L'atmosphère

L'air est formé approximativement de 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d'autres gaz (argon, dioxyde de carbone, vapeur d'eau…). Classer ces composants de la plus grande à la plus petite proportion et représenter les données par un diagramme en barres simple.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

Nommer les deux gaz majoritaires de l'air et indiquer leur proportion approximative.

Indiquer si ces affirmations sur l'atmosphère sont vraies ou fausses et corriger les fausses : l'air est formé uniquement de dioxygène ; la troposphère est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques ; l'exosphère est la couche la plus proche de la surface.

Le schéma représente les couches de l'atmosphère (elles ne sont pas dessinées à l'échelle).

1. a) Quelle couche est indiquée par « ? » ?
2. b) Dans quelle couche se forment les nuages et se produisent les orages ?
3. c) Quel gaz forme, dans la couche indiquée par « ? », une zone qui absorbe le rayonnement ultraviolet du Soleil ?

Un avion de ligne vole à environ 11 km d'altitude et la Station spatiale internationale orbite à environ 400 km. Indiquer dans quelle couche de l'atmosphère se déplace chacun d'eux.

Citer deux différences entre la troposphère et les couches les plus externes de l'atmosphère, concernant la densité de l'air et les phénomènes qui s'y produisent.

Qu'est-ce que la couche d'ozone, dans quelle couche de l'atmosphère se trouve-t-elle et pourquoi sa dégradation est-elle préoccupante ?

Un élève soutient que, puisque l'air de la troposphère est beaucoup plus dense et contient des milliers de fois plus d'atomes pouvant émettre de la lumière lorsqu'ils sont excités, les aurores polaires devraient se former près du sol et non à des centaines de kilomètres d'altitude. Réfuter son hypothèse en justifiant pourquoi ce phénomène ne se déclenche que dans la thermosphère/ionosphère, et prévoir quels risques existeraient pour la biosphère si l'atmosphère ne jouait pas le rôle de bouclier contre ces particules solaires de haute énergie, et quels risques les orages géomagnétiques provoqués par ces épisodes solaires représentent pour les réseaux électriques terrestres.

Quand on monte en montagne, la température diminue, bien que l'on soit plus près du Soleil. Expliquer à quelle couche de l'atmosphère correspond cette baisse de température et justifier pourquoi le sommet d'une haute montagne est froid.

Dans la troposphère, la température diminue avec l'altitude, mais dans la stratosphère elle augmente. Relier ce changement de tendance à l'absorption du rayonnement ultraviolet par la couche d'ozone.

Un ballon-sonde enregistre ces températures pendant son ascension : 15 °C en surface, −50 °C à 10 km d'altitude, 0 °C à 45 km et −80 °C à 70 km. Indiquer quelles couches de l'atmosphère il traverse à chaque étape et expliquer le changement de tendance observé dans les données.

Dans la troposphère, l'air se mélange facilement grâce aux courants de convection parce qu'il se refroidit avec l'altitude. En revanche, dans la stratosphère, la température monte d'environ −56 °C à 15 km jusqu'à près de 0 °C à 50 km. Justifier la cause physique de ce réchauffement avec l'altitude et prévoir les conséquences de cette inversion thermique sur la stabilité de l'air et la formation des orages, en expliquant pourquoi les vols commerciaux long-courriers préfèrent se déplacer à la limite inférieure de cette couche.

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est la pression atmosphérique et justifier pourquoi elle est plus faible au sommet d'une montagne qu'au niveau de la mer.

En haute montagne, chaque respiration apporte moins de dioxygène qu'au niveau de la mer. Expliquer le lien entre ce fait et la pression atmosphérique, et pourquoi les alpinistes ont besoin de s'acclimater pendant plusieurs jours avant de gravir un sommet très élevé.

Un randonneur ferme hermétiquement une bouteille en plastique souple au sommet d'une montagne à 3000 m d'altitude. En redescendant à la plage, il constate que la bouteille s'est déformée et est complètement écrasée. Justifier cet événement en réfutant l'idée que « l'air ne pèse pas » à partir du concept de masse et de colonne d'air, et prévoir en raisonnant ce qui arriverait à cette même bouteille si on la fermait à la plage et qu'on remontait au sommet.

Citer deux fonctions de l'atmosphère qui rendent la vie possible sur Terre et expliquer brièvement l'une d'elles.

La Lune n'a pratiquement pas d'atmosphère. Citer deux conséquences de ce fait en lien avec les fonctions que l'atmosphère remplit sur Terre.

On compare l'atmosphère à une couverture qui enveloppe la Terre. Expliquer en quoi la comparaison est pertinente : comment elle filtre une partie du rayonnement solaire pendant le jour et comment elle retient une partie de la chaleur pendant la nuit.

Les gaz CFC, utilisés autrefois dans les aérosols et les réfrigérateurs, détruisaient l'ozone et ont été interdits par le protocole de Montréal. Expliquer quel risque présentait leur utilisation et pourquoi cet accord est considéré comme une réussite de la coopération internationale.

La vapeur d'eau est un composant variable de l'air. Expliquer ce qui se passe quand une masse d'air humide s'élève et se refroidit, et le relier à la formation des nuages.

Un camarade affirme qu'il est absurde d'attribuer le réchauffement climatique au dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$), puisque, ne représentant que 0,04 % de l'air, le diazote (78 %) et le dioxygène (21 %) doivent être les vrais responsables du piégeage de la chaleur. Réfuter sa position en expliquant le comportement différent de ces gaz face au rayonnement solaire et au rayonnement infrarouge terrestre, et prévoir ce qu'il adviendrait de la température moyenne de la planète si le $\text{CO}_2$ et les autres gaz à effet de serre disparaissaient complètement.

Mars a une atmosphère environ cent fois plus ténue que celle de la Terre et formée presque entièrement de $\text{CO}_2$. Expliquer pourquoi, sur Mars, les écarts de température entre le jour et la nuit sont beaucoup plus grands que sur Terre, même si le $\text{CO}_2$ est un gaz à effet de serre.

Un élève affirme qu'il est absurde que les météoroïdes se désintègrent dans la mésosphère parce que « à 80 km d'altitude l'air est à −90 °C et presque vide, donc ils devraient brûler beaucoup plus bas, dans la troposphère, où il y a plus d'air et où il fait plus chaud ». Réfuter son raisonnement en expliquant la cause physique de l'échauffement des météoroïdes à cette altitude et prévoir quelles conséquences il y aurait pour la croûte terrestre et pour les êtres vivants si l'atmosphère était dépourvue de mésosphère.