tube rempli du liquide que l'on veut porter à ébullition. On utilise alors un thermocouple pour surveiller la température du liquide pendant le temps de chauffe. On peut ainsi connaître la relation entre l'altitude et la température d’ébullition.
Cependant, pour des mesures efficaces, il faut être très rigoureux dans les mesures de température et ce particulièrement en cas de basse altitude.

Un thermocouple est un couple de matériaux utilisés afin de mesurer une température. Il utilise pour cela l'effet Seebeck. Cet effet explique qu'il existe un champ magnétique entre deux matériaux de températures différentes.

L'altimètre

L'altimètre est un outil souvent utilisé en aviation, en cartographie ou en alpinisme. Il permet de mesurer les progressions d'altitude par rapport à un oint de référence. Son utilisation suppose qu'au préalable il ai été calibré. Cette calibration est appelée calage altimétrique. Elle se réalise souvent avec comme référence le niveau de la mer.

Il existe des altimètres barométriques qui fonctionnent en mesurant la différence entre un niveau de référence défini par son utilisateur et l'altitude. Si l'on prend le niveau de la mer comme étalon, on peut utiliser la formule internationale du nivellement barométrique, à savoir :

    \[p(h)=1013,25(1-\frac{0,0065\cdot h}{288,15})^{5,255} hPa\]

Il existe aussi d'autres formes d'altimètres électroniques ou encore à laser. Ces derniers envoient un rayonnement à la surface de la Terre et calculent l'altitude à l'aide du temps que met le signal réfléchi à revenir vers l'émetteur.

L'atmosphère et la lumière

La réaction de réfraction

Pourquoi le ciel rougit lorsque le soleil se couche ?
Avez-vous déjà eu l'occasion d'observer la forme oblongue du Soleil lorsqu'il se couche ?

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.

Ce qu'il faut retenir

Comme vu précédemment, les mirages correspondent à un phénomène optique découlant de la déviation des faisceaux lumineux par des superposition de couchers d'air ayant des températures différentes. On se trouve alors dans le cas d'une propagation anormale de la lumière au sein d'une atmosphère dans laquelle la température, la pression ainsi que l'humidité restent constante verticalement selon la normale. Ainsi, la déviation des rayons lumineux peuvent donner l'impression que l'objet observé se situe autre que sa localisation réelle.

De ce fait, il serait incorrect de définir un mirage comme une illusion d'optique ou encore comme une hallucination : il est possible de photographier un mirage ! En effet, il s'agit plutôt d'une déformation mentale d'une image provoquée par une interprétation fausse du cerveau.

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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 !