Ozone et processus physico-chimiques dans l’atmosphère

L’atmosphère terrestre est une enveloppe constituée de gaz et d’aérosols. En comparaison à un rayon planétaire avoisinant les 6400 km, elle est extrêmement fine. Une majeure partie de sa masse est concentrée dans les premières dizaines de kilomètres seulement, à raison de 99 % en dessous des 30 km d’altitude. Néanmoins, on lui attribue un rôle primordial dans l’apparition et le maintien de la vie sur Terre. Elle agit sur la température de surface, via l’effet de serre et la redistribution de l’énergie solaire vers les pôles.

Elle constitue également un écran face au rayonnement énergétique extraterrestre, qu’il soit véhiculé par des rayons cosmiques, vents et éruptions solaires ou par les ultraviolets stellaires, lesquels sont majoritairement interceptés entre 15 et 40 km par la couche d’ozone (O3 ). Sous l’effet de sa densité décroissante avec l’altitude et du rayonnement solaire incident, l’atmosphère est organisée en quatre couches principales. Chacune possède ses propres caractéristiques en matière de composition chimique, de structure dynamique et de processus physico-chimiques associés. Cette stratification est communément illustrée par un profil vertical de température, tel celui de la figure 1.1. La brève description qui suit est organisée des hautes vers les basses altitudes.

Structure de l’atmosphère 

Structure thermique

 STRUCTURE DE L’ATMOSPHÈRE

De l’ionosphère à la stratopause Le spectre du rayonnement solaire s’étend du domaine infrarouge aux ultraviolets les plus énergétiques. Désignés par UV-C dans certaines disciplines, qualifiés d’UV lointains dans d’autres, ces derniers ont pour effet de dissocier les molécules et d’ioniser la matière. Leur influence s’opère sur la couche externe de l’atmosphère, appelée en conséquence ionosphère, ainsi caractérisée par les phases ionisée et atomique les plus abondantes. Elle coïncide principalement avec la thermosphère, dont le gradient positif de température naît de l’absorption du champ UV de faible longueur d’onde (λ < 200 nm) qui s’atténue vers les profondeurs atmosphériques.

Dans la couche inférieure, à laquelle le statut de zone intermédiaire a valu la dénomination de mésosphère, l’influence directe du rayonnement solaire est négligeable. Elle laisse ainsi place à un autre mécanisme dans le contrôle de la structure thermique. L’atmosphère étant de plus en plus ténue avec l’altitude, le taux de collisions entre molécules s’en voit affaibli en conséquence. Il s’ensuit la présence d’un régime radiatif, sous lequel les molécules excitées de dioxyde de carbone (CO2 ) perdent davantage leur excès d’énergie par émission spontanée que par collision.

Ce régime favorise l’export de chaleur vers les autres couches, et il est d’autant plus prononcé que la densité de l’air est faible. Ainsi, bien que composé minoritaire, c’est le rayonnement infrarouge du CO2 qui, dans cette couche, est associé au gradient négatif de température. Un maximum d’environ 0 ◦C est atteint dans les bas étages de la mésosphère, au voisinage de la stratopause.

Stratosphère et rayonnement

A l’inverse, la stratosphère est définie par un gradient vertical de température positif. Elle doit sa structure thermique – et donc son existence – aux fortes quantités d’ozone siégeant à ces altitudes. En effet, les UV solaires pénétrant la haute stratosphère sont de nouveau soumis à un filtrage. Celui-ci fait intervenir la photodissociation du dioxygène et l’absorption par les molécules d’ozone. En raison de sa densité plus élevée, la stratosphère est dominée par le régime collisionnel, soit l’opposé du régime radiatif.

Par conséquent, à l’inverse du CO2 mésosphérique, les molécules excitées suite à l’absorption des UV ont une durée d’émission spontanée trop longue : la désexcitation se fait donc par collision, favorisant une redistribution page  locale de l’énergie solaire. Comme le rayonnement UV s’atténue au fil de sa traversée dans la stratosphère, la génération de chaleur est moindre dans les bas niveaux.

De par le gradient vertical positif de température qui en découle, l’ozone est alors responsable de l’existence de cette couche stable, au sein de laquelle le transport est essentiellement horizontal. Cette caractéristique se retrouve dans l’étymologie même du nom de stratosphère, le terme latin stratus évoquant ce qui est étendu.