La troposphère: la couche la plus basse de l'atmosphère

La plus basse couche d'atmosphère dans laquelle les organismes vivants opèrent s'appelle la troposphère. C'est la région des forts mouvements d'air et des formations nuageuses. C’était un mélange de plusieurs gaz qui restait assez abondant. Cependant, la vapeur d'eau et les poussières sont présentes dans la troposphère à des concentrations extrêmement variables.

L'air de la troposphère, l'air que nous respirons, est constitué d'un volume d'environ 78% d'azote (N ₂ ), 21% d'oxygène (O ₂ ), 1% d'argon (Ar) et 0, 03% de dioxyde de carbone (CO ₂ ). On trouve également des traces d'autres gaz, la plupart inertes. Le détail de tous ces gaz est donné ci-dessous dans le tableau 1.2.

Tableau 1.2. Détails des différents gaz dans l'atmosphère du monde:

La couche la plus intéressante pour le contrôle de la pollution est cette couche de troposphère, puisque c'est la couche dans laquelle la plupart des êtres vivants existent. L'un des changements les plus récents dans la troposphère est le phénomène des pluies acides. Il en résulte des pluies acides ou des dépôts acides lorsque les émissions gazeuses d'oxydes de soufre (SO _x ) et d'azote (NO _x ) interagissent avec la vapeur d'eau et la lumière du soleil et se transforment chimiquement en composés acides puissants tels que l'acide sulfurique (H ₂ SO ₄ ) et l'acide nitrique. (HNO ₃ ).

Ces composés, ainsi que d’autres produits chimiques organiques et inorganiques, se déposent sur la terre sous forme d’aérosols et de particules (dépôts secs) ou sont transportés sur la terre par les gouttes de pluie, les flocons de neige, le brouillard ou la rosée (dépôts humides).

Stratosphère:

La stratosphère est la masse d'air qui s'étend du niveau le plus élevé de la troposphère au niveau le plus élevé de la stratosphère, à environ 50 km au-dessus de la surface de la terre. L'ozone présent à cet endroit forme une couche d'ozone appelée ozonosphère. Il se forme à partir d'oxygène lors d'une réaction photochimique au cours de laquelle une molécule d'oxygène se scinde pour former de l'oxygène.

O ₂ + (h = rayonnement) = 2O

L'oxygène atomique se combine avec l'oxygène moléculaire et l'ozone se forme.

O ₃ + O = O ₃

Il forme un parapluie appelé parasol d'ozone qui absorbe les rayons ultraviolets du Soleil. De plus, il sert de couverture pour réduire le taux de refroidissement de la terre. Par conséquent, un équilibre entre l'ozone et le reste de l'air est un facteur important de l'environnement.

Mésosphère:

Au-dessus de la stratosphère se trouve la mésosphère dans laquelle il y a une température froide et une pression atmosphérique basse. Les températures atteignent un minimum de -95 ° C à 80-90 km au-dessus de la surface de la terre. La zone s'appelle la ménopause.

Thermosphère:

Au-dessus de la mésosphère se trouve la thermosphère qui s'étend jusqu'à 500 km au-dessus de la surface de la terre. Il se caractérise par une augmentation de la température de la mésosphère. La zone supérieure à la thermosphère où l'ionisation des molécules d'oxygène se produit s'appelle l'ionosphère.

Exosphère:

L’atmosphère située au-dessus de l’ionosphère est appelée exosphère de l’espace extra-atmosphérique. Elle prend une atmosphère d’hydrogène et d’hélium et s'étend jusqu’à 32190 km de la surface de la Terre. Il a une température très élevée due aux radiations du soleil.

Propriétés élémentaires de l'atmosphère:

Les problèmes de pollution résultent de la confluence de contaminants atmosphériques, de conditions météorologiques défavorables et parfois de certaines conditions topographiques. En raison de la relation étroite qui existe entre la pollution atmosphérique et certaines conditions atmosphériques, il est nécessaire d’avoir une certaine compréhension de la météorologie.

La source de tout phénomène météorologique est un ordre fondamental, mais variable, des propriétés élémentaires de l’atmosphère - chaleur, pression, vent et humidité. Tous les temps, y compris le système de pression, la vitesse et la direction du vent, l'humidité, la température et les précipitations résultent finalement d'une relation variable entre chaleur, pression, vent et humidité.

L'interaction de ces quatre éléments peut être observée à plusieurs niveaux d'échelle. Ces échelles de mouvement sont liées aux mouvements massifs de l’air, qu’ils soient globaux, continentaux, régionaux ou locaux. Selon leur étendue d'influence géographique, l'échelle de mouvement peut être désignée à l'échelle macro, à l'échelle moyenne ou à l'échelle micro.

Échelle macro:

Le mouvement atmosphérique à cette échelle implique les schémas planétaires de la circulation, le grand balayage des courants d'air au-dessus de l'hémisphère. Ces phénomènes se produisent sur des milliers de kilomètres et sont illustrés par les zones de haute et basse pression semi-permanentes situées au-dessus des océans et des continents.

Le mouvement de l'air à l'échelle globale n'est pas simplement dans la direction longitudinale de l'équateur aux pôles, ni inversement, car le double effet de la différence de chaleur entre les pôles et l'équateur et de la rotation de la terre le long de ses axes établit un schéma de circulation de l'air plus complexe . C'est sous cette double influence de la conversion thermique et de la force de corolis (effet de la rotation de la terre sur la vitesse et la direction du vent) que se forment les zones de hautes et basses pressions, les fronts froids ou chauds, les ouragans et les tempêtes hivernales.

L'un des principaux éléments influant sur le mouvement des masses d'air à cette échelle est la répartition des masses continentales et aquatiques à la surface de la Terre. La grande variance entre les capacités conductrices des masses terrestres et océaniques explique le développement de beaucoup de nos systèmes météorologiques.

Mesoscale:

Les modèles de circulation se développent sur les unités géographiques régionales, principalement en raison de l’influence de la topographie régionale ou locale. Ces phénomènes se produisent à des échelles de centaines de kilomètres. Mouvement de l'air des surfaces de la Terre - l'emplacement des chaînes de montagnes, des corps océaniques, du boisement et du développement urbain.

Microscale:

Le phénomène à petite échelle se produit sur des zones de moins de 10 kilomètres. Il se produit dans la couche de friction, la couche d’atmosphère au niveau du sol, où les effets du stress de friction et des changements thermiques peuvent entraîner des écarts considérables des vents par rapport à un modèle standard.

La contrainte de friction rencontrée lorsque l'air se déplace au-dessus et autour des caractéristiques physiques irrégulières telles que les bâtiments, les arbres, les buissons ou les rochers provoque une turbulence mécanique qui influence le modèle de circulation de l'air. La chaleur rayonnante provenant d'extraits d'asphalte et de béton urbains, de sables du désert ou d'autres surfaces de ce type provoque une turbulence thermique qui influe également sur les modèles de circulation de l'air.

Les schémas de circulation à l'échelle macroscopique ont peu d'influence directe sur la qualité de l'air dans la plupart des cas. Ce sont les mouvements d’air aux niveaux mésoéchelle et à l’échelle micro qui préoccupent les responsables de la lutte contre la pollution atmosphérique.

Chaleur:

La chaleur est une variable d'atmosphère critique. C'est un catalyseur majeur des conditions climatiques. L'énergie thermique dans l'atmosphère provient du Soleil sous forme de rayonnement à ondes courtes (environ 0, 5 µm), principalement sous forme de lumière visible. La Terre émet des ondes beaucoup plus longues (moyenne de 10 µm) qu'elle n'en reçoit, principalement sous forme de rayonnement thermique non visible.

Certains des rayons du soleil sont dispersés par des molécules d'air intermédiaires. C'est cette dispersion de rayons de différentes longueurs d'onde qui donne à un ciel dégagé sa couleur bleu profond. La dispersion est d'autant plus intense que le soleil se déplace près de l'horizon et c'est ce phénomène qui produit le soleil rouge qui se lève et se pare de couchers de soleil.

La surface de la terre est le principal absorbeur de l'énergie solaire. Ainsi, la troposphère est principalement chauffée par le sol et non par le soleil.

L’effet de serre, le cycle condensation-évaporation, la conduction et la convection sont quatre facteurs importants dans le transfert de chaleur dans la troposphère.

Cycle d'évaporation-condensation:

L'évaporation de l'eau nécessite l'utilisation d'énergie et cette énergie est absorbée par l'atmosphère et stockée dans la vapeur d'eau. Lors de la condensation, cette énergie thermique est libérée. Comme l'évaporation a généralement lieu à la surface de la terre ou à proximité, alors que la condensation se produit normalement dans les régions supérieures de la troposphère, le processus d'évaporation-condensation a tendance à déplacer la chaleur des régions inférieures vers les régions supérieures.

Conduction:

Le transfert de chaleur de la terre à l'atmosphère s'effectue également par le biais du processus de conduction, transfert de chaleur par contact physique direct de l'air et de la terre. Lorsque l'air se déplace vers le bas, il entre en contact avec le sol plus chaud et transporte la chaleur de la terre dans l'atmosphère.

Convection:

Il s’agit d’un processus initié par la montée d’air chaud et l’aspiration d’air froid, qui joue un rôle majeur dans le transfert de chaleur de la terre vers la troposphère. La convection est un facteur primordial dans le mouvement des masses d'air à l'échelle macroscopique.

Pression:

La pression est une variable importante du phénomène météorologique. Parce que l'air a du poids, toute l'atmosphère se presse sur la terre en dessous. Cette pression est généralement mesurée avec un baromètre à mercure. Sur les cartes météorologiques, la répartition de la pression dans l'atmosphère est représentée par des lignes isobares reliant des points d'égale pression atmosphérique. Ces lignes délimitent les cellules haute et basse pression qui influencent le développement des principaux systèmes météorologiques.

Les modèles de pression au-dessus de la Terre sont en constante évolution, à mesure que la pression atmosphérique augmente dans les mêmes régions et diminue dans d’autres. La localisation des continents, les différences de rugosité et de rayonnement de surface, l’énergie éolienne et les schémas de circulation mondiaux s’associent pour forcer le développement de systèmes ou de cellules haute et basse pression. La circulation ou le mouvement de ces systèmes haute et basse pression est responsable de nombreux changements climatiques.

Vent:

Le vent est simplement de l'air en mouvement. À l'échelle macro, le mouvement résulte d'une distribution inégale de la température et de la pression atmosphériques sur la surface de la Terre et est fortement influencé par la rotation de la Terre. La direction du vent varie de haut en bas, mais la force de Coriolis (c'est-à-dire l'effet de la rotation de la Terre sur la vitesse et la direction du vent) a tendance à détourner les courants d'air des tendances attendues.

À l'échelle méso et micro, les caractéristiques topographiques influent de manière décisive sur le flux du vent. Les variations de surface ont un effet évident sur la vitesse et la direction du mouvement de l'air. De plus, les brises de mer et de terre, les vents des vallées de montagne, le brouillard côtier, les systèmes de précipitation au vent, les îlots de chaleur urbains sont tous des exemples de l'influence de la topographie régionale et locale sur les conditions atmosphériques.

La variance de la capacité conductrice de la terre et de l'eau explique un autre effet de la topographie sur la direction du vent. Comme la terre se réchauffe et se refroidit plus rapidement que les étendues d'eau avoisinantes, les vents côtiers se modifient en une brise de jour et une brise de terre en soirée.

La vitesse du vent est généralement mesurée par un anémomètre, un instrument composé généralement de trois ou quatre capuchons hémisphériques disposés autour d'un axe vertical. Plus la vitesse de rotation des bouchons est rapide, plus la vitesse du vent est élevée.

Humidité:

L'évaporation jusqu'à la condensation jusqu'aux précipitations est un cycle qui se répète constamment dans notre environnement. L'humidité est d'abord transférée de la surface de la terre dans l'atmosphère. La vapeur d'eau se condense et forme des nuages.

Le cycle se complète lorsque la vapeur condensée est renvoyée à la surface de la Terre sous forme de précipitation, de pluie, de grêle, de neige ou de grésil. La topographie joue un rôle important dans la distribution de l'humidité. Les montagnes ont tendance à forcer la montée d’air chargé d’humidité, ce qui entraîne des précipitations plus importantes du côté au vent d’une chaîne.

Humidité relative:

La quantité de vapeur d'eau présente dans l'atmosphère est mesurée en termes d'humidité. Plus la température de l'air est élevée, plus il peut contenir de vapeur d'eau avant qu'il ne soit saturé. Au niveau du sol, une augmentation de la température de 11, 1 ° C double environ la capacité d'humidité de l'atmosphère.

L'humidité relative est mesurée par un instrument appelé psychromètre. Le thermomètre à bulbe sec d'un psychromètre indique la température de l'air, tandis que le thermomètre à bulbe humide mesure la quantité de refroidissement qui se produit lorsque l'humidité sur le bulbe s'évapore. Avec la différence entre les deux lectures et la température de bulbe sec, on peut obtenir des lectures d'humidité relative à partir des tables de psychromètres.