Température atmosphérique
Le profil vertical de température
Le rôle du soleil dans la température atmosphérique
L’effet de serre
Ressources
La température de l’atmosphère terrestre varie en fonction de la distance à l’équateur (latitude) et de la hauteur au-dessus de la surface (altitude). Elle change également avec le temps, variant d’une saison à l’autre, et du jour à la nuit, ainsi que de manière irrégulière en raison du passage de systèmes météorologiques. Toutefois, si l’on fait la moyenne des variations locales à l’échelle mondiale, on obtient un modèle de températures moyennes globales. Verticalement, l’atmosphère est divisée en quatre couches : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère.
Le profil vertical de température
En faisant la moyenne des températures atmosphériques sur toutes les latitudes et sur une année entière, on obtient le profil vertical moyen de température que l’on appelle une atmosphère standard. Le profil vertical moyen de température suggère quatre couches distinctes (figure 1). Dans la première couche, appelée troposphère, la température atmosphérique moyenne diminue régulièrement depuis sa valeur à la surface, environ 290K (63°F ; 17°C) et atteint un minimum d’environ 220K (-64°F;-53°C) à une altitude d’environ 6,2 mi (10 km). Ce niveau, appelé tropo-pause, est juste au-dessus de l’altitude de croisière des avions à réaction commerciaux. La diminution de la température en fonction de l’altitude, appelée taux de renouvellement, est presque constante dans toute la troposphère, à 6,5°C (43,7°F) par 1 km (0,6 mi). À la tropopause, le taux de renouvellement diminue brusquement. La température atmosphérique est presque constante sur les 20 km suivants, puis commence à augmenter avec l’altitude jusqu’à environ 50 km. Cette région de températures croissantes est la stratosphère. Au sommet de la couche, appelée stratopause, les températures sont presque aussi chaudes que celles de la surface. Entre 50 et 80 km se trouve la mésosphère, où la température atmosphérique recommence à diminuer avec l’altitude et atteint un minimum de 180 K (-136°F;-93°C) au sommet de la couche (la mésopause), à environ 80 km. Au-dessus de la mésopause se trouve la thermosphère qui, comme son nom l’indique, est une zone de haute température des gaz. Dans la très haute thermosphère (environ 500 km au-dessus de la surface de la Terre), la température des gaz peut atteindre 500 à 2 000 K (441 à 3 141 °F ; 227 à 1 727 °C). La température est une mesure de l’énergie du mouvement des molécules de gaz. Bien qu’elles aient une énergie élevée, les molécules de la thermosphère sont présentes en très petit nombre, moins d’un millionième de la quantité présente en moyenne à la surface de la Terre.
La température atmosphérique peut également être tracée en fonction de la latitude et de l’altitude. Les figures 2 et 3 montrent de tels tracés, la latitude étant la coordonnée x et l’altitude la coordonnée y.
Le rôle du soleil dans la température atmosphérique
La majeure partie du rayonnement solaire est émise sous forme de lumière visible, avec des portions plus petites à des longueurs d’onde plus courtes (rayonnement ultraviolet) et plus longues (rayonnement infrarouge, ou chaleur). La lumière visible est peu absorbée par l’atmosphère (bien qu’une partie soit renvoyée dans l’espace par les nuages), de sorte que la plupart de cette énergie est absorbée par la surface de la Terre. La Terre se réchauffe dans ce processus et renvoie de la chaleur (rayonnement infrarouge) vers le haut. Cela réchauffe l’atmosphère et, tout comme on aura plus chaud en se tenant plus près d’un feu, les couches d’air les plus proches de la surface sont les plus chaudes.
Selon cette explication, la température devrait continuellement diminuer avec l’altitude. La figure 1, cependant, montre que la température augmenteS avec l’altitude dans la stratosphère. La stratosphère contient presque tout l’ozone de l’atmosphère. L’ozone (O3) et l’oxygène moléculaire (O2) absorbent la plupart des rayons ultraviolets de courte longueur d’onde émis par le soleil. Au cours de ce processus, ils sont brisés et se reforment continuellement. Le résultat net est que les molécules d’ozone transforment le rayonnement ultraviolet en énergie thermique, réchauffant la couche et provoquant le profil de température croissant observé dans la stratosphère.
La mésosphère reprend la diminution de température avec l’altitude. La thermosphère est cependant soumise à un rayonnement solaire de très haute énergie, ultraviolet et rayons X de courte longueur d’onde. Lorsque les atomes ou les molécules présents à ce niveau absorbent une partie de cette énergie, ils sont ionisés
(se voient retirer un électron) ou dissociés (les molécules sont scindées en leurs atomes constitutifs). La couche gazeuse est fortement chauffée par ce bombardement d’énergie, surtout pendant les périodes où le soleil émet des quantités élevées de rayonnement de courte longueur d’onde.
L’effet de serre
L’énergie solaire n’est pas le seul déterminant de la température atmosphérique. Comme indiqué ci-dessus, la surface de la Terre, après avoir absorbé le rayonnement solaire dans la région visible,
TERMES CLÉS
Effet de serre -Réchauffement de l’atmosphère terrestre résultant de la capture de la chaleur ré-émise par la Terre par certains gaz présents dans l’atmosphère.
Rayonnement infrarouge -Rayonnement similaire à la lumière visible mais de longueur d’onde légèrement supérieure.
Taux d’évaporation -Taux auquel l’atmosphère se refroidit avec l’augmentation de l’altitude, donné en unités de degrés C par kilomètre.
Mésosphère -Troisième couche de l’atmosphère, située entre environ 50 et 80 kilomètres de hauteur et caractérisée par un faible taux d’évaporation.
Stratosphère -Couche de la haute atmosphère au-dessus d’une altitude de 5-10,6 mi (8-17 km) et s’étendant jusqu’à environ 31 mi (50 km), selon la saison et la latitude. Dans la stratosphère, la température de l’air change peu avec l’altitude et il y a peu de courants d’air convectifs.
Thermosphère -La couche supérieure de l’atmosphère, commençant à environ 50 mi (80 km) et s’étendant sur des centaines de miles ou de kilomètres dans l’espace. En raison du bombardement par le rayonnement solaire très énergétique, cette couche peut posséder des températures de gaz très élevées.
Troposphère -La couche d’air jusqu’à 15 mi (24 km) au-dessus de la surface de la Terre, également connue sous le nom de basse atmosphère.
Rayonnement ultraviolet -Rayonnement similaire à la lumière visible mais de longueur d’onde plus courte, et donc d’énergie plus élevée.
Rayonnement X -Rayonnement lumineux de longueur d’onde plus courte que l’ultraviolet le plus court ; très énergétique et nocif pour les organismes vivants.
Émet un rayonnement infrarouge vers l’espace. Plusieurs gaz atmosphériques absorbent ce rayonnement thermique et le ré-émettent dans toutes les directions, y compris vers la surface. Ces gaz dits à effet de serre piègent donc le rayonnement infrarouge dans l’atmosphère, ce qui augmente sa température. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d’eau (H2 O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). On estime que la température à la surface de la Terre serait en moyenne plus basse d’environ 32°C (90°F) en l’absence de gaz à effet de serre. Comme cette température est bien inférieure au point de congélation de l’eau, la planète serait beaucoup moins hos-pitable à la vie en l’absence de l’effet de serre.
Bien que les gaz à effet de serre soient essentiels à la vie sur la planète, plus n’est pas nécessairement mieux. Depuis le début de la révolution industrielle au milieu du XIXe siècle, les humains ont libéré des quantités croissantes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère en brûlant des combustibles fossiles. Le niveau de dioxyde de carbone mesuré dans l’atmosphère lointaine n’a cessé d’augmenter depuis le début de la tenue des registres en 1958. Si cette augmentation se traduit par une hausse correspondante de la température atmosphérique, les résultats pourraient être les suivants : fonte des calottes polaires et gonflement des mers, entraînant la couverture des villes côtières par l’océan ; changements climatiques entraînant peut-être des extinctions ; et changements imprévisibles des régimes de vent et de temps, posant des défis importants pour l’agriculture. Il est difficile de prédire les changements que l’augmentation des niveaux de gaz à effet de serre pourrait entraîner. L’interaction entre l’atmosphère, les océans, les continents et les calottes glaciaires n’est pas complètement comprise. Si l’on sait qu’une partie du dioxyde de carbone émis est absorbée par les océans et se dépose finalement sous forme de roche carbonatée (comme le calcaire), on ne sait pas s’il s’agit d’un processus régulier ou s’il peut suivre le rythme des niveaux actuels de production de dioxyde de carbone.