Structure de l’atmosphère

L’atmosphère est la couche gazeuse qui enveloppe la terre. Sa densité et sa pression diminuent au fur et à mesure que l’altitude augmente et l’on observe que la moitié de la masse atmosphérique est située en dessous de 5 km, les 3/4 en dessous de 10 km. La limite avec le milieu interplanétaire n’est pas franche et l’on peut considérer que l’épaisseur géométrique de l’atmosphère supposée parfaitement homogène n’est que de 7,9 km. La température n’est pas constante non plus ; elle ne varie pas uniformément (contrairement à la pression et à la densité).





L’Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) définit quatre zones successives qui caractérisent les phénomènes thermiques (c’est-à-dire les variations de température au sein de l’atmosphère): la troposphère (de la surface terrestre à une distance de 6 à 11/12 km selon la latitude), la stratosphère (jusqu’à 50 km d’altitude environ), la mésosphère (jusqu’à 70/85 km) et la thermosphère (couche extérieure).



Pour caractériser la composition de l’atmosphère, trois régions sont ainsi définies : l’homosphère (qui comprend la troposphère, la stratosphère et la mésosphère) dans laquelle la composition de l’air sec est uniforme et invariable en première approximation, l’hétérosphère dans laquelle la composition de l’air est sujette à une variation verticale systématique et la protosphère formée exclusivement de protons et d’électrons libres. Seule l’homosphère intervient dans les phénomènes de propagation du rayonnement solaire car elle contient les principaux éléments qui modifient la composition spectrale de la lumière, à savoir :

• l’air sec,
• la quasi-totalité de l’eau atmosphérique,
• et les aérosols.

Ce découpage en trois groupes n’est pas hasardeux. Les radiations solaires pénétrant dans l’atmosphère sont affectées par chacun de ces ensembles. En outre, la composition en eau et aérosols varie fortement au cours du temps et du lieu tandis que la présence des constituants de l’air sec est moins aléatoire. À ces trois ensembles, j’ai préféré ajouter un quatrième défini par la couverture nuageuse. En effet, quoique composés principalement d’eau sous divers états, les nuages modifient le rayonnement solaire de façon notable et particulière. Nous verrons en outre qu’ils jouent un rôle important dans la caractérisation spectrale et directionnelle du gisement de lumière naturelle.

Pour donner un exemple global de la composition chimique de l’atmosphère, j’ai retenu le tableau ci-après. Déterminé en 1976 aux États-Unis par le US Standard Atmosphere, il détaille les quantités d’éléments présents dans l’atmosphère en distinguant les constituants permanents de ceux dont la composition varie largement. Retenons que l’azote, l’oxygène et l’argon représentent 99,9% des gaz permanents. Le dioxyde de carbone est classé parmi les gaz permanents alors que sa concentration varie notablement selon les activités naturelles (océan, photosynthèse, respiration animale) et industrielles (combustion de matière organique).

Constituants permanents		Constituants variables
Constituant	% volume	Constituant	% volume
Azote (N2)	78,084	Vapeur d'eau (H2O)	0-0,04
Oxygène (O2)	20,948	Ozone (O3)	0-12.10-4
Argon (Ar)	0,934	Dioxyde de soufre (SO2)*	0,001.10-4
Dioxyde de carbone (CO2)	0,033	Dioxyde d'azote (NO2)*	0,001.10-4
Néon (Ne)	18,18.10-4	Ammoniac (NH3)*	0,004.10-4
Helium (He)	5,24.10-4	Monoxyde d'azote (NO)*	0,0005.10-4
Krypton (Kr)	1,14.10-4	Sulfate d'hydrogène (H2S)*	0,00005.10-4
Xenon (Xe)	0,089.10-4	Vapeur d'acide nitrique (HNO3)	traces
Hydrogène (H2)	0,5.10-4	Chlorofluocarbones	traces
Méthane (CH4)	1,5.10-4
Protoxyde d'azote (N2O)*	0,27.10-4
Monoxyde de carbone (CO)*	0,19.10-4
COMPOSITION DE L'ATMOSPHÈRE * Concentration à proximité de la surfae terrestre