Composition de la stratosphère

La plupart des composés émis à la surface de la Terre n'atteignent pas la stratosphère. Ils sont soit:

  • décomposés par des gaz atmosphériques (comme OH, NO3, ou l'ozone) dans la basse atmosphère
  • détruits par la lumière du soleil
  • ils peuvent retomber sur le sol
  • ils peuvent être retenus au niveau de la tropopause.

Comme la variation de température en fonction de l'altitude s'inverse entre la troposphère (en bas) et la stratosphère (au dessus), les échanges d'air entre ces deux couches sont lents.  Dans la troposphère, les échanges verticaux prennent plusieurs heures ou plusieurs jours, alors que les mélanges dans la stratosphère mettent des mois ou des années à se faire.

La première de ces conséquences, c'est qu'il y a très peu de vapeur d'eau dans la stratosphère. Les rapports de mélange typiques (voir définition ci-dessous) sont de l'ordre de 2 à 6 ppm, alors qu'ils sont de 1000 à 40 000 ppm dans la troposphère. C'est pourquoi il est rare de trouver des nuages dans la stratosphère; les températures doivent de plus y être très faibles pour que des cristaux de glace se forment. De telles conditions se rencontrent dans les zones polaires, où des nuages glacés stratosphériques peuvent exister. La quantité de vapeur d'eau dans la stratosphère a tendance à augmenter à cause du trafic aérien, tandis que la température y décroît à cause du réchauffement de la troposphère. C'est pourquoi il n'est pas exclu que ces nuages stratosphériques polaires (en anglais PSC) deviennent de moins en moins rares.

polar stratospheric clouds

1. Nuages stratosphériques polaires à Kiruna en Suède.

Les composés chimiques dans la stratosphère

La chimie stratosphérique concerne essentiellement l'ozone (de formule O3). 85 à 90% de l'ozone atmosphérique se trouve dans la stratosphère. Ce gaz se forme à partir de l'oxygène (O2) sous l'action du soleil, directement dans la stratosphère. On y trouve aussi d'autres gaz, qui proviennent de la troposphère et qui ont une durée de vie très longue (par exemple le méthane CH4, les chlorofluorocarbones CFC, etc...), ou qui sont injectés par les éruptions volcaniques.

Eruptions volcaniques

Au cours de certaines grosses éruptions volcaniques, d'énormes quantités de gaz et de particules peuvent être injectées directement dans la stratosphère. Les gaz peuvent être des acides comme HCl et HF ou du dioxyde de soufre SO2, qui réagit ensuite et donne de l'acide sulfurique H2SO4 (un composé important dans la formation des nuages). Les particules (principalement inorganiques comme des silicates, ou des sulfates) peuvent absorber la lumière du soleil, et conduire à un réchauffement temporaire de la stratosphère et à un refroidissement de la troposphère. Ces effets peuvent se faire sentir pendant 1 à 2 ans, parfois sur tout l'hémisphère, comme lors de l'éruption du Mont Pinatubo en juin 1991.

Mt Pinatubo eruption

2. Eruption du Mont Pinatubo aux Philippines en Juin 2001.
source: Cascades Volcano Observatory USGS Photo by Rick Hoblitt

Comprendre les concentrations et les rapports de mélange

La quantité d'un composé dans l'atmosphère peut s'exprimer de deux façons, une quantité relative et une quantité absolue:
a) rapport de mélange= c'est la fraction du composé parmi toutes les molécules d'air. S'il y a 40 molécules d'ozone dans 1 million de molécules d'air, le rapport de mélange est de 40 parties par million (40 ppm). Cette quantité est relative, comme un pourcentage par exemple.
b) concentration = c'est la masse des molécules d'un composé contenues dans un certain volume d'air. S'il y a 100 µg (microgrammes) d'ozone dans un mètre cube d'air, la concentration est de 100 µg / m3. Cette quantité est absolue.
On peut passer de l'une à l'autre des valeurs en connaissant la pression.

La pression décroît avec l'altitude, ce qui veut dire que plus on monte dans l'atmosphère, moins on va trouver de molécules dans un mètre cube d'air. Cela signifie que si la masse d'ozone reste la même quelle que soit l'altitude, alors la quantité relative d'ozone parmi les autres molécules (le rapport de mélange) augmente.

Ce principe est expliqué simplement ci-dessous. Dans un certain volume d'air (boîte bleu clair) il y a un certain nombre de molécules que l'air contient  (tous les différents composés de l'air sont représentés dans la même couleur bleue, pour simplifier, même si l'air est un mélange de plusieurs gaz) et un certain nombre de molécules d'ozone (en rouge). Le nombre de molécules qui composent l'air diminue toujours avec l'altitude.

illustration of concentration and mixing ratio

3a. Ici on suppose que la quantité de molécules d'ozone (rouges) reste constante avec l'altitude. Puisque le nombre de molécules qui composent l'air (en bleu) diminue, le rapport de mélange de l'ozone augmente (voir aussi ci-dessous).

illustration of concentration and mixing ratio

3b. Ici on suppose que la quantité de molécules d'ozone décroît de la même façon que la quantité de molécules qui sont contenues dans l'air. Le rapport de mélange (nombre de molécules d'ozone par molécules de l'air) reste donc constant avec l'altitude.

illustration of concentration and mixing ratio

3c. Ozone en fonction de l'altitude pour l'exemple ci-dessus. La concentration d'ozone est en rouge, la concentration de l'air est en bleu et le rapport de mélange (% d'ozone) en vert. Puisque le nombre de molécules d'ozone reste constant alors que la concentration de l'air diminue, le pourcentage d'ozone augmente.

illustration of concentration and mixing ratio

3d. Ozone en fonction de l'altitude pour l'exemple ci-dessus. La concentration d'ozone est en rouge, la concentration de l'air est en bleu et le rapport de mélange (% d'ozone) en vert. Puisque le nombre de molécules d'ozone diminue de la même façon que la concentration de l'air, le pourcentage d'ozone reste identique.

Mais que se passe-t-il en réalité? L'exemple de droite n'est vraisemblable que tout en haut de la couche d'ozone. Par contre, du niveau du sol jusqu'en bas de la stratosphère, c'est l'exemple de gauche qui décrit le mieux la réalité. La concentration d'ozone reste quasiment identique, mais puisque l'air autour devient de plus en plus rare, le rapport de mélange augmente. Dans la basse stratosphère, même la concentration augmente (l'exemple ci-dessous montre une augmentation d'un facteur 8).

Dans les livres au sujet de l'ozone dans la stratosphère, vous verrez soit la courbe rouge, soit la verte, soit même les deux. Mais n'oubliez pas qu'il n'y a pas une molécule d'ozone pour cinq molécules d'air, mais plutôt une parmi un million [1 ppm].

ozone profile

4. Figure de gauche: ozone en fonction de l'altitude (concentration et rapport de mélange)
source: d'après IUP Bremen

A propos de cette page:
auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
1ère version: 05.06.2003
relecteur pédagogique: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Dr. Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Yvonne Schleicher - Univ. of Erlangen-Nürnberg
dernière version: 06.01.2004

Zuletzt geändert: Dienstag, 23. Juni 2020, 13:26