° Le Ciel
La couleur du ciel résulte de l'interaction entre la lumière du Soleil et les molécules et particules de l'atmosphère terrestre.
La diffusion des ondes du rayonnement solaire à travers l'atmosphère sans nuages affecte plus les parties les plus énergétiques du spectre lumineux, qui correspondent à la couleur bleue dans la vision humaine.
° L'Atmosphere
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse, entourant la Terre, que l'on appelle air. L'air sec se compose à 78,087 % de diazote, à 20,95 % de dioxygène, à 0,93 % d'argon, à 0,041 % de dioxyde de carbone, et de traces d'autres gaz. L'atmosphère protège la vie sur Terre en filtrant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant partiellement les écarts de température entre le jour et la nuit.
Les nuages, parfois liquides, parfois solides, ne sont pas considérés comme des constituants de l'atmosphère. En revanche, la vapeur d'eau contenue dans l'air humide représente, en moyenne, 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère. La vapeur d'eau possède la particularité notable d'être le seul fluide de l'atmosphère terrestre susceptible de changer rapidement de phase (solide, liquide, gaz), essentiellement en fonction de la température, et dont la concentration est très variable dans le temps et dans l'espace. La chaleur a tendance à faire monter l'air et son humidité, alors que la pression atmosphérique et la température (en) diminuent avec l'altitude dans la troposphère.
° Les couches de l'atmosphère
L'atmosphère est dotée de 5 couches différentes, (voir lien annexe pour plus de détails).
° La Troposphère
La troposphère est la première et la plus basse couche de l'atmosphère de la Terre, comprise entre la surface du globe et la stratosphère. Sa limite supérieure, la tropopause, se situe à une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres selon la latitude et la saison.
La troposphère est plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles : la hauteur moyenne de la troposphère est de 18 km dans les tropiques ; 17 km dans les latitudes moyennes ; et 6 km dans les hautes latitudes des régions polaires en hiver.
Le terme troposphère dérive des mots grecs tropos (rotation) et sphaira (sphère) indiquant que la rotation turbulence mélange les couches d'air et ainsi détermine la structure et les phénomènes de la troposphère. En moyenne, la température diminue avec l'altitude, à peu près de 6,4 °C tous les 1 000 mètres, ce qui correspond au gradient thermique adiabatique humide, et donc à la limite de stabilité des masses d'air. Cette couche atmosphérique représente environ 80 % de la masse totale de l'atmosphère, et 99 % de la masse totale de vapeur d'eau (H2O) et d'aérosols. C'est dans cette couche que le cycle de l'eau peut se développer. C'est donc dans cette couche que l'on trouve la plupart des phénomènes météorologiques.
C'est dans cette couche que circule normalement l'aviation commerciale, juste en dessous de la tropopause, profitant d'une zone où les turbulences sont moindres et les jet streams intenses.
° La stratosphère
La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, comprise entre la troposphère (au-dessous) et la mésosphère (au-dessus).
La limite entre la troposphère et la stratosphère s'appelle la tropopause. Son altitude étant liée à la température de la colonne d'air, elle est minimale dans les régions polaires (entre 6 et 9 km) et maximale dans la zone intertropicale (entre 15 et 19 km). L'altitude moyenne sur l'ensemble du globe est estimée à 12 km.
La limite entre la stratosphère et la mésosphère est la stratopause, qui se situe en moyenne vers 50 kilomètres d'altitude.
La température dans la stratosphère varie naturellement en fonction de l'altitude (et selon un cycle saisonnier et jour/nuit), car celle-ci est réchauffée par l'absorption des rayons ultraviolets provenant du Soleil : à l'intérieur de cette colonne d'air, la température augmente au fur et à mesure qu'on s'y élève en altitude.
° La Mesosphère
La mésosphère est la couche de l'atmosphère terrestre comprise entre la stratosphère (au-dessous) et la thermosphère (au-dessus). Sa limite inférieure, la stratopause, se situe à une altitude d'environ 50 km et sa limite supérieure, la mésopause, vers 80 km.
C'est une zone de transition entre la Terre et l'espace. En y pénétrant, pour descendre sur Terre, les météorites, satellites, etc. s'échauffent contre les quelques particules d'air qu'ils rencontrent et sont détruits avant d'atteindre le sol, sauf pour les plus grosses pièces. Les vaisseaux habités, navettes spatiales, capsules Soyouz, doivent être protégés pour pouvoir passer cette couche qui va les freiner partiellement, avant d'atteindre le sol en douceur.
C'est dans cette zone atmosphérique que parfois des flashes lumineux nommés phénomènes lumineux éphémères se produisent au-dessus des cumulonimbus. La manifestation fugace (quelques dizaines de millisecondes) de ce phénomène est une source de rayonnements gamma qui serait liée à des champs électrostatiques de très basses fréquences (ELF et VLF) compris entre 3 Hz et 3 kHz et déclenchés par le bombardement du rayonnement cosmique.
Située à une altitude à la fois trop haute pour être étudiée par les aéronefs, et trop basse pour être visitée par les satellites artificiels, la mésosphère n'a pu jusqu'à présent être observée que par les fusées sondes. De ce fait, certains l'appellent par boutade l'ignorosphère car il s'agit de la couche la plus mal connue de l'atmosphère terrestre.
° La Thermosphère
La thermosphère est la couche de l'atmosphère terrestre comprise entre la mésosphère (au-dessous) et l'exosphère (au-dessus). Sa limite inférieure, la mésopause, se situe à une altitude d'environ 95 km et sa limite supérieure, la thermopause, entre 500 et 1 000 km.C'est notamment au sein de la thermosphère qu'orbite la station spatiale internationale.
L'atmosphère est divisée en cinq couches : de bas en haut, la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, la thermosphère et l'exosphère.
- Avec l'exosphère, la thermosphère constitue l'hétérosphère, où la composition de l'air n'est plus uniforme. Le brassage de l'air n'est plus suffisant pour maintenir la distribution de mélange comme dans les couches inférieures.
- Avec la mésosphère et la partie basse de l'exosphère, elle constitue l'ionosphère, région atmosphérique fortement ionisée.
La thermosphère est délimitée :
- à sa base par la mésopause (limite entre la mésosphère et la thermosphère).
- à son sommet par la thermopause (limite entre la thermosphère et l'exosphère).
La limite avec l'exosphère dépend de l'activité solaire. Sous observation de la NASA depuis 1967, sa taille varie aussi avec le temps. Par exemple, en 2008 et en 2009, elle se contracte sous l'effet d'une diminution de l'activité solaire puis a repris de l'expansion. En 2010, elle se contracte de façon marquée sans que cette contraction puisse être liée à l'activité solaire.
Entre 100 et 150 kilomètres d'altitude, le dioxygène moléculaire absorbe l'ultraviolet solaire de très courtes longueurs d'onde (entre 100 et 200 nm). En résulte une augmentation de température avec l'altitude qui oscille entre 300 °C et 1 600 °C selon l'activité solaire. Les températures sont élevées, mais la densité de matière est extrêmement faible, ce qui fait que, pour la peau humaine, l'effet de cette température serait négligeable. En effet, la température ressentie avoisine les 25 °C.
Les molécules de dioxygène (O2) se dissocient alors en deux atomes d'oxygène (O), ce qui explique que l'oxygène atomique devienne le constituant principal de la thermosphère.
° L'Exosphère
L'exosphère est la couche la plus externe de l'atmosphère d'un corps céleste. Cette couche s'étend théoriquement à l'infini. Il suffit donc de définir l'altitude à laquelle elle commence, appelée thermopause ou exobase. L'exosphère se définit comme la région de l'atmosphère où la densité de particules est assez faible pour que l'effet des collisions entre particules soit négligeable en comparaison de l'effet de leur cinétique.
La densité de particules y est extrêmement faible et les atomes s'y comportent librement. Certains échappent même à l'attraction de leur corps céleste. C'est pourquoi la zone située à cette altitude est également appelée le niveau d'échappement.
La variation de la densité des gaz entourant un corps céleste est continue. Les limites entre les différentes couches de gaz ne décrivent pas des ruptures franches et nettes dans les caractéristiques physiques du gaz entre deux altitudes mais servent plutôt à rendre compte du changement de phénomène prédominant d'une altitude à une autre. En l'occurrence, même si cette définition n'est pas parfaite, l'exosphère débute là où les particules de l'atmosphère sont pratiquement indépendantes les unes des autres et où leur distribution de vitesse suit l'équation de Liouville, et s'achève là où sa densité est indiscernable de celle du vent solaire.