La Terre, berceau de l'Humanité

Composition de l'atmosphère (V)

Ainsi que nous l'expliquerons dans le dossier consacré à la météorologie, la Terre s'entoure d'une couche d'air dont la présence est sensible à plusieurs milliers de kilomètres d'altitude. Toutefois, pour le droit international l'espace commence réellement à 500 miles ou 800 km d'altitude.

Jusqu'à 300 km d'altitude la densité de l'atmosphère reste suffisante pour influencer la trajectoire des satellites artificiels. Mais si on tient compte des moindres particules d'hydrogène, selon une étude publiée dans le "Journal of Geophysical Research" en 2019 par Igor Baliukin de l'Institut de Recherche Spatiale de Russie en collaboration avec des chercheurs du CNRS, l'atmosphère de la Terre ou géocouronne s'étend jusqu'à 630000 km (cf. ce schéma) soit bien plus loin que la Lune ! Autrement dit, la Lune orbite dans l'atmosphère de la Terre ! Mais à cette distance, sa densité est inférieure à 0.2 atome/cm³. Ceci dit, 99% de toute la masse de l'atmosphère de la Terre se concentre en dessous de 50 km, dans la stratosphère.

A gauche, la géocouronne photographiée en UV depuis la Lune par l'équipage d'Apollo 16 en 1972. Voici l'image brute. A l'époque, les astronautes ignoraient que la Lune orbitait dans l'atmosphère de la Terre ! Au centre, zoom sur l'aspect de la troposphère et des couches supérieures de l'atmosphère vues depuis la station spatiale ISS en avril 2010. La troposphère apparaît en orange et jaune, la stratosphère en rose-crème et la haute atmosphère en bleu ciel. Rappelons que c'est l'effet de la diffusion de la lumière sur les poussières contenues dans l'air qui crée ce dégradé de couleurs. Document NASA/ISS Expédition 23. A droite, la Terre photographiée le 6 juin 2015 par la caméra polychromatique (EPIC) du satellite DSCOVR de la NASA en orbite sur le point L1 de Lagrange situé à environ 1.6 million de kilomètres de la Terre en direction du Soleil. Documents NASA/Apollo 16 et NASA.

C'est le chimiste français Antoine de Lavoisier qui démontra au XVIII^e siècle que l'atmosphère était composée d'un mélange de gaz. Dans les basses couches l'atmosphère est composée de 78% d'azote, de 21% d'oxygène, d'une quantité variable d'eau (jusqu'à 7%), un peu d'argon, 0.1% de gaz carbonique, de gaz nobles (des gaz rares comme He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), de méthane, d'oxyde d'azote et de traces d'anhydride sulfureux. Des résidus solides sont également en suspension comme des grains de sable, des poussières volcaniques, des cristaux de sel et des résidus de combustion dont la présence est très importante pour la formation des noyaux de condensation qui conduisent à précipiter les aérosols sous forme de pluie, de neige ou de grêle.

Outre sa composition, l'atmosphère se caractérise par trois paramètres : sa pression, sa température et son humidité, trois variables analysées quotidiennement par les sondes météorologiques lancées dans la troposphère.

La pression au sol oscille entre 950 hPa (ou mbar) dans une dépression et 1050 hPa dans un anticyclone, la valeur de référence (OACI) étant de 1013.25 hPa au niveau de la mer à 15.5°C. Par définition, en dessous de cette valeur de pression la région est dominée par une système de basse pression, cyclonique. A partir de 1013.25 hPa nous sommes dans un régime de haute pression, dit anticyclonique. Dans le modèle Standard la pression diminue de 1 mb (hPa) tous les 10 m d'altitude. Mais il va de soi que cette diminution varie en fonction de l'altitude et de la température.

Selon les régions et la saison, la température au sol oscille entre -50°C et +50°C environ. Jusqu'à la tropopause la température décroît en moyenne de 6.5°/1000 m et se stabilise à la limite de la stratosphère à environ -57°C, c'est la tropopause, pour remonter ensuite jusqu'à +20°C. Juste au-dessus se trouve la couche d'ozone stratosphérique, si particulière par son action filtrante des rayons ultraviolets. Elle se concentre principalement vers 25 km d'altitude, où la transformation de l'oxygène en ozone libère le plus de chaleur.

A la limite supérieure de la couche d'ozone, vers 50 km d'altitude la température se rapproche à nouveau de 0°C (et atteint parfois 27°C) puis décroît ensuite jusqu'à la mésopause pour atteindre environ -100°C. A ce niveau, vers 100 km d'altitude la chaleur croît brusquement suite à l'absorption du rayonnement ultraviolet par l'azote. Dans la thermosphère, vers 500 km d'altitude la température peut atteindre 1700°C lorsque le Soleil est très actif, mais la densité des particules est tellement faible qu'il fait réellement froid. A partir de 800 km d'altitude les particules peuvent s'arracher de l'attraction terrestre et s'évadent dans l'espace; c'est l'exosphère.

Les écarts des paramètres météorologiques avec ces valeurs nominales sont spectaculaires, fonction des microclimats régnant en certains lieux. Selon l'OMM, les records de pression sont de 874 hPa dans l'oeil du typhon TIP le 12 octobre 1979 dans le nord-ouest du Pacifique (avec des rafales de 305 km/h), à 1083.8 hPa à Agata en Russie le 31 décembre 1968.

La température au sol (sous abris) atteignit -93.2°C en Antarctique en 2010 mais près de la station Vostok des minima d'environ -98°C (soit ~-94°C à 2 m du sol) furent observés durant les hivers 2004-2016.

La température au sol (sous abris) la plus élevée fut de +56.7°C à Furnace Creek, en Californie, le 10 juillet 1913 (mais la mesure est sous caution, cf. cette critique publiée par Weather Underground). Elle atteignit +54.4°C le 17 août 2020 (cf. le tweet de l'OMM). Notons que le record de chaleur en Lybie de 1922 n'a pas été reconnu par l'OMM.

L'humidité caractérise la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère, variant dans nos contrées tempérées entre quelques pourcents dans un puissant anticyclone, à la saturation (100%) lorsqu'il pleut. Dans certaines villes comme Bergen en Norvège, il pleut deux jours sur trois alors que certaines zones désertiques n'ont plus vu d'eau depuis plus de 10 ans ! En moyenne, 18 millions de tonnes d'eau tombent chaque seconde quelque part sur terre ! Cette eau provient de l'évaporation des océans, des rivières, des lacs et des glaciers. En parallèle, chaque jour la Terre perd 1700 tonnes d'eau.

Ainsi que nous le verrons dans le dossier consacré à la météorologie, on estime que l'atmosphère terrestre contient 12000 milliards de tonnes d'eau ce qui représente 12900 km³ d'eau ! Si nous la répartissions entre tous les habitants de la planète, chacun disposerait chaque jour d'un cube d'eau mesurant 46 mètres de côté ! Toutefois cette quantité ne représente qu'environ 0.001% du volume total d'eau existant sur et dans la terre estimé à 1385 milliards de km³. Ainsi qu'on le constate, cette eau est très inégalement répartie. On y reviendra.

Pourquoi y a-t-il des saisons ?

Si l’axe de la Terre était perpendiculaire au plan orbital, les jours et les nuits seraient égaux et il n’y aurait pas de saisons. Mais probablement suite à une collision cosmique survenue à l'époque de la formation de la Terre (car le cratère d'impact n'existe plus), l’axe de la Terre s’est incliné sur son orbite de 23°27’, ce qui eut pour conséquence de faire varier sans cesse la durée du jour en un point et de créer les saisons.

Notons qu’entre les Tropiques il n’y a que 2 saisons : la saison sèche et la saison des pluies. Sur l'illustration ci-dessous, on constate qu’en été, dans l’hémisphère nord, la durée du jour est plus longue qu’en hiver et permanente au pôle Nord. Ce phénomène était peut-être connu des Grecs, “climax” signifiant inclinaison.

A voir : Seasons and Ecliptic Simulator - Motion of the Sun Simulator, UNL

D'autres applets sont disponibles sur le site de l'Université de Nebraska-Lincoln

Relations entre l'inclinaison de l'axe de la Terre et les saisons. Documents T.Lombry.

Les saisons ne dépendent pas seulement de l’inclinaison du globe terrestre par rapport au Soleil. La forme elliptique de son orbite modifie également la quantité de chaleur qu’elle reçoit du Soleil. Ainsi l’hémisphère nord se voit-elle privilégiée en toutes saisons : En été (à gauche) l’orbite de la Terre est un peu plus éloignée du Soleil (1%), adoucissant quelque peu l’ardeur du Soleil dans l’hémisphère nord, tandis que l’hémisphère sud grelotte un peu plus. Inversement, en hiver (à droite), l’hémisphère nord se voit gratifiée d’un peu plus de chaleur, tandis que les habitants de l’hémisphère sud ont des étés un peu plus chauds...

Les nuages

C'est à l'action combinée de la présence de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et d'un phénomène de condensation (détente adiabatique) que nous devons la formation des nuages que nous étudierons en détails. La majorité d'entre eux se situe dans la troposphère, évoluant en fonction des masses d'airs, des mouvements convectifs et des courants à réactions (jet streams) des basses couches. Ils se divisent en nuages bas diffus ou bourgeonnants (stratus, nimbostratus, cumulus, stratocumulus), moyens et relativement compacts (altocumulus) et élevés, très fibreux ou grumeleux (cirrus, cirrostratus, cirrocumulus). Deux autres types de nuages bas, le nimbus et le cumulonimbus (le fameux "cunim") peuvent s'étendre jusqu'à la tropopause lorsque l'humidité de l'air ou l'instabilité est très importante.

A gauche, le rayonnement terrestre aux grandes longueurs d'ondes indique que la Terre rayonne en moyenne avec une puissance de 240 W/m2. A droite, le rayonnement infrarouge émis par la Terre relevé le 21 juin 2001 à 18h TU et exprimés en °C. Documents NASA-GSFC et Meteo France.

Le cumulonimbus est particulièrement connu et redouté car il annonce les orages et les averses les plus violentes (rafales de vent et grêlons). En fin de cycle il présente un sommet en forme d'enclume très caractéristique. Mais il est peu de chose vis-à-vis des ouragans, tornades tropicales, typhons et autres hurricanes qui balayent les régions proches de l'équateur. On peut imaginer l’énergie que renferment ces phénomènes lorsqu’on sait qu’un orage équivaut à la consommation annuelle d’électricité des Etats-Unis !

Plaçons à part les nuages noctulescents ou nacrés qu'on observe généralement au crépuscule ou avant l'aube au delà de 50-55° de latitude et qui évoluent vers 25 ou 85 km d'altitude (respectivement dans la stratosphère et la thermosphère). Ils sont souvent effilochés et ressemblent aux cirrus.

Environ 39% de la lumière solaire sont réfléchis dans l'espace par la couche nuageuse et seulement 30% du rayonnement atteignent le sol, ce qui représente environ 240 watts/m² comme illustré ci-dessous. L'atmosphère à son tour absorbe une partie du rayonnement incident. Quelque 25% de l'énergie solaire incidente se mêlent ainsi aux particules atmosphériques. Cette chaleur provoque une modification de la masse volumique des gaz qui est à l'origine du déplacement des masses d'air, dont le vent est l'un des effets.

Le bilan énergétique de la Terre explique l'effet de serre naturel mais il ne tient pas compte du facteur anthropique, humain, en particulier des effets de l'industrialisation qui fait entrer une variable artificielle dans le système.

Couplée aux mouvements de rotation de la Terre sur elle-même et autour du Soleil, la circulation atmosphérique est à la base des climats. L'interaction des masses d'air engendre les zones de dépression, les anticyclones et les fronts de perturbations qui contribuent à l'évolution des écosystèmes. La présence des océans joue également un rôle régulateur de la température et de l'humidité. Les gaz, les nuages ainsi que la surface du sol émettent également un rayonnement infrarouge qui se dissipe dans l’espace. Ensemble, ils représentent 69% du rayonnement émis par la Terre.

Augmentation de la concentration des gaz à effet de serre

Le Protocole de Kyoto adopté en 2001 (et signé en 2005) ne retient que 6 gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote, les hexafluorocarbures, les perfluorocarbures et l'hexafluorure de soufre. Les émissions de ces gaz provoquent une augmentation de la température moyenne globale à la surface de la planète qui débuta dès le début de l'ère industrielle vers 1850. Cette hausse n'est pas homogène et est plus importante sur les continents et au niveau des pôles.

Les concentrations actuelles des gaz à effet de serre dans l'atmosphère sont les plus élevées depuis 800000 ans et nous avons toutes les preuves pour démontrer qu'elles sont liées aux activités humaines. La concentration moyenne des gaz à effet de serre était de 430 ppm CO₂eq (équivalent CO₂ en parties par million en volume) en 2011 et la seule concentration du CO₂ atmosphérique était de 419 ppm en 2022 contre 369 ppm en 2000 (cf. la Keeling curve).

Pour avoir la meilleure chance de limiter la hausse de la température globale à 2°C, cette concentration ne doit pas dépasser environ 450 ppm de CO₂eq en 2100 et c'est dans ce but que beaucoup de nations ont approuvé l'Accord de Paris entré en vigueur en 2016 (cf. COP21). Mais son application laissant largement à désirer, c'est la raison pour laquelle la jeune génération a déjà demandé des comptes à ceux qui nous gouvernent.

Pour ne pas surcharger cet article, on reviendra en détails sur le sujet dans celui consacré à l'effet de serre et sur l'aspect climatologique dans l'article La Terre, une planète fragile.

Perte d'oxygène dans 1 milliard d'années

La Terre dispose d'une atmosphère riche en oxygène depuis environ 2 milliards d'années, époque vers laquelle la pression partielle d'oxygène dépassa celle du gaz carbonique pour atteindre le niveau actuel, tandis que la concentration de gaz carbonique chuta (cf. les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie).

Cependant, la durée de vie des biosignatures atmosphériques à base d’oxygène reste incertaine, en particulier dans un avenir lointain. Dans une étude publiée dans la revue "Nature" en 2021, Kazumi Ozaki de l'Université de Toho, au Japon, et Christopher T. Reinhard de l'Institut de Technologie de Géorgie, aux Etats-Unis, ont utilisé un modèle biogéochimique et climatologique pour examiner l'évolution future des conditions atmosphériques, en particulier de la concentration d'oxygène.

En utilisant une approche probabiliste (stochastique) et après avoir réalisé plus de 400000 simulations, les chercheurs ont constaté qu'en moyenne les niveaux d'oxygène supérieurs à 1% du niveau atmosphérique actuel se maintiendront pendant 1.08 ±0.14 milliard d'années (1σ). Ensuite, le modèle prédit une désoxygénation de l'atmosphère, avec une pression partielle d'oxygène atmosphérique chutant brusquement jusqu'à des niveaux rappelant la Terre archéenne d'il y a 4 milliards d'années.

Toutefois, il  est difficile de savoir quand et comment cela se produira. Ce phénomène sera très probablement déclenché avant le début de conditions de serre humides et avant la perte importante d'eau de surface dans l'atmosphère. Durant cette désoxygénation, l'atmosphère présentera une concentration élevée de méthane qui amplifiera l'effet de serre et augmentera la température moyenne au sol, avec de faibles concentrations de CO₂. La couche d'ozone disparaîtra.

Selon les auteurs, cette désoxygénation future est une conséquence inévitable de l'augmentation des flux solaires, alors que sa synchronisation précise est modulée par le flux d'échange fortement réducteur entre le manteau et le système océan-atmosphère-croûte.

Les résultats de ces simulations suggèrent que le cycle planétaire carbonate-silicate aura tendance à créer des biosphères contraintes par le CO₂ et à une désoxygénation atmosphérique rapide. La Terre deviendra probablement un monde privé d'oxygène où seule une vie anaérobie sera possible. 

Mais nous verrons à propos de l'évolution du Soleil que la Terre sera probablement devenue invivable bien avant cette époque.

Autrement dit, dans ce futur éloigné mieux vaut que les humains aient colonisé d'autres terres du ciel. Les éventuels touristes spatiaux de passage verront une planète agonisante, pauvre en oxygène et très humide baignant dans une brume organique proche du smog toxique où il ne fait plus bon vivre depuis longtemps.

Si on se base sur ce scénario catastrophe, on en déduit que la Terre aurait été hospitalière durant seulement 20 à 30% de son histoire. Nous avons eu la chance de tomber au bon moment !

Dernier chapitre

Les océans

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