Physique et chimie de l'air

Qu'est ce que l'air?

L'air n'est rien d'autre qu'un mélange de divers gaz. L'air dans l'atmosphère se compose d'azote, d'oxygène, qui est une substance indispensable à la survie des animaux et des hommes, de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de petites quantités d'autres éléments (argon, néon, etc.). Plus haut dans l'atmosphère, l'air contient aussi de l'ozone, de l'hélium et de l'hydrogène. Les gens ne peuvent seulement noter clairement la présence d'air lorsque le vent souffle.

De quoi l'air se compose?

L'air que nous respirons se compose principalement des gaz suivants:

La quantité d'eau dans l'air varie énormément. Lorsqu'une grande quantité d'eau est présente dans l'air, les autres éléments sont présents en moindre quantité. La quantité d'eau dans l'air peut atteindre jusqu'à 4%. Le plus faible pourcentage d'eau dans l'air est de 0,5%.
Quand la quantité d'eau dans l'air est très faible, l'air est dit "sec". Le poids de 22,4 dm³ d'air sec est de 28,96 grammes. Lorsque l'air contient des quantités d'eau relativement importantes, il est dit humide. L'air humide est plus léger que l'air sec.

A part les éléments qui ont été sommés ci-dessus, d'autres éléments sont aussi présents dans l'air. Cependant, le pourcentage de ces éléments reste très faible. Des aérosols peuvent être trouvés dans l'air. Ceux-ci sont des particules de poussière qui sont balayés depuis la surface de la terre par le vent, ou émis durant des éruptions volcaniques. Lorsque les procédés de brulages ont lieu, les cendres et les particules finissent également dans l'air.

La composition de l'air varie en fonction de l'altitude. Au-dessus de 90 kilomètres de la surface de la terre, les molécules d'oxygène se décomposent et seul les atomes d'oxygène restent. Après 100 kilomètres, les molécules d'azote se décomposent aussi. A cette altitude, l'air n'a pas la composition que nous connaissons. L'atmosphère est complètement différent.

Que sont les gaz?

Tous les éléments chimiques peuvent être trouvés dans différents états (phases). Une de ces phases est la phase gazeuse. A part sous forme gazeuse, un élément peut aussi se trouver sous forme liquide ou solide. L'eau est appelée glace lorsqu'elle est sous forme solide, et lorsqu'elle est sous forme gazeuse, elle existe simplement comme gaz ou vapeur.
Lorsque la température augmente, les molécules de la substance se dissocient, rendant la substance gazeuse et moins visible. Ce changement de phase rend l'air non visible.
Lorsque la température diminue, les molécules de l'air se rapproche et la substance devient éventuellement solide. Les températures pour lesquelles les changement de phase ont lieu, diffèrent d'une substance à l'autre.

Où, sur terre, trouvons-nous l'air?

On peut dire que l'air se trouve partout sur terre excepté là où se trouve de l'eau. L'air est aussi localisé sur les couches de la surface de la terre, dans le sol.
L'air ne se trouve pas seulement sur la terre, il est aussi localisé autour de la terre dans les couches d'air appelées l'atmosphère. L'atmosphère peut se diviser en différentes couches en fonction de la température et l'altitude. Ces limites ne sont pas clairement séparées par des frontières; elles se chevauchent les unes et les autres.

La première couche d'air, qui est localisée près de la terre est appelée troposphère. Cette couche est de 11 kilomètres de haut. Lorsqu'on monte dans la troposphère, la température diminue de six à sept degrés par kilomètre. Par conséquent, le temps sur terre est principalement déterminé par les circonstances à l'intérieure de la troposphère.
La couche supérieure de la troposphère est appelée tropopause. Près de l'Antarctique, la couche tropopause est localisée à 8 ou 10 kilomètre de la terre. Cependant, à l'équateur, la couche tropopause est à dix-sept ou dix-huit kilomètres au-dessus de la terre.

La seconde couche d'air au-dessus de la troposphère est appelée stratosphère. Les températures arrêtent de diminuer dans les parties inférieures de cette couche. La température y est d'environ -55 degrés Celsius.
Dans la haute stratosphère, les températures atteignent zéro degrés Celsius à 40 kilomètres de la terre.
A l'intérieur de la stratosphère, le rayonnement solaire crée l'ozone (O₃) depuis l'oxygène (O₂), entre 30 et 40 kilomètres de la surface de la terre. Cette réaction est la raison pour laquelle cette partie de la stratosphère est appelée 'sphère d'ozone '. La partie supérieure de la stratosphère est appelé stratopause.

La troisième couche d'air est appelée la mésosphère. Cette couche peut être trouvée à plus de 52 kilomètres au-dessus de la surface de la terre. La partie supérieure de la mésosphère est appelée mésopause. A l'intérieur de la mésosphère, les températures diminuent une fois de plus. Les températures de la mésosphère sont au environ de -90 degrés Celsius.

La quatrième couche d'air, la thermosphère, est localisée à plus de 90 kilomètres de la terre. Les températures augmentent énormément dans cette couche, entraînant des températures élevées de plus de 1000 degrés Celsius. La densité de l'air est très faible dans cette couche, ainsi les forces entre les molécules disparaissent presque.
Les plus légères molécules peuvent s'échapper de la plus basse couche de la thermosphère, l'exosphère. L'exosphère n'a pas de limites clairement définies, parce qu'elle se perd dans l'espace.

Les 90 kilomètres inférieurs de l'atmosphère sont souvent désignés comme l'hémisphère, parce que la composition de l'air est presque constante. Tout l'air au-dessus de cette couche est appelé hydrosphère, car l'air a une composition très différente dans ce secteur.

Quels sont les différents types d'air?

Un type d'air doit couvrir un secteur horizontal de mille kilomètres. La taille d'un type d'air peut varier entre cent mètres et la couverture totale de la troposphère.
Un type d'air se forme quand une masse d'air a circulé pendant trois à neuf jours dans un secteur localisé complètement au-dessus de la terre ou la mer et où le vent ne souffle pas. A l'intérieur de ce secteur, la masse d'air reçoit des propriétés spécifiques. Dès que l'air quitte ce secteur, ses propriétés spécifiques vont lentement se perdre et, éventuellement, disparaître entièrement.
Les types d'air qui reçoivent leurs propriétés dans un secteur au-dessus de l'eau sont plus humides que celles ayant stagnés au-dessus de la terre. Les types d'air qui sont formés au-dessus des océans sont appelés air de type marin. Les types d'air formés au-dessus de la terre sont dits continentaux.

On peut distinguer quatre types d'air basiques, qui peuvent tous se diviser en type marin ou continental:
1. Air équatorial. Les températures sont comprises entre 25 et 30 degrés Celsius et son humidité est élevée.
2. Air tropical. L'air tropical marin a une forte humidité et une température d'environ 25 degrés Celsius. L'air tropical continental a une faible humidité et une température jusqu'à 50 degrés Celsius.
3. Air polaire. L'air polaire marin est toujours humide et relativement chaud en hiver et froid en été. L'air polaire continental est très sec et froid en hiver. Les températures peuvent tomber jusqu'à -50 degrés Celsius. En été, ce type d'air est chaud, et déjà très sec.
4. Air arctique. Ce type d'air est très froid. L'air arctique marin est plus chaud que l'air arctique continental en hiver.

Qu'est ce que le vent?

Le vent est fondamentalement de l'air en mouvement. L'air se déplace en raison des diverses pressions atmosphériques sur la terre. La direction et la force du vent peuvent considérablement changer.
La force du vent est exprimée par un nombre appelé nombre de Beaufort, sur l'échelle de Beaufort. La force du vent est toujours déterminée à environ dix mètres au-dessus de la terre.

Description de la vitesse du vent selon l'échelle de Beaufort

Simplement, le vent existe parce que le rayonnement solaire chauffe la terre. La chaleur et l'air chaud montent, entraînant un mouvement de l'air dans l'atmosphère. Ce mouvement est connu sous le nom de vent. Durant ce mouvement d'air, l'air chaud est transporté depuis l'équateur vers les pôles et l'air froid se déplace vers l'équateur. Cette effet entraîne en refroidissement de l'équateur et un léger réchauffement des pôles pour empêcher les températures extrêmes. Mis à part le vent, les océans facilitent aussi la propagation de chaleur.
L'air ne se dirige pas directement de l'équateur vers les pôles et inversement, comme vous pouvez vous en douter. La rotation de la terre influence les directions des vents. Par conséquent, le vent qui souffle depuis l'équateur vers le Pôle Nord est légèrement dévié vers l'est. Et inversement, le vent qui souffle de l'équateur vers le Pôle Sud est légèrement dévié vers l'ouest. Le vent est toujours appelé d'après la direction dont il provient. Le vent de l'équateur vers le Pôle Nord est appelé vent d'ouest. L'air chaud qui souffle depuis l'équateur jusqu'aux pôles se refroidit en chemin.

A 30^o de latitude nord et sud, l'air tombe à la surface de la terre. Tout l'air ne sera pas soufflé vers l'équateur depuis là.

Le vent souffle en cercle, appelé cellule. Sur terre, on distingue trois sortes de cellules:
- La cellule d'Hadley est une cellule entre l'équateur et la latitude 30° nord et sud. Le vent dans cette cellule qui est localisé près de la surface de la terre, est appelé alizé.
- La cellule de Ferrel est localisée entre les latitudes 30° et 60° nord et sud. Le vent dans cette cellule souffle plus fort en hiver. A la frontière latitude 30°, le vent tombe et souffle vers le pôles. A la latitude 60^o, L'air monte et le vent retourne en direction de la latitude 30^o. Tout le vent ne retourne pas en arrière, en partie est prise dans la cellule Polaire.
- La cellule Polaire est située aux pôles, au-dessus de la latitude 60^o nord et sud. A la latitude 60^o l'air se lève, mais au-dessus des pôles l'air tombe. Les vents dans les cellules polaires sont généralement froid et sec.

Ceci est seulement une présentation générale sur la façon dont le vent souffle sur terre. La terre ne se compose pas uniquement d'eau mais aussi de terre. La terre influence la direction des vents. Ainsi, le vent peut souffler dans différentes directions dans des régions séparées.

Qu'est ce que la pression de l'air?

L'air applique une certaine force sur les objets, appelée pression atmosphérique. Tout l'air présent dans l'atmosphère se presse contre la terre en raison de la force d'attraction magnétique de la terre. La pression atmosphérique est appliquée sur chaque objet et forme de vie sur terre, tels que les toits, les maisons mais aussi les hommes, les animaux et les plantes. Nous ne ressentons pas la pression atmosphérique parce que nous avons une force à l'intérieure de notre corps qui crée une pression égale autour de nous.
La pression atmosphérique est définie en tant qu'une force exercée par l'air entourant la terre sur une surface donnée (1 m²). L'unité de pression est le Pascal (Pa).
La pression atmosphérique la plus élevée est située au bas de l'atmosphère, juste au-dessus de la terre. Plus haut dans l'atmosphère, la pression atmosphérique décroît. Sur terre, on ressent la pression d'une grande quantité de particules d'air; plus haut dans l'air il y a moins de particules présentes qui exercent une pression sur vous.
La pression atmosphérique moyenne sur terre est de 1013 hPa. Ce n'est pas un nombre exact et il peut légèrement varier. Les gens ne la ressentent à peine, puisque leur corps s'adapte à la nouvelle pression. Cependant, certaines personne sont plus sensibles aux changements de pression atmosphérique. Pour ces personnes, un changement de la pression atmosphérique peut entraîner des migraines.

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