L'atmosphère est un mélange de gaz invisibles qui entourent complètement la Terre :

• Azote:                 78,09%
• Oxygène:;           20,95 %
• Vapeur d&#146eau; :   0 à 3 %
• Gaz carbonique:  0,03 %
• Ozone:                  0,000003 %

Bien que l'azote et l'oxygène aient quantitativement le haut du pavé, ce sont de fait les très faibles proportions de vapeur d'eau et de gaz carbonique qui ont le plus d'influence sur le comportement de l'atmosphère. Si le gaz carbonique a une forte incidence sur le climat, c'est par contre la vapeur d'eau qui détermine les conditions du temps.

Ce gaz est à l'origine des nuages, du brouillard et des précipitations, tout simplement parce qu'il est instable. Sous l'effet de la température et de la pression, il est tantôt sous la forme vapeur, eau, ou bien glace. Mais l'atmosphère ne contient évidemment pas que cela. De fait, elle contient aussi des milliards de tonnes de gaz et de particules diverses provenant de l'activité humaine ou issus de phénomènes naturels.

Dans les couches inférieures, surtout dans cette troposphère dans laquelle on vit et on se déplace, les particules liquides ou solides qu'on appelle aérosols, sont notamment en quantité considérable. Or, c'est sur les aérosols liquides que se condense la vapeur d'eau pour former finalement gouttelettes, nuages et brouillard.

Les aérosols solides, constitués notamment de poussières, pollens, cendres, fumée, sel marin et sable, sont les véhicules de prédilection des cristaux de glace, qui sont parfois nuages, parfois brouillard glacé. À l'origine entre autres de la brume sèche et du smog, les aérosols sont les principaux déclencheurs du changement d'état de la vapeur d'eau.

Plus on s'éloigne du sol, plus l'air se raréfie jusqu'à devenir quasi indétectable ; 99 % de la masse totale de l'atmosphère est en deçà de 30 km du sol, soit 100 000 pieds, tandis que la moitié, en deçà de 18 000 pieds, constitue les 5,5 premiers kilomètres.
Mais les traînées de certains satellites révèlent qu'elle s'étend jusqu'à quelque 1600 km; il est d'ailleurs fréquent d'observer des aurores boréales à une altitude supérieure à 1000 km.
Bien que les données obtenues à de très hautes altitudes ne s'appliquent pas à la préparation quotidienne des prévisions, leur étude a une importance notable pour la compréhension du temps.

L'air a pour principale propriété d'être inerte, fluide, visqueux, expansible et compressible. En ce sens, il n'échappe pas à la thermodynamique.

Inertie Comme l'air est inerte et qu'il a une masse, il faut une force pour le mettre en mouvement, l'accélérer ou le freiner.

La masse volumique de l'air varie beaucoup d'un point à l'autre. Au niveau de la mer, elle est d'environ 1,125 grammes par litre, alors qu'à 10 km, 33 000 pieds, elle n'est plus que d'environ 0,414 gramme par litre.

Fluidité L'air est aussi très fluide; il tend à occuper tout l'espace libre et à exercer une pression sur tous les corps qu'il entoure.

Viscosité La viscosité de l'air est une propriété importante. Si elle lui permet de se mouvoir et de provoquer ainsi un effet d'entraînement sur les couches voisines, elle empêche par contre le cisaillement du vent d'atteindre des valeurs démesurées.
Le mouvement provoqué par cette viscosité est toutefois toujours ralenti par un corps beaucoup plus inerte. Ce ralentissement est généralement provoqué par les obstacles que constituent lui-même le sol, de quelque nature qu'il soit, et l'effet de friction qu'ils provoquent.

Expansibilité et compressibilité Dès qu'en un point de l'atmosphère la pression d'une masse d'air augmente par rapport à la pression environnante, l'air prend de l'expansion et tend à occuper plus d'espace.
Si c'est par contre la pression environnante qui augmente, le volume de cette masse diminuera parce qu'il est comprimé.

Thermodynamique En ce sens, on peut dire que sous l'effet des changements de pression, et en même temps de température, l'air est aussi thermodynamique que tous les autres gaz.
De façon absolue, on sait que dès qu'une petite quantité d'air s'élève du sol, sa pression et sa température diminuent, alors que son volume augmente.
Par contre, l'air qui descend vers le sol subit évidemment l'effet contraire : compression, diminution de volume et augmentation de la température.
Le phénomène n'est pas la principale cause du réchauffement ou du refroidissement de l'atmosphère, mais il a un rôle primordial dans la formation de nuages causée par les mouvements verticaux de l'air.

Figure 1-1 À gauche, l'air ascendant se dilate et se refroidit à mesure que sa pression diminue.

À droite, l'air descendant se comprime et se réchauffe; ce qui en fait augmenter la pression.

Ses divisions

Les scientifiques s'entendent sur les grandes divisions de l'atmosphère, mais quand vient le moment d'en préciser les limites ou les caractéristiques, des distinctions sont faites suivant les disciplines et les besoins.

Voici deux approches; celle de l'Union géodésique et géophysique internationale, UGGI, et celle de Goody, fondées sur la température et l'ionisation.
En météorologie, on retient celle de l'UGGI, parce qu'elle divise les couches d'air en fonction de leur structure thermique.

Par ordre d'entrée à partir du sol, l'UGGI les appelle

• troposphère
• stratosphère
• mésosphère
• thermosphère

Pour identifier chacune des zones de transition, on change le suffixe sphère par l'expression pause :

• tropopause
• stratopause
• mésopause
• thermopause

Figure 1-2 Système de division de l'atmosphère en couche.

Troposphère C'est dans cette première couche que l'atmosphère, au contact de la Terre, se réchauffe le plus. En captant les rayons du Soleil, la surface terrestre devient un radiateur qui réchauffe l'air et le met en mouvement par la seule action thermodynamique.
Il en résulte d'importants courants ascendants qui en réchauffent ainsi les niveaux supérieurs, tout en provoquant le déplacement horizontal de gigantesques volumes d'air qu'on appelle systèmes météorologiques.
C'est ce qui explique que l'essentiel de l'activité météorologique se passe dans cette première couche de l'atmosphère, où on trouve de tout pour produire la kyrielle de phénomènes avec lesquels on doit composer quotidiennement par toute la Terre.
L'intense concentration de vapeur d'eau qui s'y crée, associée aux forts courants ascendants, forme nuages et précipitations, orages, ouragans et tornades.
Immédiatement sous la tropopause, le cisaillement provoqué par le fort contraste qu'il y a entre la troposphère et la stratosphère génère ces vents très forts qu'on nomme courant jet. Ces derniers ont souvent des structures parfois complexes.
Ces courants étroits et puissants, qui ne se créent qu'au nord de l'hémisphère Nord, ont une telle ampleur qu'ils s'insèrent dans ce qu'on appelle la circulation générale, c'est-à-dire la trajectoire que suivent les masses d'air.

Tropopause Première frontière thermique, la tropopause est à la fois la limite de la biosphère et de la zone la plus froide de la basse atmosphère.
L'altitude moyenne de la tropopause est d'environ 11 km, 36 000 pieds. Au-dessus des pôles, elle est d'environ 8 km, 26 000 pieds, alors qu'à l'équateur, elle est de quelque 18 km, 59 000 pieds.
La tropopause est plus haute en été, et elle change brusquement d'altitude à proximité des courants jets.

Stratosphère La stratosphère correspond à une zone de 15 km où la température augmente graduellement jusqu'à 0 °C et même 10 °C.
Dans cette couche, il n'y a presque pas de vapeur d'eau et aucun grands courants verticaux. On y remarque occasionnellement quelques nuages nacrés formés de rares cristaux de glace.
Le réchauffement de la stratosphère est causé par ce qui la caractérise essentiellement, soit ce bouclier d'ultraviolets que constitue la couche d'ozone.
Cette couche absorbe une partie des ultraviolets en provenance du soleil produisant ainsi ce réchauffement.

Stratopause Au sommet de la stratosphère, il y a la stratopause. Passé cette frontière, la température redescend au fur et à mesure de l'ascension et de la rareté de l'ozone.

Mésosphère Rien de bien particulier ne caractérise cette couche, sinon la rareté de l'ozone et, par conséquent, le minimum absolu d'environ -80 °C, à avoir été enregistré à une distance de 80 à 90 km de la surface de la Terre. Cette température est la plus basse jamais enregistrée dans l'atmosphère.

C'est dans cette couche que disparaissent les météorites chauffés à incandescence dès leur entrée dans les confins de l'atmosphère.

Mésopause La mésopause marque par contre une autre frontière thermique à partir de laquelle la température recommence à s'élever avec l'altitude.

Exosphère Selon la classification de GOODY, cette partie supérieure de l'atmosphère est l'endroit où les particules commencent à échapper à la gravitation, et sont l'objet d'échanges atomiques et moléculaires avec les particules solaires et cosmiques. L'exosphère est d'ailleurs le royaume des aurores boréales.

La base de l'exosphère n'est pas tellement bien définie, mais on estime qu'elle se situe entre 500 et 800 km de la Terre.

L'abondance des données d'observation directe disponibles pour les 20 premiers kilomètres de l'atmosphère a permis de dresser des tableaux détaillés des conditions moyennes qui y prévalent.

Ces données sont présentées en atmosphères types avec profil d'altitude, de pression et de température à 40° de latitude nord.

Figure 1-3 Atmosphère-type de l'OACI. Plus on monte, plus la pression baisse, mais cette baisse est plus marquée à basse altitude.

En voici les points saillants :

• pression au niveau moyen de la mer : 1013,25 hectopascals, hPA
• température au niveau moyen de la mer : 15 °C
• taux de décroissance de la température — gradient thermique vertical — dans la troposphère : 6,5 °C par kilomètres, soit 1,98 °C par 1000 pieds
• altitude de la tropopause : 11 kilomètres, 36 000 pieds, au-dessus du niveau moyen de la mer
• température de la tropopause : -56,5 °C
• température constante de la tropopause à l'extrémité de l'atmosphère type.