Suite

13.1 : L'atmosphère - Géosciences

13.1 : L'atmosphère - Géosciences


L'atmosphère terrestre est une fine couche de gaz et de minuscules particules, appelées ensemble air. Nous sommes plus conscients de l'air lorsqu'il se déplace et crée du vent. Tous les êtres vivants ont besoin de certains des gaz présents dans l'air pour maintenir leur vie. Sans atmosphère, la Terre ne serait probablement qu'un autre rocher sans vie.

L'atmosphère terrestre, ainsi que l'abondante eau liquide à la surface de la Terre, sont les clés de la place unique de notre planète dans le système solaire. Une grande partie de ce qui rend la Terre exceptionnelle dépend de l'atmosphère. Considérons quelques-unes des raisons pour lesquelles nous avons la chance d'avoir une atmosphère.

INDISPENSABLE POUR LA VIE SUR TERRE
Sans l'atmosphère, la Terre ressemblerait beaucoup plus à la Lune. Les gaz atmosphériques, en particulier le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxygène (O2), sont extrêmement importants pour les organismes vivants. Comment l'atmosphère rend-elle la vie possible ? Comment la vie modifie-t-elle l'atmosphère?

Dans photosynthèse les plantes utilisent du CO2 et créer O2. La photosynthèse est responsable de la quasi-totalité de l'oxygène actuellement présent dans l'atmosphère. En créant de l'oxygène et de la nourriture, les plantes ont créé un environnement favorable aux animaux. Dans la respiration, les animaux utilisent l'oxygène pour convertir le sucre en énergie alimentaire qu'ils peuvent utiliser. Les plantes passent également par la respiration et consomment une partie des sucres qu'elles produisent.


PARTIE ESSENTIELLE DU CYCLE DE L'EAU
Dans le cadre du cycle hydrologique, qui a été détaillé dans le chapitre sur l'eau douce de la Terre, l'eau passe beaucoup de temps dans l'atmosphère, principalement sous forme de vapeur d'eau.Tous conditions météorologiques se déroule dans l'atmosphère, presque entièrement dans la basse atmosphère. La météo décrit à quoi ressemble l'atmosphère à un moment et à un endroit précis, et peut inclure la température, le vent et les précipitations. La météo est le changement que nous vivons au jour le jour. Le climat est la moyenne à long terme des conditions météorologiques dans un endroit particulier. Bien que le temps pour une journée d'hiver particulière à Tucson, en Arizona, puisse inclure de la neige, le climat de Tucson est généralement chaud et sec.


LA COUCHE D'OZONE REND LA VIE POSSIBLE
Ozone est une molécule composée de trois atomes d'oxygène, (O3). L'ozone dans la haute atmosphère absorbe la haute énergie rayonnement ultraviolet (UV) venant du Soleil. Cela protège les êtres vivants à la surface de la Terre des rayons les plus nocifs du Soleil. Sans ozone pour la protection, seules les formes de vie les plus simples seraient capables de vivre sur Terre.MODÈRE LA TEMPÉRATURE DE LA TERRE
Avec les océans, le atmosphère maintient les températures de la Terre dans une fourchette acceptable.Gaz à effet de serre emprisonner la chaleur dans l'atmosphère afin qu'ils aident à modérer les températures mondiales. Sans une atmosphère contenant des gaz à effet de serre, les températures de la Terre seraient glaciales la nuit et torrides le jour. Les principaux gaz à effet de serre comprennent le dioxyde de carbone, le méthane, la vapeur d'eau et l'ozone.


Gaz atmosphériques

COMPOSITION DE L'AMBIANCE
Azote et l'oxygène constituent ensemble 99% de l'atmosphère de la planète. Le reste des gaz sont des composants mineurs mais sont parfois très importants. Humidité est la quantité de vapeur d'eau dans l'air. L'humidité varie d'un endroit à l'autre et d'une saison à l'autre. Ce fait est évident si vous comparez une journée d'été à Atlanta, en Géorgie, où l'humidité est élevée, avec une journée d'hiver à Phoenix, en Arizona, où l'humidité est faible. Lorsque l'air est très humide, il est lourd ou collant. L'air sec est généralement plus confortable. Où dans le monde la vapeur d'eau atmosphérique moyenne est-elle plus élevée et où est-elle plus faible et pourquoi ? Une humidité plus élevée se trouve autour des régions équatoriales car les températures de l'air sont plus élevées et l'air chaud peut contenir plus d'humidité que l'air plus frais. Bien sûr, l'humidité est plus faible près des régions polaires car la température de l'air est plus basse.

Une partie de ce qui est dans l'atmosphère n'est pas du gaz. Les particules de poussière, de terre, de matières fécales, de métaux, de sel, de fumée, de cendres et d'autres solides constituent un petit pourcentage de l'atmosphère. Les particules fournissent des points de départ (ou noyaux) sur lesquels la vapeur d'eau se condense et forme des gouttes de pluie. Certaines particules sont des polluants, dont il est question dans le chapitre Actions humaines et atmosphère.


PRESSION ATMOSPHÉRIQUE ET DENSITÉ
L'atmosphère a des propriétés différentes à différentes altitudes au-dessus du niveau de la mer, ou altitudes. La densité de l'air (le nombre de molécules dans un volume donné) diminue avec l'augmentation de l'altitude. C'est pourquoi les gens qui escaladent de hautes montagnes, comme le mont. Everest, doivent installer le camp à différentes altitudes pour permettre à leur corps de s'habituer à la diminution de l'air. Pourquoi la densité de l'air diminue-t-elle avec l'altitude ? La gravité attire les molécules de gaz vers le centre de la Terre. L'attraction de la gravité est plus forte plus près du centre au niveau de la mer. L'air est plus dense au niveau de la mer où l'attraction gravitationnelle est plus importante. Les gaz au niveau de la mer sont également comprimés par le poids de l'atmosphère au-dessus d'eux. La force de l'air pesant sur une unité de surface est connue sous le nom depression atmosphérique. La raison pour laquelle nous ne sommes pas écrasés par ce poids est que les molécules à l'intérieur de notre corps poussent vers l'extérieur pour compenser. La pression atmosphérique est ressentie de toutes les directions, pas seulement d'en haut.

À des altitudes plus élevées, la pression atmosphérique est plus faible et l'air est moins dense qu'à des altitudes plus élevées. Si vos oreilles ont déjà « éclaté », vous avez subi un changement de pression atmosphérique. Les molécules de gaz se trouvent à l'intérieur et à l'extérieur de vos oreilles. Lorsque vous changez d'altitude rapidement, comme lorsqu'un avion descend, votre oreille interne maintient la densité de molécules à l'altitude d'origine. Finalement, les molécules d'air à l'intérieur de votre oreille se déplacent soudainement à travers un petit tube dans votre oreille pour égaliser la pression. Cette poussée d'air soudaine est ressentie comme une sensation d'éclatement.

Bien que la densité de l'atmosphère change avec l'altitude, la composition reste la même avec l'altitude, à une exception près. Dans la couche d'ozone, à environ 20 à 40 km au-dessus de la surface, il y a une plus grande concentration de molécules d'ozone que dans d'autres parties de l'atmosphère.


Couches de l'atmosphère

L'atmosphère est stratifiée, correspondant à la façon dont la température de l'atmosphère change avec l'altitude. En comprenant la façon dont la température change avec l'altitude, nous pouvons en apprendre beaucoup sur le fonctionnement de l'atmosphère. Alors que le temps se déroule dans la basse atmosphère, des choses intéressantes, telles que la belle aurore, se produisent plus haut dans l'atmosphère.

Pourquoi l'air chaud monte-t-il ? Les molécules de gaz peuvent se déplacer librement et si elles ne sont pas confinées, comme elles le sont dans l'atmosphère, elles peuvent occuper plus ou moins de place.

  • Lorsque les molécules de gaz sont froides, elles sont lentes et ne prennent pas autant de place. Avec le même nombre de molécules dans moins d'espace, la densité de l'air et la pression de l'air sont plus élevées.
  • Lorsque les molécules de gaz sont chaudes, elles se déplacent vigoureusement et prennent plus de place. La densité de l'air et la pression de l'air sont plus faibles.

L'air plus chaud et plus léger est plus porteur que l'air plus frais au-dessus, donc il monte. L'air plus frais descend alors, car il est plus dense que l'air en dessous. C'est la convection, qui a été décrite dans le chapitre sur la tectonique des plaques.

La propriété qui change le plus avec l'altitude est la température de l'air. Contrairement au changement de pression et de densité, qui diminue avec l'altitude, les changements de température de l'air ne sont pas réguliers. Un changement de température avec la distance est appelé un gradient de température.

L'atmosphère est divisée en couches en fonction de la façon dont la température dans cette couche change avec l'altitude, le gradient de température de la couche. Le gradient de température de chaque couche est différent. Dans certaines couches, la température augmente avec l'altitude et dans d'autres, elle diminue. Le gradient de température dans chaque couche est déterminé par la source de chaleur de la couche. La plupart des processus importants de l'atmosphère se déroulent dans les deux couches les plus basses : la troposphère et la stratosphère.


TROPOSPHÈRE
La température du troposphère est le plus élevé près de la surface de la Terre et diminue avec l'altitude. En moyenne, le gradient de température de la troposphère est de 6,5oC par 1 000 m (3,6oF par 1 000 pi) d'altitude. Quelle est la source de chaleur de la troposphère ? La surface de la Terre est une source majeure de chaleur pour la troposphère, bien que la quasi-totalité de cette chaleur provienne du Soleil. La roche, le sol et l'eau sur Terre absorbent la lumière du Soleil et la renvoient dans l'atmosphère sous forme de chaleur. La température est également plus élevée près de la surface en raison de la plus grande densité de gaz.
Notez que dans la troposphère, l'air plus chaud se trouve sous l'air plus frais. A votre avis, quelle en est la conséquence ? Cette condition est instable. L'air chaud près de la surface monte et l'air froid plus haut dans la troposphère descend. Donc l'air dans la troposphère fait beaucoup de mélange. Ce mélange fait varier le gradient de température avec le temps et le lieu. La montée et la descente de l'air dans la troposphère signifient que tout le temps de la planète a lieu dans la troposphère.

Parfois, il y a une température renversement, la température de l'air dans la troposphère augmente avec l'altitude et l'air chaud se trouve au-dessus de l'air froid. Les inversions sont très stables et peuvent durer plusieurs jours voire plusieurs semaines. Elles forment:

  • Sur terre la nuit ou en hiver lorsque le sol est froid. Le sol froid refroidit l'air qui se trouve au-dessus, rendant cette basse couche d'air plus dense que l'air au-dessus.
  • Près de la côte où l'eau de mer froide refroidit l'air au-dessus. Lorsque cet air plus dense se déplace à l'intérieur des terres, il glisse sous l'air plus chaud au-dessus de la terre.

Étant donné que les inversions de température sont stables, elles piègent souvent les polluants et produisent des conditions atmosphériques malsaines dans les villes. Au sommet de la troposphère se trouve une couche mince dans laquelle la température ne change pas avec l'altitude. Cela signifie que l'air plus frais et plus dense de la troposphère est piégé sous l'air plus chaud et moins dense de la stratosphère. L'air de la troposphère et de la stratosphère se mélange rarement.

STRATOSPHÈRE
Les cendres et le gaz d'une grande éruption volcanique peuvent éclater dans le stratosphère, la couche au-dessus de la troposphère. Une fois dans la stratosphère, il y reste suspendu pendant de nombreuses années car il y a si peu de mélange entre les deux couches. Les pilotes aiment voler dans les parties inférieures de la stratosphère car il y a peu de turbulences dans l'air. Dans la stratosphère, la température augmente avec l'altitude. Quelle est la source de chaleur de la stratosphère ? La source de chaleur directe de la stratosphère est le Soleil. L'air dans la stratosphère est stable parce que l'air plus chaud et moins dense se trouve au-dessus de l'air plus frais et plus dense. En conséquence, il y a peu de mélange d'air dans la couche. couche d'ozone se trouve dans la stratosphère entre 15 à 30 km (9 à 19 miles) d'altitude. L'épaisseur de la couche d'ozone varie selon la saison et aussi selon la latitude.

La couche d'ozone est extrêmement importante car l'ozone gazeux dans la stratosphère absorbe la plupart des rayons ultraviolets (UV) nocifs du Soleil. Pour cette raison, la couche d'ozone protège la vie sur Terre. La lumière UV à haute énergie pénètre dans les cellules et endommage l'ADN, entraînant la mort cellulaire (ce que nous appelons un mauvais coup de soleil). Les organismes sur Terre ne sont pas adaptés à une forte exposition aux UV, qui les tue ou les endommage. Sans la couche d'ozone pour refléter les rayons UVC et UVB, la vie la plus complexe sur Terre ne survivrait pas longtemps.

MESOSPHERE
Les températures dans le mésosphère diminue avec l'altitude. Parce qu'il y a peu de molécules de gaz dans la mésosphère pour absorber le rayonnement solaire, la source de chaleur est la stratosphère en dessous. La mésosphère est extrêmement froide, surtout à son sommet, environ -90 degrés C (-130 degrés F).

L'air dans la mésosphère a une densité extrêmement faible : 99,9 % de la masse de l'atmosphère se trouve sous la mésosphère. En conséquence, la pression atmosphérique est très faible. Une personne voyageant dans la mésosphère subirait de graves brûlures causées par la lumière ultraviolette, car la couche d'ozone qui fournit une protection contre les UV se trouve dans la stratosphère en dessous. Il n'y aurait presque plus d'oxygène pour respirer. Plus étrange encore, le sang d'un voyageur non protégé bouillirait à une température corporelle normale parce que la pression est si basse.


THERMOSPHÈRE
La densité des molécules est si faible dans le thermosphère qu'une molécule de gaz peut parcourir environ 1 km avant d'entrer en collision avec une autre molécule. Comme si peu d'énergie est transférée, l'air est très froid. Dans la thermosphère se trouve le ionosphère. L'ionosphère tire son nom du rayonnement solaire qui ionise les molécules de gaz pour créer un ion chargé positivement et un ou plusieurs électrons chargés négativement. Les électrons libérés voyagent dans l'ionosphère sous forme de courants électriques. En raison des ions libres, l'ionosphère possède de nombreuses caractéristiques intéressantes. La nuit, les ondes radio rebondissent sur l'ionosphère et reviennent sur Terre. C'est pourquoi vous pouvez souvent capter une station de radio AM loin de sa source la nuit. Les ceintures de rayonnement de Van Allen sont deux zones en forme de beignet de particules hautement chargées situées au-delà de l'atmosphère dans magnétosphère. Les particules proviennent des éruptions solaires et s'envolent vers la Terre grâce au vent solaire. Une fois piégés par le champ magnétique terrestre, ils suivent les lignes de force magnétique du champ. Ces lignes s'étendent du dessus de l'équateur jusqu'au pôle Nord et aussi au pôle Sud puis retournent à l'équateur.

Lorsque des tempêtes solaires massives surchargent les ceintures de Van Allen de particules, il en résulte la caractéristique la plus spectaculaire de l'ionosphère - la aurore. Les particules spiralent le long des lignes de champ magnétique vers les pôles. Les particules chargées dynamisent les molécules d'oxygène et d'azote gazeux, les faisant s'allumer. Chaque gaz émet une couleur de lumière particulière.

Il n'y a pas de véritable limite extérieure à la exosphère, la couche la plus externe de l'atmosphère; les molécules de gaz deviennent finalement si rares qu'à un moment donné il n'y en a plus. Au-delà de l'atmosphère se trouve le vent solaire. Le vent solaire est composé de particules à grande vitesse, principalement des protons et des électrons, voyageant rapidement vers l'extérieur du Soleil.


Il n'y a pas de véritable limite extérieure à la exosphère, la couche la plus externe de l'atmosphère; les molécules de gaz deviennent finalement si rares qu'à un moment donné il n'y en a plus. Le vent solaire est composé de particules à grande vitesse, principalement des protons et des électrons, voyageant rapidement vers l'extérieur du Soleil.

Cette vidéo est très approfondie dans sa discussion sur les couches de l'atmosphère.

Énergie atmosphérique, température et chaleur

ÉNERGIE
Énergie voyage à travers l'espace ou la matière. Cela est évident lorsque vous vous tenez près d'un feu et que vous ressentez sa chaleur ou lorsque vous prenez la poignée d'une casserole en métal même si la poignée ne repose pas directement sur le poêle chaud. Les ondes d'énergie invisibles peuvent voyager dans l'air, le verre et même le vide de l'espace. Ces ondes ont des propriétés électriques et magnétiques, elles sont donc appelées ondes électromagnétiques. Le transfert d'énergie d'un objet à un autre par les ondes électromagnétiques est connu sous le nom de rayonnement. Différentes longueurs d'onde d'énergie créent différents types d'ondes électromagnétiques.

  • Les longueurs d'onde que les humains peuvent voir sont appelées "lumière visible". Ces longueurs d'onde nous apparaissent comme les couleurs de l'arc-en-ciel. À quels objets pouvez-vous penser qui émettent de la lumière visible ? Deux incluent le Soleil et une ampoule.
  • Les longueurs d'onde les plus longues de la lumière visible apparaissent en rouge. Les longueurs d'onde infrarouges sont plus longues que le rouge visible. Les serpents peuvent voir l'énergie infrarouge. Nous ressentons l'énergie infrarouge sous forme de chaleur.
  • Les longueurs d'onde plus courtes que le violet sont appelées ultraviolets.

Pouvez-vous penser à certains objets qui semblent émettre de la lumière visible, mais qui ne le font pas en réalité ? La lune et les planètes n'émettent pas de lumière par elles-mêmes ; ils reflètent la lumière du soleil. Réflexion c'est quand la lumière (ou une autre onde) rebondit sur une surface. Albédo est une mesure de la manière dont une surface réfléchit la lumière. Une surface à albédo élevé reflète un grand pourcentage de lumière. Un champ de neige a un albédo élevé.

Un fait important à retenir est que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite - elle ne peut être changée que d'une forme à une autre. C'est un fait de la nature tellement fondamental que c'est une loi : la loi de conservation de l'énergie.

Dans la photosynthèse, par exemple, les plantes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique qu'elles peuvent utiliser. Ils ne créent pas de nouvelle énergie. Lorsque l'énergie est transformée, une partie devient presque toujours de la chaleur. La chaleur se transfère facilement entre les matériaux, des objets les plus chauds aux plus froids. Si plus aucune chaleur n'est ajoutée, finalement tout un matériau atteindra la même température.


TEMPÉRATURE
La température est une mesure de la vitesse à laquelle les atomes d'un matériau vibrent. Les particules à haute température vibrent plus rapidement que les particules à basse température. Les atomes qui vibrent rapidement se brisent, ce qui génère de la chaleur. Lorsqu'un matériau se refroidit, les atomes vibrent plus lentement et entrent en collision moins fréquemment. En conséquence, ils dégagent moins de chaleur. Quelle est la différence entre la chaleur et la température ?

  • La température mesure la vitesse à laquelle les atomes d'un matériau vibrent.
  • La chaleur mesure l'énergie totale du matériau.

Laquelle a une chaleur plus élevée et laquelle a une température plus élevée : une flamme de bougie ou une baignoire pleine d'eau chaude ?

  • La flamme a une température plus élevée, mais moins de chaleur, car la région chaude est très petite.
  • La baignoire a une température plus basse mais contient beaucoup plus de chaleur car elle a beaucoup plus d'atomes vibrants. La baignoire a une plus grande énergie totale.

CHAUFFER
Chaleur est aspiré ou libéré lorsqu'un objet change d'état, ou passe d'un gaz à un liquide, ou d'un liquide à un solide. Cette chaleur est appelée chaleur latente. Lorsqu'une substance change d'état, de la chaleur latente est libérée ou absorbée. Une substance qui change d'état de matière ne change pas de température. Toute l'énergie libérée ou absorbée sert à changer l'état du matériau.

Par exemple, imaginez une casserole d'eau bouillante sur un brûleur de cuisinière : cette eau est à 100 degrés C (212 degrés F). Si vous augmentez la température du brûleur, plus de chaleur pénètre dans l'eau. L'eau reste à sa température d'ébullition, mais l'énergie supplémentaire sert à changer l'eau de liquide en gaz. Avec plus de chaleur, l'eau s'évapore plus rapidement. Lorsque l'eau passe d'un liquide à un gaz, elle absorbe de la chaleur. Comme l'évaporation absorbe de la chaleur, on parle de refroidissement par évaporation. Le refroidissement par évaporation est un moyen peu coûteux de refroidir les maisons dans les zones chaudes et sèches.

Les substances diffèrent également par leur chaleur spécifique, la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme de matériau de 1,0 degrés C (1,8 degrés F). L'eau a une chaleur spécifique très élevée, ce qui signifie qu'il faut beaucoup d'énergie pour changer la température de l'eau. Comparons par exemple une flaque d'eau et de l'asphalte. Si vous marchez pieds nus par une journée ensoleillée, que préférez-vous traverser, la flaque d'eau peu profonde ou un parking asphalté ? En raison de sa chaleur spécifique élevée, l'eau reste plus froide que l'asphalte, même si elle reçoit la même quantité de rayonnement solaire.

L'énergie du soleil

La terre essaie constamment de maintenir un équilibre énergétique avec l'atmosphère. La majeure partie de l'énergie qui atteint la surface de la Terre provient du Soleil. Environ 44% du rayonnement solaire se trouve dans les longueurs d'onde de la lumière visible, mais le Soleil émet également des infrarouges, des ultraviolets et d'autres longueurs d'onde. Lorsqu'elles sont vues ensemble, toutes les longueurs d'onde de la lumière visible apparaissent en blanc. Mais un prisme ou des gouttelettes d'eau peuvent diviser la lumière blanche en différentes longueurs d'onde afin que des couleurs distinctes apparaissent.

De l'énergie solaire qui atteint l'atmosphère extérieure, les longueurs d'onde UV ont la plus grande énergie. Seulement environ 7 pour cent du rayonnement solaire se trouve dans les longueurs d'onde UV. Les trois types sont :

  • UVC : l'ultraviolet le plus énergétique, n'atteint pas du tout la surface de la planète.
  • UVB : la deuxième énergie la plus élevée, est aussi en grande partie arrêtée dans l'atmosphère.
  • UVA : la plus basse énergie, voyage à travers l'atmosphère jusqu'au sol.

Le rayonnement solaire restant est la plus longue longueur d'onde, l'infrarouge. La plupart des objets émettent de l'énergie infrarouge, que nous ressentons sous forme de chaleur. Certaines des longueurs d'onde du rayonnement solaire traversant l'atmosphère peuvent être perdues car elles sont absorbées par divers gaz. L'ozone élimine complètement les UVC, la plupart des UVB et certains UVA de la lumière solaire entrante. L'oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau filtrent également certaines longueurs d'onde.


Transfert de chaleur dans l'atmosphère

Chaleur se déplace dans l'atmosphère de la même manière qu'il se déplace à travers la Terre solide (chapitre Tectonique des plaques) ou un autre milieu. Ce qui suit est un examen de la façon dont la chaleur circule et est transférée, mais appliquée à l'atmosphère.

Radiation est le transfert d'énergie entre deux objets par des ondes électromagnétiques. La chaleur rayonne du sol dans la basse atmosphère.

Dans conduction, la chaleur se déplace des zones de plus de chaleur vers les zones de moins de chaleur par contact direct. Les molécules plus chaudes vibrent rapidement et entrent en collision avec d'autres molécules voisines, transférant leur énergie. Dans l'atmosphère, la conduction est plus efficace à basse altitude où la densité de l'air est plus élevée ; transfère la chaleur vers le haut vers l'endroit où les molécules sont plus éloignées les unes des autres ou transfère la chaleur latéralement d'un endroit plus chaud à un endroit plus froid, où les molécules se déplacent moins vigoureusement.

Le transfert de chaleur par mouvement de matériaux chauffés est appelé convection. La chaleur qui émane du sol initie des cellules de convection dans l'atmosphère.

CHALEUR À LA SURFACE DE LA TERRE
Environ la moitié du rayonnement solaire qui frappe le sommet de l'atmosphère est filtré avant d'atteindre le sol. Cette énergie peut être absorbée par les gaz atmosphériques, réfléchie par les nuages ​​ou diffusée. La diffusion se produit lorsqu'une onde lumineuse frappe une particule et rebondit dans une autre direction.

Environ 3% de l'énergie qui frappe le sol est réfléchie dans l'atmosphère. Le reste est absorbé par les roches, le sol et l'eau, puis renvoyé dans l'air sous forme de chaleur. Ces longueurs d'onde infrarouges ne peuvent être vues que par des capteurs infrarouges. Parce que l'énergie solaire pénètre continuellement dans l'atmosphère et la surface du sol de la Terre, la planète devient-elle plus chaude ? La réponse est non (bien que la section suivante contienne une exception) car l'énergie de la Terre s'échappe dans l'espace par le haut de l'atmosphère. Si la quantité qui sort est égale à la quantité qui entre, alors la température mondiale moyenne reste la même. Cela signifie que le bilan thermique de la planète est en équilibre. Que se passe-t-il si plus d'énergie entre qu'il n'en sort ? Si plus d'énergie sort qu'elle n'entre ?

Dire que le bilan thermique de la Terre est équilibré ignore un point important. La quantité d'énergie solaire entrante est différente selon les latitudes). Où pensez-vous que l'énergie solaire finit le plus et pourquoi ? Où finit le moins d'énergie solaire et pourquoi ? La différence d'énergie solaire reçue à différentes latitudes entraîne la circulation atmosphérique.

Régions équatoriales

Régions polaires

Douce journée
Presque le même toute l'année

Nuit 6 mois

Angle du soleil
Haute

Faible

Radiation solaire
Haute

Faible

Albédo
Faible

Haute

L'EFFET DE SERRE
L'exception à l'équilibre de la température de la Terre est causée par les gaz à effet de serre. Mais il faut d'abord expliquer le rôle des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les gaz à effet de serre réchauffent l'atmosphère en piégeant la chaleur. Une partie de la chaleur émise par le sol est piégée par les gaz à effet de serre dans la troposphère. Comme une couverture sur une personne endormie, les gaz à effet de serre agissent comme un isolant pour la planète. Le réchauffement de l'atmosphère dû à l'isolation par les gaz à effet de serre est appelé le Effet de serre. Les gaz à effet de serre sont le composant de l'atmosphère qui modère les températures de la Terre. Les gaz à effet de serre comprennent le CO2, le H2O, le méthane, l'O3, les oxydes nitreux (NO et NO2) et les chlorofluorocarbures (CFC). Tous font partie de l'atmosphère, à l'exception des CFC. Le tableau ci-dessous montre comment chaque gaz à effet de serre pénètre naturellement dans l'atmosphère.


Gaz à effet de serre
Dioxyde de carbone (CO2)
Méthane
Protoxyde d'azote
Ozone
Chlorofluorocarbures (CFC)

D'où ça vient
Respiration, éruptions volcaniques, décomposition de matériel végétal ; Brûlage des énergies fossiles
Décomposition du matériel végétal dans certaines conditions, réactions biochimiques dans les estomacs
Produit par des bactéries; brûler des combustibles fossiles
Processus atmosphériques, réactions chimiques résultant de la combustion de combustibles fossiles
Pas d'origine naturelle ; fait par les humains

Différents gaz à effet de serre ont des capacités différentes pour piéger la chaleur. Par exemple, une molécule de méthane retient 30 fois plus de chaleur qu'un CO2 molécule. Une molécule de CFC-12 (un type de CFC) retient 10 600 fois plus de chaleur qu'un CO2. Pourtant, le CO2 est un gaz à effet de serre très important car il est beaucoup plus abondant dans l'atmosphère.

L'activité humaine a considérablement augmenté les niveaux de nombreux gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les niveaux de méthane sont environ 2,5 fois plus élevés en raison de l'activité humaine. Le dioxyde de carbone a augmenté de plus de 35 %. Les CFC n'existent que récemment.

À votre avis, que se passe-t-il lorsque les niveaux de gaz à effet de serre dans l'atmosphère augmentent ? Plus de gaz à effet de serre piègent plus de chaleur et réchauffent l'atmosphère. L'augmentation ou la diminution des gaz à effet de serre dans l'atmosphère affecte le climat et les conditions météorologiques dans le monde entier.


13.1 Stress et tension

Les collisions de plaques et le poids accumulé des roches sus-jacentes exercent des forces sur les roches en profondeur. Bien que la taille de la force soit importante, il est également important de savoir si la force est répartie sur une vaste région ou étroitement concentrée sur une petite zone. La même force aura un effet plus important lorsqu'elle agit sur une petite surface que lorsqu'elle agit sur une plus grande surface. Si vous avez déjà utilisé des raquettes pour traverser un banc de neige sans vous enfoncer, vous avez profité des effets de répartition de la force (votre masse agissant par gravité) sur une zone plus large (la zone de vos raquettes plutôt que les semelles de vos bottes). Stress est une force ajustée pour la zone sur laquelle elle est répartie. Souche est le changement de forme qui se produit lorsque les roches sont déformées par le stress.


13.1 Le cycle hydrologique

L'eau est constamment en mouvement. Il est évaporé des océans, des lacs, des cours d'eau, de la surface de la terre et des plantes (transpiration) par l'énergie solaire (Figure 13.2). Il est déplacé dans l'atmosphère par les vents et se condense pour former des nuages ​​de gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace. Il redescend sous forme de pluie ou de neige, puis s'écoule à travers les ruisseaux, dans les lacs et finalement dans les océans. L'eau à la surface et dans les ruisseaux et les lacs s'infiltre dans le sol pour devenir de l'eau souterraine. L'eau souterraine se déplace lentement à travers la roche et les matériaux de surface. Certaines eaux souterraines retournent dans d'autres cours d'eau et lacs, et d'autres retournent directement dans les océans.

Figure 13.2 Les différentes composantes du cycle de l'eau. Le texte noir ou blanc indique le mouvement ou le transfert d'eau d'un réservoir à un autre. Le texte jaune indique le stockage de l'eau. [SE après Wikipédia : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/54/Water_cycle_blank.svg]

Même lorsqu'elle se déplace, l'eau est stockée dans divers réservoirs. Le plus grand, de loin, est l'océan, représentant 97 % du volume (figure 13.3). Bien sûr, cette eau est salée. Les 3% restants sont de l'eau douce. Les deux tiers de notre eau douce sont stockés dans la glace et un tiers est stocké dans le sol. L'eau douce restante - environ 0,03 % du total - est stockée dans les lacs, les ruisseaux, la végétation et l'atmosphère.

Figure 13.3a Les réservoirs de stockage d'eau sur Terre. La glace glaciaire est représentée par la bande blanche, les eaux souterraines par la bande rouge et les eaux de surface par la très fine bande bleue au sommet. Les 0,001% stockés dans l'atmosphère ne sont pas affichés. [SE utilisant les données de : https://web.archive.org/web/20180518215745/https://water.usgs.gov/edu/watercyclefreshstorage.html]

Pour mettre cela en perspective, pensons à mettre toute l'eau de la Terre dans une cruche de 1 L (Figure 13.3b). On commence par remplir quasiment la carafe avec 970 ml d'eau et 34 g de sel. Ensuite, nous ajoutons un de taille normale (

20 ml) glaçon (représentant la glace glaciaire) et deux cuillères à café (

10 ml) d'eau souterraine. Toute l'eau que nous voyons autour de nous dans les lacs et les ruisseaux et dans le ciel peut être représentée en ajoutant trois gouttes supplémentaires d'une pipette.

Figure 13.3b Représentation de l'eau de la Terre sous la forme d'une cruche de 1 L. Les trois gouttes représentent toute l'eau douce des lacs, des ruisseaux et des zones humides, ainsi que toute l'eau de l'atmosphère. [SE]

Bien que la proportion d'eau de la Terre qui se trouve dans l'atmosphère soit infime, le volume réel est énorme. À tout moment, il y a l'équivalent d'environ 13 000 km 3 d'eau dans l'air sous forme de vapeur d'eau et de gouttelettes d'eau dans les nuages. L'eau s'évapore des océans, de la végétation et des lacs à une vitesse de 1 580 km 3 par jour, et il tombe à peu près exactement le même volume que la pluie et la neige chaque jour, à la fois sur les océans et sur les terres. Les précipitations qui tombent sur terre retournent à l'océan sous forme d'écoulement fluvial (117 km 3 /jour) et d'écoulement souterrain (6 km 3 /jour). La majeure partie du reste de ce chapitre porte sur ces 117 km 3 /jour de débit fluvial. Le débit moyen du fleuve Fraser dans l'océan est d'environ 0,31 km 3 /jour, soit 0,26 % du total mondial.

Exercice 13.1 Combien de temps l'eau reste-t-elle dans l'atmosphère ?

Le temps de séjour d'une molécule d'eau dans l'atmosphère (ou dans l'un des autres réservoirs) peut être estimé en divisant la quantité qui s'y trouve par la vitesse à laquelle elle est transférée dans et hors. Pour l'atmosphère, on sait que la taille du réservoir est de 13 000 km 3 , et le taux de flux est de 1 580 km 3 /jour. Si nous divisons 13 000 par 1 580, nous obtenons 8,22 jours. Cela signifie que, en moyenne, une molécule d'eau reste dans l'atmosphère un peu plus de huit jours. « Moyen » doit être souligné ici car, évidemment, certaines molécules ne restent dans l'air que quelques heures, tandis que d'autres peuvent y rester pendant des semaines.

Le volume des océans est de 1 338 000 000 km 3 et le taux de flux est approximativement le même (1 580 km 3 /jour). Quel est le temps de séjour moyen d'une molécule d'eau dans l'océan ?


Composition de l'atmosphère

A l'exception de la vapeur d'eau, dont l'abondance atmosphérique varie de pratiquement zéro à 4 %, les fractions des principaux composants atmosphériques N2, ô2, et Ar sont remarquablement uniformes au-dessous d'environ 100 km (tableau (PageIndex<1>)). À des hauteurs plus élevées, la diffusion devient le principal processus de transport et les gaz plus légers deviennent relativement plus abondants. De plus, les processus photochimiques entraînent la formation de nouvelles espèces dont les réactivités élevées excluraient leur existence à des concentrations significatives aux pressions plus élevées trouvées à des altitudes plus basses.

Les gaz atmosphériques se répartissent en trois catégories d'abondance : majeure, mineure et trace. L'azote, le composant le plus abondant, s'est accumulé au cours du temps du fait de son inertie géochimique dont une très faible fraction passe dans les autres phases du fait de l'activité biologique et de la fixation naturelle par la foudre. On pense que les bactéries dénitrifiantes dans les sédiments marins peuvent constituer la principale voie de retour de N2 à l'atmosphère. L'oxygène est presque entièrement d'origine biologique et circule dans l'hydrosphère, la biosphère et les roches sédimentaires. L'argon se compose principalement d'Ar 40 qui est un produit de désintégration de K 40 dans le manteau et la croûte.

Tableau (PageIndex<1>) LePrincipaux composants de l'air propre et sec dans la basse atmosphère
azote N2 78.08 %
oxygène O2 20.95 %
argon Ar 0.93 %

Le gaz mineur le plus abondant en dehors de la vapeur d'eau est le dioxyde de carbone (tableau (PageIndex<2>)). Viennent ensuite en abondance le néon et l'hélium. L'hélium est un produit de désintégration d'éléments radioactifs dans la terre, mais le néon et les autres gaz inertes sont primordiaux et ont probablement été présents dans leur abondance relative actuelle depuis la formation de la terre. Deux des gaz mineurs, l'ozone et le monoxyde de carbone, ont des abondances qui varient avec le temps et l'emplacement. Une abondance variable implique un déséquilibre entre les taux de formation et d'élimination. Dans le cas du monoxyde de carbone, dont la source principale est anthropique (une petite quantité est produite par action biologique), l'écart est probablement dû en grande partie à des différences localisées de consommation de carburant, en particulier dans les moteurs à combustion interne. La nature du puits de monoxyde de carbone (mécanisme d'élimination) n'est pas tout à fait claire, il peut être en partie microbien.


Possibilités d'accès

Obtenez un accès complet au journal pendant 1 an

Tous les prix sont des prix NET.
La TVA sera ajoutée plus tard dans la caisse.
Le calcul des taxes sera finalisé lors du paiement.

Obtenez un accès limité ou complet aux articles sur ReadCube.

Tous les prix sont des prix NET.


13.1 : L'atmosphère - Géosciences

Tous les articles publiés par MDPI sont rendus immédiatement disponibles dans le monde entier sous une licence en libre accès. Aucune autorisation particulière n'est requise pour réutiliser tout ou partie de l'article publié par MDPI, y compris les figures et les tableaux. Pour les articles publiés sous licence Creative Common CC BY en libre accès, toute partie de l'article peut être réutilisée sans autorisation à condition que l'article original soit clairement cité.

Les articles de fond représentent la recherche la plus avancée avec un potentiel important d'impact élevé dans le domaine. Les articles de fond sont soumis sur invitation individuelle ou sur recommandation des éditeurs scientifiques et font l'objet d'un examen par les pairs avant leur publication.

L'article de fond peut être soit un article de recherche original, une nouvelle étude de recherche substantielle qui implique souvent plusieurs techniques ou approches, ou un article de synthèse complet avec des mises à jour concises et précises sur les derniers progrès dans le domaine qui passe systématiquement en revue les avancées les plus passionnantes dans le domaine scientifique. Littérature. Ce type d'article donne un aperçu des orientations futures de la recherche ou des applications possibles.

Les articles du Choix de l'éditeur sont basés sur les recommandations des éditeurs scientifiques des revues MDPI du monde entier. Les rédacteurs en chef sélectionnent un petit nombre d'articles récemment publiés dans la revue qui, selon eux, seront particulièrement intéressants pour les auteurs ou importants dans ce domaine. L'objectif est de fournir un aperçu de certains des travaux les plus passionnants publiés dans les différents domaines de recherche de la revue.


13.1 : L'atmosphère - Géosciences

Tous les articles publiés par MDPI sont rendus immédiatement disponibles dans le monde entier sous une licence en libre accès. Aucune autorisation particulière n'est requise pour réutiliser tout ou partie de l'article publié par MDPI, y compris les figures et les tableaux. Pour les articles publiés sous licence Creative Common CC BY en libre accès, toute partie de l'article peut être réutilisée sans autorisation à condition que l'article original soit clairement cité.

Les articles de fond représentent la recherche la plus avancée avec un potentiel important d'impact élevé dans le domaine. Les articles de fond sont soumis sur invitation individuelle ou sur recommandation des éditeurs scientifiques et font l'objet d'un examen par les pairs avant leur publication.

L'article de fond peut être soit un article de recherche original, une nouvelle étude de recherche substantielle qui implique souvent plusieurs techniques ou approches, ou un article de synthèse complet avec des mises à jour concises et précises sur les derniers progrès dans le domaine qui passe systématiquement en revue les avancées les plus passionnantes dans le domaine scientifique. Littérature. Ce type d'article donne un aperçu des orientations futures de la recherche ou des applications possibles.

Les articles du Choix de l'éditeur sont basés sur les recommandations des éditeurs scientifiques des revues MDPI du monde entier. Les rédacteurs en chef sélectionnent un petit nombre d'articles récemment publiés dans la revue qui, selon eux, seront particulièrement intéressants pour les auteurs ou importants dans ce domaine. L'objectif est de fournir un aperçu de certains des travaux les plus passionnants publiés dans les différents domaines de recherche de la revue.


Une stratigraphie de Géosciences de la nature

Nous regardons en arrière quels intervalles géologiques ont le plus souvent informé la science publiée dans le journal.

Le temps est au cœur des géosciences. De nombreuses questions de recherche dépendent de la détermination du moment et de la manière dont le système terrestre a changé. Cependant, les processus pertinents peuvent fonctionner à des échelles de temps bien au-delà des enregistrements instrumentaux. Constraints on past environmental conditions from the geologic record, based on proxies ranging from ocean sediments to ice cores to tree rings, can help fill this gap. Not all of the about 4.5 billion years of Earth history gets the same amount of attention. We examined our archive to determine which geologic time intervals most frequently featured in Nature Geoscience.

Remarkably, the distribution of articles through geologic time has been fairly consistent since our launch (Fig. 1). The Cenozoic era — the past 65 million years — received the lion’s share of attention, having been the focus of 60–80% of palaeoclimate articles.

Data are shown as a percentage of the total number of relevant papers, which ranged between 40 and 50 each year. Articles were counted in particular time intervals if they were the focus of the primary conclusions of a paper. When conclusions spanned multiple intervals, each interval was counted separately. This resulted in some double-counting of Pleistocene and Holocene articles, for instance, though the general patterns hold regardless.

Within the Cenozoic, the recent Holocene and Pleistocene epochs are extremely well-represented, likely the result of abundant study material spread across the globe. Further back in time, the Eocene epoch — from 56 to 35 million years ago — also stands out. Often investigated as a possible analogue of future greenhouse warming, studies of episodes of extreme global temperatures during the Eocene have helped shed light on factors responsible hot past climates. Widespread cooling associated with a major expansion of the Antarctic Ice Sheet during the following Oligocene epoch — from 35 to 23 million years ago — has received comparatively less attention.

A substantial number of studies also examined intervals associated with major mass extinctions. Some helped better understand the global environmental and biotic response to the Cretaceous–Palaeogene mass extinction, which occurred 66 million years ago and marked the demise of the dinosaurs. Further back in time, others touched on a vigorous debate regarding the cause of a mass extinction spanning the Permian/Triassic boundary around 242 million years ago, which saw the disappearance of more than 90% of existing species.

The Devonian and the Silurian periods — from 443 to 359 million years ago — are notably the focus of the fewest studies in Nature Geoscience. This is somewhat surprising, considering that they are associated with the rise of terrestrial plants.

The proportion of studies centred on the

90% of Earth history represented by the Precambrian grew from about 10% in the early years of the journal to about 20–30% now. Coaxing information out of a fragmented sedimentary record, this work contributed to a developing understanding of the development of Earth’s atmosphere and the emergence of life. Recent technical advances may have opened new avenues to investigate Earth’s oldest history.

The number of articles we have published for each time interval is not entirely determined by geologic time or the availability of material to analyse. Clearly, the scientific community also play an important role in setting which time intervals get the spotlight, bearing in mind the patterns reported here are only representative of one journal.

Indeed, we are aware that sets of articles in an influential journal can change perspectives on the importance of particular topics and times. The distribution of articles through geologic time in Nature Geoscience therefore represents a complicated feedback between the interests of researchers, editors and funders.

From our vantage point, we encourage geoscientists to explore the whole of Earth history. Fundamental insights often spring from unexpected intervals or archives.


13.1: The Atmosphere - Geosciences

Tous les articles publiés par MDPI sont rendus immédiatement disponibles dans le monde entier sous une licence en libre accès. Aucune autorisation particulière n'est requise pour réutiliser tout ou partie de l'article publié par MDPI, y compris les figures et les tableaux. Pour les articles publiés sous licence Creative Common CC BY en libre accès, toute partie de l'article peut être réutilisée sans autorisation à condition que l'article original soit clairement cité.

Les articles de fond représentent la recherche la plus avancée avec un potentiel important d'impact élevé dans le domaine. Les articles de fond sont soumis sur invitation individuelle ou sur recommandation des éditeurs scientifiques et font l'objet d'un examen par les pairs avant leur publication.

L'article de fond peut être soit un article de recherche original, une nouvelle étude de recherche substantielle qui implique souvent plusieurs techniques ou approches, ou un article de synthèse complet avec des mises à jour concises et précises sur les derniers progrès dans le domaine qui passe systématiquement en revue les avancées les plus passionnantes dans le domaine scientifique. Littérature. Ce type d'article donne un aperçu des orientations futures de la recherche ou des applications possibles.

Les articles du Choix de l'éditeur sont basés sur les recommandations des éditeurs scientifiques des revues MDPI du monde entier. Les rédacteurs en chef sélectionnent un petit nombre d'articles récemment publiés dans la revue qui, selon eux, seront particulièrement intéressants pour les auteurs ou importants dans ce domaine. L'objectif est de fournir un aperçu de certains des travaux les plus passionnants publiés dans les différents domaines de recherche de la revue.


14.1 The Hydrological Cycle

Water is constantly on the move. It is evaporated from the oceans, lakes, streams, the surface of the land, and from plants (transpiration) by solar energy (Figure 14.2). It is transported in its gaseous form through the atmosphere by the wind and condenses to form clouds of water droplets or ice crystals. It falls to the Earth’s surface as rain or snow and flows through streams, into lakes, and eventually back to the oceans. Water on the surface and in streams and lakes infiltrates the ground to become groundwater. Groundwater slowly moves through soils, surficial materials, and pores and cracks in the rock. The groundwater flow paths can intersect with the surface and the water can then move back into streams, lakes and oceans.

Figure 14.2 The various components of the water cycle. Black or white text indicates the movement or transfer of water from one reservoir to another. Yellow text indicates the storage of water . Source: Steven Earle (2015) CC BY-SA 3.0 view source after Wikimedia user “Ingwik” (2010) CC-BY-SA 3.0. view source

Water is stored in various reservoirs as it moves across and through the Earth. UNE réservoir is a space that stores water. It can be a space we can easily visualize (such as a lake) or a space that is more difficult to visualize (such as the atmosphere or the groundwater in a region). The largest reservoir is the ocean, accounting for 97% of the total volume of water on Earth (Figure 14.3). Ocean water is salty, but the remaining 3% of water on Earth is fresh water. Two-thirds of our fresh water is stored in the ground and one-third is stored in ice. The remaining fresh water (about 0.03% of the total) is stored in lakes, streams, vegetation, and the atmosphere.

Figure 14.3 The storage reservoirs for water on Earth. Glacial ice is represented by the white band, groundwater the red band, and surface water the very thin blue band at the top. The 0.001% stored in the atmosphere is not shown. Source: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 view source, data from USGS Water Science School (2016) view source

To put these percentages in perspective, we can compare a 1 litre container of water to the entirety of the Earth’s water supply (Figure 14.4). We start by almost filling the container with 970 ml of water and 34 g of salt, to simulate all the sea water on Earth. Then we add one regular-sized (Californie 20 ml) ice cube (representing glacial ice) and two teaspoons (Californie 10 ml) of groundwater. All of the water that we see around us in lakes and streams and in the atmosphere can be represented by adding three more drops of water from an eyedropper.

Figure 14.4 Representation of the Earth’s water in a 1 litre container. The three drops represent all of the fresh water in lakes, streams, and wetlands, plus all of the water in the atmosphere. Source: Steven Earle (2015) CC BY 4.0 view source

Although the water in the atmosphere is only a small proportion of the total water on Earth, the volume is still very large. At any given time, there is the equivalent of approximately 13,000 km 3 of water in the air in the form of water vapour and water droplets in clouds. Water is evaporated from the oceans, vegetation, and lakes at a rate of 1,580 km 3 per day, and each day nearly the same volume falls back as rain and snow over the oceans and land. Most of the precipitation that falls onto land returns to the ocean in the form of stream flow (117 km 3 /day) and groundwater flow (6 km 3 /day). Most of the rest of this chapter is about this 117 km 3 /day of streamflow.

Exercise 14.1 How Long Does Water Stay in the Atmosphere?

The residence time of a water molecule in the atmosphere (or any of the other reservoirs) can be estimated by dividing the total amount of water in the reservoir by the rate at which it is removed. For the atmosphere, we know that the reservoir size is 13,000 km 3 , and the rate is 1,580 km 3 /day. If we divide 13,000 km 3 by 1,580 km 3 /day, we get 8.22 days. This means that, on average, a molecule of water stays in the atmosphere for just over eight days. “Average” needs to be emphasized here because some molecules remain in the air for only a few hours, while others may remain in the air for weeks.

The volume of the oceans is 1,338,000,000 km 3 and the rate of removal of water from the oceans is approximately the same as the atmosphere (1,580 km 3 /day). What is the average residence time of a water molecule in the ocean?


Voir la vidéo: QUEST-CE QUE LES GÉOSCIENCES?