a. Composition chimique.

La masse de l’atmosphère est estimée à 5,13.10 18 kg dont la moitié est située en dessous de 5,5 km d’altitude. Les deux principaux constituants gazeux de l’atmosphère sont le diazote (78,08 %) et le dioxygène (20,94 %). Les autres constituants sont par ordre décroissant, l’argon, le dioxyde de carbone, le néon, l’hélium, le méthane, le krypton… Il faut également signaler la présence, dans les basses couches, d’eau sous forme gazeuse dont la quantité peut varier de 0 à 4 % du volume d’air sec. Il faut ajouter à ces constituants permanents les poussières, les aérosols injectés par les activités humaines, ….

b. Le cas particulier de l'ozone.

Quant à l’ozone (O 3), issu des réactions de dissociation et de recombinaison des molécules de dioxygène, sa très faible teneur ne doit pas masquer son extrême importance. L’ozone se rencontre aujourd’hui dans deux réservoirs indépendants, et de taille inégale à la surface de la Terre. Dans le premier, le plus important (97 %), stratosphérique, entre 15 et 50 km d’altitude, la quantité d’ozone semble diminuer depuis au mois vingt ans. Dans le second, troposphérique, l’ozone augmente au contraire.

L’ozone stratosphérique joue un rôle fondamental dans la mesure où il absorbe la majeure partie des ultraviolets. Ramenée à la température et à la pression du niveau du sol, la couche d’ozone n’aurait que 3 mm d’épaisseur.

Dans la haute atmosphère, les molécules de dioxygène sont dissociées par le rayonnement solaire. Dans les conditions normales un certain équilibre s’établit entre les diverses réactions et le taux d’ozone ne change pas. Toutefois on constata en 1985 qu’en Antarctique la quantité d’ozone avait nettement diminué au cours du printemps austral. Cette diminution de près de 70 % reçut le très médiatique nom de « trou de la couche d’ozone ».

c. Structuration verticale de l'atmosphère.

On découpe l’atmosphère en plusieurs couches en fonction des variations de la température.

La troposphère est la couche la plus proche du sol. Son épaisseur varie de 7 km dans les régions polaires à 18 km à l’équateur. Elle représente trois-quarts de la masse atmosphérique et contient toute la vapeur d’eau. C’est la couche concernée par les phénomènes météorologiques. La température y décroît d’environ 6°C par kilomètre et à sa partie supérieure varie de -50°C aux pôles à -80°C à l’équateur.

La stratosphère s’étend jusqu’à environ 50 km d’altitude. Elle est caractérisée par une augmentation régulière de la température qui atteint 0°C à la limite supérieure. Des vents très violents atteignant 350 km/h peuvent y être observés (jet stream).

La mésosphère voit en 35 km, de 50 à 85 km, la température passer de 0°C à -90°C.

La thermosphère se développe ensuite jusqu’à près de 500 km. Elle mérite son nom car la température y passe de -90°C à plus de 1200°C. C’est dans cette couche, que sous l’effet du rayonnement ultraviolet, du rayonnement X et des particules énergétiques (vent solaire), les molécules gazeuses s’ionisent et donnent naissance à l’ionosphère responsable de la réflexion dans l’atmosphère des ondes radio de grande longueur d’onde.

La présence, à une distance égale à quelques rayons terrestres, de fortes concentrations de particules énergétiques permet de définir les ceintures dites de Van Allen.

d. Energie solaire et circulation atmosphérique.

On peut considérer que la seule source d’énergie importante jouant un rôle sur la circulation des masses d’air est l’énergie solaire. L’énergie solaire interceptée par la Terre à sa surface est de 342 W/m². En raison de l’angle d’incidence des rayons solaires, ce flux varie d’une part avec la latitude (plus élevé à l’équateur qu’aux pôles) et d’autre part en fonction de la saison et de l’heure du jour.

Une partie du rayonnement solaire est renvoyée par diffusion et réflexion, c’est l’albédo (rapport de l’énergie réfléchie sur l’énergie incidente), il parait compris entre 0,3 et 0,4. La Terre émet aussi un rayonnement thermique infrarouge dont la plus grande partie est absorbée par la vapeur d’eau, les nuages et le dioxyde de carbone. Grâce à l’effet de serre, nous avons une température moyenne à la surface d’environ 13°C alors que sans cet effet de serre, elle serait de -18°C.

Le bilan énergétique global de la Terre est actuellement égal à zéro. Cependant à un instant donné et en un point précis du globe, ce bilan est différent de zéro. Il est en général positif aux faibles latitudes et négatif aux fortes latitudes. C’est une telle distribution des gains et des pertes d’énergie qui constitue le moteur de la circulation atmosphérique et océanique. L’échauffement plus important des zones équatoriales par rapport aux zones polaires est à l’origine d’une circulation générale lente des masses d’air. Celle-ci est découpée en trois cellules pour chaque hémisphère.

L’air ascendant à l’équateur et aux latitudes d’environ 60°N et S génère des basses pressions tandis que l’air descendant aux latitudes d’environ 30°N et S et aux pôles correspond aux zones de hautes pressions. Près du sol, l’air s’écoule des hautes pressions vers les basses pressions, les mouvements étant déviés vers la droite dans l’hémisphère nord et vers la gauche dans l’hémisphère sud par la force de Coriolis.

On observe trois systèmes de vents dominants pour chaque hémisphère :

- Les alizés des latitudes intertropicales

- Les vents de secteur W des latitudes moyennes

- Les vents de secteur E des régions polaires.

Cette circulation générale est en fait compliquée dans le détail par de nombreux couplages avec l’océan, la répartition des terres et des mers, les reliefs et de multiples turbulences temporaires.