Qu’est-ce que l’atmosphère ?
Météorologie et aérologie · 9 min
L’atmosphère, c’est la mince couche de gaz dans laquelle nous vivons et dans laquelle volent tous les avions. Comprendre sa structure, c’est comprendre pourquoi la température chute quand on monte, pourquoi les nuages restent en bas, et pourquoi un altimètre a besoin d’une atmosphère « de référence ».
Une couche très fine
L’épaisseur de l’atmosphère est fixée par convention à la limite de Karman, à 100 km d’altitude. Au-delà, on considère qu’on est dans l’espace.
Comparé au rayon terrestre de 6 400 km, c’est presque rien : l’atmosphère est environ 200 fois plus mince que le rayon de la Terre. Sur le schéma, elle n’est qu’un trait au bord du disque.
Et cette mince couche est elle-même très inégalement remplie : les 30 premiers kilomètres concentrent 99 % de la masse totale de l’atmosphère. Tout le reste est du vide presque parfait.
**Limite de Karman = 100 km.** C’est la valeur que l’examen demande, et les distracteurs proposent en général 10 000 km ou 100 000 km : retiens l’ordre de grandeur, 100 et pas 100 000.
L’épaisseur de l’atmosphère (**limite de Karman**) est de **100 km**.
Les couches de l’atmosphère
Sous l’exosphère, on distingue quatre couches. De haut en bas :
- Couche : **Thermosphère** · Étendue : 85 à 500 km · À retenir : La **station spatiale** (380 km) et les satellites en orbite basse
- Couche : **Mésosphère** · Étendue : 50 à 85 km · À retenir : Jusqu’à **−100 °C** au sommet ; les météorites y brûlent
- Couche : **Stratosphère** · Étendue : ~11 à 50 km · À retenir : Contient la majeure partie de la **couche d’ozone**
- Couche : **Troposphère** · Étendue : Du sol à ~11 km · À retenir : **Tous les phénomènes météorologiques**
Observe bien le trait rouge du schéma : la température ne descend pas continûment. Elle baisse dans la troposphère, remonte dans la stratosphère (l’ozone absorbe le rayonnement solaire), rebaisse dans la mésosphère, puis remonte dans la thermosphère. Les « pauses » — tropopause, stratopause, mésopause — sont précisément les points où la température change de sens.
**Les phénomènes météorologiques sont localisés dans la troposphère.** Nuages, précipitations, vent, orages : tout se passe dans les 11 premiers kilomètres.
À de rares exceptions près (avions supersoniques, certains jets d’affaires), les avions de ligne volent dans la troposphère, juste sous la tropopause. C’est aussi l’altitude à laquelle montent les ballons-sondes qui prennent les photos de l’examen.
La couche de l’atmosphère où se concentre la très grande majorité des phénomènes météorologiques (nuages, précipitations) est la **troposphère**.
À nos latitudes, un ballon-sonde qui photographie des nuages se trouve **dans la troposphère**.
La tropopause
La tropopause est la limite entre la troposphère et la stratosphère. En atmosphère standard, à nos latitudes, elle se situe à 11 km (environ 36 000 ft) pour une température de −56 °C.
**La tropopause est la partie la plus froide de la basse atmosphère.** Au-dessous, il fait de plus en plus froid quand on monte. Au-dessus, la température cesse de baisser.
Mais le schéma de gauche montre que 11 km est une moyenne des régions tempérées : la tropopause est haute et très froide à l’équateur (vers 17 km et −70 °C), basse et moins froide au pôle (vers 8 km et −45 °C). Elle varie aussi avec la saison : en été, la tropopause est plus haute.
La surface atmosphérique se situant vers **11 000 m** d’altitude est appelée la **tropopause**.
À la latitude de Paris, l’altitude et la température moyennes de la tropopause en atmosphère standard sont **11 km et −56 °C**.
La tranche d’atmosphère entre la troposphère et la stratosphère est appelée **tropopause**.
La composition de l’air
L’air atmosphérique est un mélange d’air sec, de vapeur d’eau et de poussières. L’air sec en représente 99,97 %, et il se décompose ainsi :
- Gaz : **Diazote (N₂)** · Proportion en volume : **78 %**
- Gaz : **Dioxygène (O₂)** · Proportion en volume : **21 %**
- Gaz : Argon (Ar) · Proportion en volume : 0,9 %
S’y ajoutent des traces d’hélium, de dioxyde de carbone et de dihydrogène.
**78 % d’azote, 21 % d’oxygène.** L’atmosphère est **principalement composée de diazote** — c’est le piège classique, parce qu’on pense spontanément à l’oxygène qu’on respire.
Les deux principaux composants de l’air sec sont le **diazote** et le **dioxygène**.
L’atmosphère est composée majoritairement de **diazote (N₂)**.
La composition moyenne de l’atmosphère en volume est de **78 % d’azote, 21 % d’oxygène et 1 % d’autres éléments**.
La vapeur d’eau, elle, est en quantité très variable — de presque rien à quelques pour cent. C’est pourtant elle qui fait toute la météo : nuages, pluie, brouillard, givrage.
L’atmosphère standard (ISA)
L’atmosphère réelle change tout le temps. Or, pour comparer les performances d’un avion ou pour graduer un altimètre, il fallait une atmosphère figée, identique partout et toujours. C’est l’atmosphère standard internationale, ou ISA (International Standard Atmosphere).
Elle est définie par les valeurs suivantes, au niveau de la mer :
- Grandeur : **Température** · Valeur ISA au niveau de la mer : **15 °C**
- Grandeur : **Pression** · Valeur ISA au niveau de la mer : **1013,25 hPa**
- Grandeur : **Masse volumique** (ρ) · Valeur ISA au niveau de la mer : **1,225 kg/m³**
Et par ses lois de variation avec l’altitude :
- Grandeur : **Température** · Variation : **−6,5 °C par 1 000 m**, soit **−2 °C par 1 000 ft**
- Grandeur : **Pression** · Variation : **1 hPa par 28 ft** dans les basses couches
- Grandeur : **Masse volumique** · Variation : Décroît avec l’altitude
- Grandeur : **Tropopause** · Variation : **11 km**, à **−56,5 °C**
Au-dessus de la tropopause, en ISA, la température est constante et égale à −56,5 °C.
Ne confonds pas les deux gradients : **6,5 °C par 1 000 mètres** et **2 °C par 1 000 pieds** sont la **même chose**, exprimée dans deux unités. L’examen propose systématiquement les deux chiffres comme réponses concurrentes : lis bien l’unité de l’énoncé.
**15 / 1013 / 2.** Quinze degrés, mille treize hectopascals, deux degrés par mille pieds. Ces trois nombres reviennent dans toutes les sessions.
En atmosphère standard et en dessous de la tropopause, lorsque l’on s’élève de 1 000 ft, la température de l’air **diminue de 2 degrés**.
En atmosphère standard, la masse volumique de l’air est de **1,225 kg/m³**.
Comparer l’atmosphère réelle à l’ISA
C’est l’exercice type de l’examen : on donne une température mesurée à une altitude, et il faut dire si l’air est plus chaud ou plus froid que le standard. La méthode tient en deux temps.
1. Calculer la température ISA à cette altitude. On part de 15 °C au niveau de la mer et on retire 6,5 °C par kilomètre.
2. Comparer à la température mesurée. Si la mesure est supérieure à l’ISA, l’atmosphère est plus chaude que le standard ; si elle est inférieure, elle est plus froide.
Exemple, à 4 000 m :
$$T_{ISA} = 15 - 4 \times 6,5 = 15 - 26 = -11 °C$$
Le ballon-sonde relève −1 °C. Comme −1 °C est supérieur à −11 °C, l’atmosphère de ce jour-là est plus chaude que l’atmosphère standard.
Le piège est le signe. **−1 est plus chaud que −11**, même si les deux nombres sont négatifs. Range mentalement les températures sur un axe : plus on va vers la droite, plus il fait chaud.
À 4 000 m, le capteur du ballon-sonde relève une température de −1 °C. Nous en concluons que l’atmosphère à 4 000 m est **plus chaude que l’atmosphère standard**.
Une atmosphère en mouvement
L’atmosphère n’est pas une couche immobile posée sur la Terre. Elle n’est pas entraînée en totalité à la même vitesse que la rotation terrestre : elle possède son mouvement propre, et ce mouvement, c’est le vent (wind en phraséologie).
À ces déplacements horizontaux s’ajoutent des mouvements verticaux — l’air qui monte, l’air qui descend — et ce sont eux qui produisent l’essentiel des changements de temps : nuages, précipitations, turbulence.
L’essentiel
- **Limite de Karman : 100 km.** Les **30 premiers km** contiennent **99 % de
- la masse** de l’atmosphère.
- Quatre couches de bas en haut : **troposphère**, **stratosphère**,
- **mésosphère**, **thermosphère**.
- **Tous les phénomènes météo sont dans la troposphère.**
- **Tropopause** : **11 km** et **−56 °C** à nos latitudes ; c’est la partie
- la **plus froide** de la basse atmosphère.
- Air sec : **78 % de diazote**, **21 % de dioxygène**.
- **ISA au niveau de la mer** : **15 °C**, **1013,25 hPa**, **1,225 kg/m³**.
- Gradient ISA : **−6,5 °C par 1 000 m** = **−2 °C par 1 000 ft**.
- Pour comparer à l’ISA : calcule la température standard, puis compare —
- **−1 °C est plus chaud que −11 °C**.