Karamö, le prof virtuelLeçon 2 sur 22
Les couches externes de la Terre : l'atmosphère
Je sais décrire la composition de l'atmosphère, la découper en couches à partir de l'évolution de la température avec l'altitude, et expliquer ses rôles protecteurs.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Donner la composition de l'air sec
- Nommer et situer les couches de l'atmosphère et leurs limites
- Exploiter un profil de température et de pression en fonction de l'altitude
- Expliquer le rôle de la couche d'ozone et de l'effet de serre
Avant de commencer : La leçon précédente (les enveloppes du globe) ; notions de pression et de température (physique).
1Je découvre
En janvier, à Labé, Aïssatou se réveille dans une brume sèche : l'harmattan souffle depuis le Sahara et le ciel est jaune de poussière. Il fait frais le matin, puis très chaud à midi. Son frère Alpha, qui revient d'un voyage en avion, lui raconte que l'écran de l'appareil affichait, à 11 000 m d'altitude, une température extérieure de −50 °C.
« Comment peut-il faire aussi froid là-haut, alors que l'avion est plus près du Soleil ? » demande Aïssatou. Alpha ajoute que le pilote a annoncé que l'avion volait « au-dessus de la météo » : plus de nuages, plus de pluie, un ciel bleu très sombre.
L'air qui nous entoure paraît simple et invisible, pourtant il est organisé en couches très différentes les unes des autres.
De quoi l'atmosphère est-elle faite, comment est-elle structurée en altitude, et en quoi protège-t-elle la vie sur Terre ?
2Je comprends
1. Définition et composition
L'atmosphère est l'enveloppe gazeuse qui entoure la Terre. Elle est retenue par la gravité terrestre. Elle n'a pas de limite nette : elle devient de plus en plus raréfiée avec l'altitude. La moitié de la masse de l'atmosphère se trouve au-dessous de 5,5 km environ, et près de 99 % au-dessous de 30 km.
Composition de l'air sec (en volume, valeurs arrondies) :
| Gaz | Formule | Proportion |
|---|---|---|
| Diazote | N2 | 78 % |
| Dioxygène | O2 | 21 % |
| Argon | Ar | 0,93 % |
| Dioxyde de carbone | CO2 | environ 0,04 % |
| Autres (néon, hélium, méthane, ozone…) | traces |
À ces gaz s'ajoutent la vapeur d'eau (de presque 0 à environ 4 % selon le lieu et la saison : l'air de la Basse-Guinée en août est bien plus humide que celui de Siguiri en février) et des particules en suspension (poussières de l'harmattan, sel marin, fumées).
2. Pression et altitude
L'air a une masse : il exerce une pression sur tout ce qu'il entoure. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique moyenne vaut 1 013 hPa (hectopascals). Elle diminue avec l'altitude, car il reste de moins en moins d'air au-dessus : elle est divisée par deux environ tous les 5,5 km. Au sommet du mont Nimba (1 752 m), point culminant de la Guinée, elle n'est plus que d'environ 815 hPa ; à 11 km, vers 230 hPa. C'est pourquoi les cabines d'avion sont pressurisées.
3. Les couches de l'atmosphère
On découpe l'atmosphère en couches d'après la variation de la température avec l'altitude. Chaque couche se termine par une limite dont le nom finit en « -pause ».
La troposphère (du sol à 8-18 km).
- C'est la couche où nous vivons ; elle contient environ 80 % de la masse de l'air et presque toute la vapeur d'eau.
- La température diminue avec l'altitude, d'environ 6,5 °C par kilomètre en moyenne, car l'air est chauffé par le sol, lui-même chauffé par le Soleil.
- On y trouve les nuages, la pluie, les vents, l'harmattan et la mousson : c'est le siège des phénomènes météorologiques.
- Son épaisseur varie : environ 16 à 18 km au-dessus de l'équateur et de la Guinée, 8 km au-dessus des pôles.
- Elle se termine par la tropopause, où la température atteint environ −55 °C (plus froid encore au-dessus de l'équateur).
La stratosphère (de la tropopause à 50 km environ).
- La température augmente avec l'altitude, jusqu'à environ 0 °C vers 50 km.
- Ce réchauffement est dû à la couche d'ozone (O3), concentrée surtout entre 20 et 30 km, qui absorbe les rayons ultraviolets (UV) du Soleil et se réchauffe.
- L'air y est calme et sec, disposé en strates : les avions de ligne volent souvent à sa base.
- Elle se termine par la stratopause.
La mésosphère (de 50 à 80-85 km environ).
- La température diminue de nouveau et atteint les valeurs les plus basses de l'atmosphère, vers −90 °C, à la mésopause.
- C'est là que la plupart des météorites se consument par frottement : ce sont les « étoiles filantes ».
La thermosphère (au-delà de 85 km, jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres).
- La température augmente fortement (plusieurs centaines de degrés, voire plus de 1 000 °C), car les rares molécules absorbent les rayonnements solaires les plus énergétiques. Mais l'air y est si rare qu'on n'y ressentirait pas cette chaleur.
- Les gaz y sont en partie ionisés (ionosphère) : cette zone réfléchit certaines ondes radio et c'est là qu'apparaissent les aurores polaires.
- Au-delà, l'exosphère fait la transition avec l'espace.
| Couche | Altitude approximative | Évolution de la température | Particularité |
|---|---|---|---|
| Troposphère | 0 à 8-18 km | diminue (≈ 6,5 °C/km) | météo, vapeur d'eau |
| Stratosphère | jusqu'à 50 km | augmente | couche d'ozone |
| Mésosphère | jusqu'à 80-85 km | diminue (jusqu'à −90 °C) | étoiles filantes |
| Thermosphère | au-delà | augmente fortement | ionosphère, aurores |
4. Les rôles protecteurs de l'atmosphère
Le filtre à ultraviolets. L'ozone stratosphérique arrête la plus grande partie des UV les plus dangereux, qui provoquent brûlures, cancers de la peau et lésions des yeux, et endommagent l'ADN des êtres vivants. Au XXᵉ siècle, certains gaz industriels (les chlorofluorocarbures ou CFC, utilisés dans les réfrigérateurs et les aérosols) ont aminci cette couche ; leur interdiction progressive par le protocole de Montréal (1987) permet aujourd'hui sa lente reconstitution.
L'effet de serre naturel. La Terre reçoit la lumière du Soleil et renvoie de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge. La vapeur d'eau, le CO2 et le méthane retiennent une partie de ce rayonnement. Sans cet effet, la température moyenne à la surface serait d'environ −18 °C au lieu de +15 °C : la vie telle que nous la connaissons serait impossible. Mais l'augmentation du CO2 due aux activités humaines (combustion du charbon, du pétrole, déforestation) renforce cet effet et réchauffe le climat.
Le bouclier contre les météorites et la régulation des températures. L'atmosphère détruit la plupart des petits corps venus de l'espace et limite les écarts de température entre le jour et la nuit.
Le réservoir de gaz vitaux. Elle fournit le dioxygène de la respiration, le CO2 de la photosynthèse, et transporte l'eau (évaporation, nuages, pluie).
Méthode
Pour exploiter un profil de température de l'atmosphère :
- Je repère les altitudes où le sens de variation de la température change : ce sont les limites (tropopause, stratopause, mésopause).
- Pour chaque tranche, je dis si la température augmente ou diminue avec l'altitude, et je nomme la couche.
- Je calcule un gradient : (T haut − T bas) ÷ (altitude haut − altitude bas), en °C/km.
- J'explique la cause : chauffage par le sol (troposphère), absorption des UV par l'ozone (stratosphère).
Exemple
Au sol, à Conakry, il fait 30 °C. En utilisant le gradient moyen de la troposphère (−6,5 °C/km), estimer la température à 11 km d'altitude.
Baisse de température : 6,5 × 11 = 71,5 °C.
Température estimée : 30 − 71,5 = −41,5 °C.
L'ordre de grandeur est celui qu'affiche l'écran de l'avion (autour de −40 à −55 °C).
Exemple
Une station météorologique mesure 25 °C au pied d'une montagne à 200 m d'altitude et 13 °C au sommet, à 2 100 m. Calculer le gradient.
Différence de température : 13 − 25 = −12 °C.
Différence d'altitude : 2 100 − 200 = 1 900 m = 1,9 km.
Gradient : −12 ÷ 1,9 ≈ −6,3 °C/km, proche de la valeur moyenne de la troposphère.
3Je retiens
Je retiens
L'atmosphère est l'enveloppe gazeuse de la Terre, retenue par la gravité. Air sec : 78 % N₂, 21 % O₂, 0,93 % Ar, environ 0,04 % CO₂.
La pression diminue avec l'altitude : 1 013 hPa au niveau de la mer, environ la moitié à 5,5 km.
Troposphère (0 à 8-18 km) : T diminue d'environ 6,5 °C/km ; météo.
Stratosphère (jusqu'à 50 km) : T augmente ; couche d'ozone qui absorbe les UV.
Mésosphère (jusqu'à 80-85 km) : T diminue jusqu'à −90 °C. Thermosphère : T augmente fortement.
Limites : tropopause, stratopause, mésopause.
Rôles : filtre UV, effet de serre naturel (+15 °C au lieu de −18 °C), protection contre les météorites, réserve de O₂ et CO₂.
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'il fait plus chaud en altitude parce qu'on est « plus près du Soleil » : la troposphère est chauffée par le sol, donc elle se refroidit en montant.
- Confondre effet de serre et trou dans la couche d'ozone : l'ozone protège des UV ; l'effet de serre retient la chaleur infrarouge. Ce sont deux phénomènes différents.
- Dire que l'atmosphère contient 21 % d'oxygène et 79 % de gaz carbonique : le CO₂ ne représente qu'environ 0,04 % ; c'est le diazote qui domine.
- Donner la même épaisseur à la troposphère partout : elle est plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Donne la composition de l'air sec.
b) Nomme, du sol vers l'espace, les quatre couches principales de l'atmosphère et leurs limites.
c) Dans quelle couche se trouve la couche d'ozone et quel est son rôle ?
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a) Environ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène, 0,93 % d'argon, 0,04 % de dioxyde de carbone et des traces d'autres gaz.
b) Troposphère, tropopause ; stratosphère, stratopause ; mésosphère, mésopause ; thermosphère.
c) Dans la stratosphère, surtout entre 20 et 30 km. Elle absorbe la plus grande partie des rayons ultraviolets du Soleil, dangereux pour les êtres vivants.
2Exercice 2
Complète : « Dans la ………, la température diminue avec l'altitude ; c'est le siège de la ……… . Dans la ………, la température augmente grâce à l'absorption des ……… par l'……… . »
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« Dans la troposphère, la température diminue avec l'altitude ; c'est le siège de la météorologie (nuages, pluies, vents). Dans la stratosphère, la température augmente grâce à l'absorption des rayons ultraviolets par l'ozone. »
3Exercice 3
Un alpiniste part de 500 m d'altitude, où il fait 24 °C. En admettant un gradient de −6,5 °C/km, quelle température trouvera-t-il au sommet du mont Nimba (1 752 m) ? Arrondis au dixième.
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Dénivelé : 1 752 − 500 = 1 252 m = 1,252 km. Baisse : 6,5 × 1,252 = 8,138 °C. Température au sommet : 24 − 8,138 ≈ 15,9 °C.
4Exercice 4
Le tableau donne des températures mesurées par un ballon-sonde lâché au-dessus de la Guinée.
| Altitude (km) | 0 | 5 | 10 | 17 | 25 | 35 | 50 | 65 | 85 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température (°C) | 27 | −5 | −40 | −78 | −55 | −30 | −2 | −45 | −88 |
a) Repère les altitudes où la température change de sens de variation et nomme ces limites.
b) Calcule le gradient moyen entre 0 et 10 km.
c) Explique pourquoi la température augmente entre 17 et 50 km.
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a) La température diminue jusqu'à 17 km, puis augmente jusqu'à 50 km, puis diminue jusqu'à 85 km. Les limites sont donc la tropopause vers 17 km, la stratopause vers 50 km et la mésopause vers 85 km. L'épaisseur de 17 km de la troposphère est normale en région tropicale.
b) Gradient : (−40 − 27) ÷ (10 − 0) = −67 ÷ 10 = −6,7 °C/km.
c) Entre 17 et 50 km, on est dans la stratosphère, qui contient la couche d'ozone. L'ozone absorbe les rayons ultraviolets du Soleil et transforme leur énergie en chaleur : l'air se réchauffe avec l'altitude.
5Exercice 5
(Type BAC) « Sans atmosphère, la surface de la Terre ressemblerait à celle de la Lune : brûlante le jour, glaciale la nuit, criblée de cratères et stérilisée par les rayons du Soleil. »
En t'appuyant sur tes connaissances, explique chacune de ces affirmations en citant le rôle correspondant de l'atmosphère.
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- « Brûlante le jour, glaciale la nuit » : l'atmosphère, par l'effet de serre et par la circulation de l'air, retient la chaleur la nuit et limite l'échauffement le jour. Grâce à elle, la température moyenne de la Terre est d'environ +15 °C au lieu de −18 °C, et les écarts entre le jour et la nuit restent modérés.
- « Criblée de cratères » : les petits corps venus de l'espace se consument par frottement dans l'atmosphère, surtout dans la mésosphère (étoiles filantes) ; seuls de rares gros objets atteignent le sol.
- « Stérilisée par les rayons du Soleil » : la couche d'ozone de la stratosphère arrête la majeure partie des ultraviolets, qui détruisent l'ADN et les cellules.
L'atmosphère est donc indispensable au maintien de la vie : elle fournit aussi le dioxygène de la respiration et le dioxyde de carbone de la photosynthèse.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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