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Université de Sfax Institut Supérieur de Biotechnologie de Sfax  MPTE

Université de Sfax Institut Supérieur de Biotechnologie de Sfax  MPTE 2 Cours de Chimie de l'atmosphère Lassâad DASSI 1 L’atmosphère : composition et structure I. Définition L’atmosphère est l’air ou l’enveloppe gazeuse qui entoure la Terre solide. Il permet la respiration et le cycle de l'eau. Il protège la vie sur Terre en absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant les écarts de température entre le jour et la nuit. Il n'y a pas de frontière définie entre l'atmosphère et l'espace. La limite entre l'atmosphère terrestre et l'atmosphère solaire n'est pas définie précisément : la limite externe de l'atmosphère correspond à la distance où les molécules de gaz atmosphérique ne subissent presque plus l'attraction terrestre et les interactions de son champ magnétique. L'épaisseur de l'atmosphère varie donc notablement. En outre, comme l'eau des océans, l'atmosphère subit l'influence de la rotation du système Terre- Lune et les interférences gravitationnelles de la Lune et du Soleil. Comme les molécules de gaz, plus légères et moins liées entre elles que les molécules de l'eau de mer, ont de grandes possibilités de mouvement, les marées atmosphériques sont des phénomènes beaucoup plus considérables que les marées océaniques. II. Composition chimique de l’atmosphère La composition chimique de l’atmosphère a beaucoup varié selon les époques. Les gaz de l'atmosphère sont continuellement brassés (mélangé). L'atmosphère n'est pas homogène, tant par sa composition que par ses caractéristiques physiques. L'air est principalement composé de diazote (N2 : 78,09%) de dioxygène (O2: 20,95%), d'argon (Ar : 0,93%) et de dioxyde de carbone (CO2 : 0,035%) pour les gaz majeurs. Toutefois, il comporte aussi des traces d'autres éléments chimiques (Tab. 1). Ces gaz mineurs, dont la proportion varie avec l'altitude, sont essentiellement le Néon (Ne), l’Hélium (He), le Krypton (Kr), l’Hydrogène (H2), l’Xénon (Xe), le Méthane (CH4) et l’Oxyde d'Azote(N2O). 2 Tab. 1 : Composition chimique de l’atmosphère D'autres éléments d'origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries. De très nombreux polluants et aérosols d'origine industrielle, urbaine et agricole sont aussi présents dans l'air. Ce sont notamment du CO, du chlore (élémentaire ou surtout composés), du fluor (composés), du mercure et du soufre (en composé tel que le SO2). Les régions agricoles sont aussi sources de méthane (fermentation des lisiers, rizières), de pesticides (plus ou moins soluble dans l'air ou dans l'humidité de l'air selon leur tension de vapeur, d'azote (issu des engrais). Fusées et avions polluent aussi l'atmosphère par leurs trainées. La concentration des composants minoritaires, et en particulier les polluants, est très hétérogène sur la surface du globe, car des sources d'émission très locales existent, soit liées à l'activité humaine (usines, air intérieur ou extérieur, etc.) soit à des processus naturels (géothermie, décomposition de matières organiques, etc.). D'autres constituants montrent de grandes variations en fonction de l'altitude, la latitude, l'activité humaine, les saisons. C'est le cas de l'eau, uniquement présente dans les couches basses (troposphère), des composés soufrés et du dioxyde de carbone provenant des oxydations. En haute altitude, les gaz les plus légers augmentent en quantité relative. L'argon de l'atmosphère est sous forme d'isotope 40Ar alors que c'est l'isotope 36 que 3 l'on trouve dans l'espace. L'argon de l'atmosphère provient de la désintégration radioactive du Potassium. Connaissant la masse totale du potassium dans le globe, ses rapports isotopiques, la période de désintégration du 40K et la masse de l'argon, on a pu dater l'âge de l'atmosphère. La faible quantité d'hélium, généré cependant en grande quantité par la désintégration de l'uranium, est expliquée par la grande diffusion de ce gaz léger qui gagne les hautes couches et s'échappe dans l'espace. La même raison explique la rareté de l'hydrogène. L'azote terrestre est surtout contenu dans l'atmosphère (près de 90%). Le reste est fixé dans les sédiments marins et dans l'eau de mer en particulier sous forme d'ammoniaque. Le passage de l'azote atmosphérique à l'azote combiné dans les sédiments se fait par l'intermédiaire des bactéries (nitrates, amino-acides, ammoniaque...) Le cycle biogéochimique de l'azote est complexe; il dépend surtout du potentiel redox et des micro-organismes (nitrification, dénitrification, fixation de l'azote atmosphérique...). On admet maintenant que l'oxygène atmosphérique représente un sous-produit de la photosynthèse. Ce sont des organismes chlorophylliens qui, dès le Précambrien (- 3 milliards d'années), ont utilisé l'énergie des photons pour combiner le CO2 et l'H2O en matière organique avec dégagement d'O2. L'oxydation de la matière organique, notamment au cours de la respiration, libère de nouveau le gaz carbonique et l'eau. L'équilibre entre ces deux processus conditionne la teneur de l'atmosphère en oxygène et en gaz carbonique. Depuis une centaine d'année, l'utilisation croissante des combustibles fossiles et accessoirement le déboisement ont produit une augmentation régulière de la teneur en CO2 dans l'air et contribué à l'effet de serre (augmentation de la température moyenne par plus grande absorption des radiations solaires). Le cycle du carbone dépend de l'action des organismes (respiration, photosynthèse, fixation sous forme de carbonates...) et des émanations volcaniques. L'action du CO2 atmosphérique s'ajoute à celle de la vapeur d'eau pour absorber l'énergie des infrarouges. La teneur 4 atteint actuellement 360 ppm; on estime que le doublement de la teneur en CO2 entraînerait un réchauffement de 4,5°C. L'ozone est réparti dans la stratosphère (90%) et dans la troposphère (10%). Dans la stratosphère, il est abondant vers 25 km; il provient de la photodissociation du di-oxygène. Il absorbe les U.V. Il est détruit notamment par les CFC (ou Fréons) et le Chlore. Dans la troposphère, il provient du transfert de la stratosphère et des activités humaines. Sa concentration a été multipliée par 4 depuis le début du siècle. C'est un gaz à effet de serre et fort pouvoir oxydant. III. Structure verticale de l’atmosphère C’est généralement la température qui sert de critère pour définir la structure verticale de l’atmosphère. Le profil vertical de température de l’atmosphère standard fait apparaître quatre couches distinctes à savoir la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Celles-ci sont directement liées à l’existence de trois sources chaudes due à l’absorption du rayonnement solaire. La première source est la surface de la terre, la deuxième est la couche d’ozone (située à une altitude de 40 à 50 Km) et la troisième est l’oxygène moléculaire, O2 (située au dessus de 80 Km) (Fig. 1 et Fig. 2). Stratosphère Troposphère Mésosphère Stratopause Tropopause Pression (hPa) Alitude (Km) Température (°C) (-) (+) (+) 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 10 20 30 40 50 1000 100 10 1 Fig. 1 : Principales enveloppes du globe terrestre 5 III-1. Troposphère Cette couche contient plus que 80 % de la masse de l’atmosphère terrestre et quasiment tous ses corps solides en suspension : les aérosols (poussières, les fumées, les cendres, les sels et autres corps chimiques, les micro-organismes) et toute l'eau sous forme gazeuse, liquide et solide (vapeur d’eau des nuages et des précipitations, aiguilles de glace). Elle absorbe les radiations de grande longueur d'onde (infrarouges) émises par le soleil et par la Terre et évite la déperdition de chaleur vers l'espace. Elle est caractérisée par une décroissance de la température en fonction de l’altitude de 6,5 °C/Km qui entraîne une grande instabilité verticale des masses d’air et donc un brassage (mélange) permanant des constituants atmosphériques par convection (échanges thermiques entre un fluide et un corps quelconque). Ce mélange vertical efficace est responsable d’une homogénéisation de la composition chimique de la troposphère et du temps de résidence des aérosols relativement court (de quelques jours à quelques semaines). III-2. Stratosphère La stratosphère est la couche située au dessus de la troposphère. Elle est séparée de celle-ci par une zone de transition marquée par une inversion de la température et un changement net de la concentration de certains constituants en traces. Par exemple, contrairement à la troposphère, la stratosphère est riche en ozone (O3). Ce gaz absorbe la partie ultra-violette du rayonnement solaire conduisant ainsi à une température proche de 0°C au sommet de la stratosphère (stratopause située à 50 Km d’altitude). Le gradient positif de la température au niveau de la stratosphère tend à bloquer les échanges verticaux et conduit à une stratification verticale isolant les différentes altitudes. La stabilité au sens hydrostatique de la stratosphère permet aux aérosols qui s’y trouvent de séjourner longtemps, c’est le cas par exemple des poussières volcaniques et des débris d’explosion nucléaires en altitude. De même cette stabilité empêche les constituants troposphériques de pénétrer facilement à la stratosphère. 6 III-3. Mésosphère Cette couche qui séparée de la stratosphère par la stratopause est caractérisée par la rareté de constituants atmosphériques conduisant à une baisse considérable de la pression atmosphérique (1 mbar à las base et 10-2 mbar au sommet). Comme dans la troposphère, la température dans cette couche diminue avec l’altitude (0 à -90ºC), les mouvements verticaux peuvent être suffisants en été pour produire de fins nuages argentés permanents au dessus des régions polaires. III-4. Thermosphère Elle s’étend sur plusieurs centaines de Km (jusqu’à 500 uploads/Geographie/ cours-1-chimie-de-l-x27-atmosphere 1 .pdf