- Caractéristiques de la stratosphère
- Emplacement
- Structure
- Composition chimique
- Température
- Formation d'ozone
- Caractéristiques
- Destruction de la couche d'ozone
- Composés CFC
- Oxydes d'azote
- Amincissement et trous dans la couche d'ozone
- Accords internationaux sur la restriction de l'utilisation des CFC
- Pourquoi les avions ne volent-ils pas dans la stratosphère?
- Avion qui
- Pourquoi la pressurisation de la cabine est-elle nécessaire?
- Vols dans la stratosphère, avions supersoniques
- Inconvénients des avions supersoniques développés à ce jour
- Références
La stratosphère est l'une des couches de l'atmosphère terrestre, située entre la troposphère et la mésosphère. L'altitude de la limite inférieure de la stratosphère varie, mais peut être prise à 10 km pour les latitudes moyennes de la planète. Sa limite supérieure est de 50 km d'altitude au-dessus de la surface de la Terre.
L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse qui entoure la planète. Selon la composition chimique et la variation de température, il est divisé en 5 couches: troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère et exosphère.
Figure 1. Stratosphère vue de l'espace. Source: Agence spatiale galicienne NOSA
La troposphère s'étend de la surface de la Terre jusqu'à 10 km de haut. La couche suivante, la stratosphère, s'étend de 10 km à 50 km au-dessus de la surface de la terre.
La mésosphère varie de 50 km à 80 km de hauteur. La thermosphère de 80 km à 500 km, et enfin l'exosphère s'étend de 500 km à 10 000 km de hauteur, étant la limite avec l'espace interplanétaire.
Caractéristiques de la stratosphère
Emplacement
La stratosphère est située entre la troposphère et la mésosphère. La limite inférieure de cette couche varie avec la latitude ou la distance de la ligne équatoriale de la Terre.
Aux pôles de la planète, la stratosphère commence entre 6 et 10 km au-dessus de la surface de la Terre. A l'équateur, il commence entre 16 et 20 km d'altitude. La limite supérieure est à 50 km au-dessus de la surface de la Terre.
Structure
La stratosphère a sa propre structure en couches, qui est définie par la température: les couches froides sont en bas et les couches chaudes sont en haut.
En outre, la stratosphère a une couche où il y a une forte concentration d'ozone, appelée couche d'ozone ou ozonosphère, qui se situe entre 30 et 60 km au-dessus de la surface de la terre.
Composition chimique
Le composé chimique le plus important de la stratosphère est l'ozone. 85 à 90% de l'ozone total présent dans l'atmosphère terrestre se trouve dans la stratosphère.
L'ozone se forme dans la stratosphère par une réaction photochimique (réaction chimique où la lumière intervient) que l'oxygène subit. Une grande partie des gaz de la stratosphère entrent de la troposphère.
La stratosphère contient de l'ozone (O 3), de l'azote (N 2), de l'oxygène (O 2), des oxydes d'azote, de l'acide nitrique (HNO 3), de l'acide sulfurique (H 2 SO 4), des silicates et des composés halogénés, tels que les chlorofluorocarbures. Certaines de ces substances proviennent d'éruptions volcaniques. La concentration de vapeur d'eau (H 2 O à l'état gazeux) dans la stratosphère est très faible.
Dans la stratosphère, le mélange vertical de gaz est très lent et pratiquement nul, en raison de l'absence de turbulence. Pour cette raison, les produits chimiques et autres matériaux qui pénètrent dans cette couche y restent longtemps.
Température
La température dans la stratosphère présente un comportement inverse à celui de la troposphère. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude.
Cette augmentation de température est due à la survenue de réactions chimiques dégageant de la chaleur, là où l'ozone (O 3) intervient. Il y a des quantités considérables d'ozone dans la stratosphère, qui absorbe le rayonnement ultraviolet à haute énergie du Soleil.
La stratosphère est une couche stable, sans turbulence pour que les gaz se mélangent. L'air est froid et dense dans la partie inférieure et dans la partie supérieure, il est chaud et léger.
Formation d'ozone
Dans la stratosphère, l'oxygène moléculaire (O 2) est dissocié par l'effet du rayonnement ultraviolet (UV) du Soleil:
O 2 + LUMIÈRE UV → O + O
Les atomes d'oxygène (O) sont très réactifs et réagissent avec les molécules d' oxygène (O 2) pour former de l'ozone (O 3):
O + O 2 → O 3 + Chaleur
Dans ce processus, de la chaleur est libérée (réaction exothermique). Cette réaction chimique est la source de chaleur dans la stratosphère et provoque ses températures élevées dans les couches supérieures.
Caractéristiques
La stratosphère remplit une fonction protectrice de toutes les formes de vie qui existent sur la planète Terre. La couche d'ozone empêche les rayons ultraviolets (UV) de haute énergie d'atteindre la surface de la terre.
L'ozone absorbe la lumière ultraviolette et se décompose en oxygène atomique (O) et en oxygène moléculaire (O 2), comme le montre la réaction chimique suivante:
O 3 + LUMIÈRE UV → O + O 2
Dans la stratosphère, les processus de formation et de destruction de l'ozone sont dans un équilibre qui maintient sa concentration constante.
De cette manière, la couche d'ozone fonctionne comme un bouclier protecteur contre les rayons UV, qui sont à l'origine de mutations génétiques, de cancers de la peau, de destruction des cultures et des plantes en général.
Destruction de la couche d'ozone
Composés CFC
Depuis les années 1970, les chercheurs se sont déclarés très préoccupés par les effets néfastes des chlorofluorocarbures (CFC) sur la couche d'ozone.
En 1930, l'utilisation de composés chlorofluorocarbonés commercialement appelés fréons a été introduite. Parmi ceux-ci, on trouve CFCl 3 (Fréon 11), CF 2 Cl 2 (Fréon 12), C 2 F 3 Cl 3 (Fréon 113) et C 2 F 4 Cl 2 (Fréon 114). Ces composés sont facilement compressibles, relativement peu réactifs et ininflammables.
Ils ont commencé à être utilisés comme réfrigérants dans les climatiseurs et les réfrigérateurs, remplaçant l'ammoniac (NH 3) et le dioxyde de soufre liquide (SO 2) (hautement toxique).
Par la suite, les CFC ont été utilisés en grandes quantités dans la fabrication d'articles en plastique jetables, comme propulseurs pour des produits commerciaux sous la forme d'aérosols dans des boîtes et comme solvants de nettoyage pour des cartes de dispositifs électroniques.
L'utilisation répandue en grandes quantités de CFC a créé un grave problème environnemental, car ceux utilisés dans les industries et les utilisations de réfrigérants sont rejetés dans l'atmosphère.
Dans l'atmosphère, ces composés se diffusent lentement dans la stratosphère; dans cette couche, ils subissent une décomposition due à l'effet du rayonnement UV:
CFCl 3 → CFCl 2 + Cl
CF 2 Cl 2 → CF 2 Cl + Cl
Les atomes de chlore réagissent très facilement avec l'ozone et le détruisent:
Cl + O 3 → ClO + O 2
Un seul atome de chlore peut détruire plus de 100 000 molécules d'ozone.
Oxydes d'azote
Les oxydes d'azote NO et NO 2 réagissent pour détruire l'ozone. La présence de ces oxydes d'azote dans la stratosphère est due aux gaz émis par les moteurs des avions supersoniques, aux émissions des activités humaines sur Terre et à l'activité volcanique.
Amincissement et trous dans la couche d'ozone
Dans les années 80, on a découvert qu'un trou s'était formé dans la couche d'ozone au-dessus de la zone du pôle Sud. Dans ce domaine, la quantité d'ozone a été réduite de moitié.
On a également découvert qu'au-dessus du pôle Nord et dans toute la stratosphère, la couche d'ozone protectrice s'est amincie, c'est-à-dire qu'elle a réduit sa largeur parce que la quantité d'ozone a considérablement diminué.
La perte d'ozone dans la stratosphère a de graves conséquences pour la vie sur la planète, et plusieurs pays ont admis qu'une réduction drastique ou une élimination complète de l'utilisation des CFC était nécessaire et urgente.
Accords internationaux sur la restriction de l'utilisation des CFC
En 1978, de nombreux pays ont interdit l'utilisation des CFC comme propulseurs dans les produits aérosols commerciaux. En 1987, la grande majorité des pays industrialisés ont signé le soi-disant protocole de Montréal, un accord international où des objectifs ont été fixés pour la réduction progressive de la fabrication de CFC et son élimination totale d'ici l'an 2000.
Plusieurs pays n'ont pas respecté le Protocole de Montréal, car cette réduction et l'élimination des CFC affecterait leur économie, plaçant les intérêts économiques avant la préservation de la vie sur la planète Terre.
Pourquoi les avions ne volent-ils pas dans la stratosphère?
Pendant le vol d'un avion, 4 forces de base agissent: la portance, le poids de l'avion, la traînée et la poussée.
La portance est une force qui soutient l'avion et le pousse vers le haut; plus la densité de l'air est élevée, plus la portance est importante. Le poids, en revanche, est la force avec laquelle la gravité terrestre tire l'avion vers le centre de la Terre.
La résistance est une force qui ralentit ou empêche l'avion d'avancer. Cette force de résistance agit dans la direction opposée à la trajectoire de l'avion.
La poussée est la force qui fait avancer l'avion. Comme on peut le voir, la poussée et la portance favorisent le vol; le poids et la résistance agissent pour désavantager le vol de l'avion.
Avion qui
Les aéronefs commerciaux et civils sur de courtes distances volent à environ 10 000 mètres au-dessus du niveau de la mer, c'est-à-dire à la limite supérieure de la troposphère.
Tous les avions nécessitent une pressurisation de la cabine, qui consiste à pomper de l'air comprimé dans la cabine de l'avion.
Pourquoi la pressurisation de la cabine est-elle nécessaire?
Au fur et à mesure que l'avion monte à des altitudes plus élevées, la pression atmosphérique externe diminue et la teneur en oxygène diminue également.
Si de l'air sous pression n'était pas fourni à la cabine, les passagers souffriraient d'hypoxie (ou de mal des montagnes), avec des symptômes tels que fatigue, étourdissements, maux de tête et perte de conscience dus au manque d'oxygène.
En cas de défaillance de l'alimentation en air comprimé de la cabine ou d'une décompression, une situation d'urgence surviendrait où l'avion doit descendre immédiatement et tous ses occupants devraient porter les masques à oxygène.
Vols dans la stratosphère, avions supersoniques
À des altitudes supérieures à 10 000 mètres, dans la stratosphère, la densité de la couche gazeuse est plus faible, et donc la force de portance qui favorise le vol est également plus faible.
En revanche, à ces hautes altitudes, la teneur en oxygène (O 2) de l'air est plus faible, ce qui est nécessaire à la fois pour la combustion du carburant diesel qui fait fonctionner le moteur de l'avion, et pour une pressurisation efficace dans la cabine.
À des altitudes supérieures à 10 000 mètres au-dessus de la surface terrestre, l'avion doit rouler à des vitesses très élevées, dites supersoniques, atteignant plus de 1 225 km / heure au niveau de la mer.
Figure 2. Avion commercial supersonique Concorde. Source: Eduard Marmet
Inconvénients des avions supersoniques développés à ce jour
Les vols supersoniques produisent ce que l'on appelle des booms soniques, qui sont des bruits très forts similaires au tonnerre. Ces bruits ont un impact négatif sur les animaux et les humains.
De plus, ces avions supersoniques doivent consommer plus de carburant et donc produire plus de polluants atmosphériques que les avions qui volent à des altitudes plus basses.
Les avions supersoniques nécessitent des moteurs beaucoup plus puissants et des matériaux spéciaux coûteux à fabriquer. Les vols commerciaux étaient si coûteux économiquement que leur mise en œuvre n'a pas été rentable.
Références
- SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y et tous. (2017). Évaluation de la vapeur d'eau et de l'ozone de la troposphère supérieure et stratosphérique lors de réanalyses dans le cadre du S-RIP. Chimie et physique atmosphériques. 17: 12743-12778. doi: 10.5194 / acp-17-12743-2017
- Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. et tous. (2019). Faibles événements de vortex polaires stratosphériques modulés par la mer Arctique - Perte de glace. Journal of Geophysical Research: Atmosphères. 124 (2): 858-869. doi: 10.1029 / 2018JD029222
- Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. et tous. (2019). Couplage dynamique troposphère-stratosphère en ce qui concerne la variabilité du jet entraîné par les tourbillons de l'Atlantique Nord. Agence japonaise pour la science et la technologie. doi: 10.2151 / jmsj.2019-037
- Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et tous. (2015). Influence stratosphérique sur les courants-jets troposphériques, les trajectoires des tempêtes et les conditions météorologiques de surface. Nature 8: 433-440.
- Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et tous. (2003). Échange stratosphère - troposphère: un bilan, et ce que nous avons appris de STACCATO. Journal of Geophysical Research: Atmosphères. 108 (D12). doi: 10.1029 / 2002jD002490
- Rowland FS (2009) Appauvrissement de l'ozone stratosphérique. Dans: Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (sous la direction de) Twenty Years of Ozone Decline. Springer. doi: 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5