Cours de Chimie Minérale Descriptive IUT de Castres Patrick Sharrock Février 2007

Acquérir des connaissances de base sur : Objectifs du cours Acquérir des connaissances de base sur : La chimie de l’air La chimie de l’eau La chimie des sols Grâce à l’étude du cours et à la préparation, présentation et évaluation de thèmes pendant les séances de travaux dirigés.

La terre vue de l’espace

L'atmosphère joue plusieurs rôles : elle nous fournit l'air que nous respirons, ses gaz retiennent la chaleur dont bénéficie la Terre, et sa couche d'ozone protectrice nous sert d'écran contre le rayonnement solaire nocif.

Composition actuelle de l'atmosphère près de la surface Nom du gaz % présent Azote (N2) 78 % Oxygène (O2) 21 % Argon (A) 0,93 % Vapeur d'eau (H2O) 0 - 4 % Gaz carbonique (CO2) 0,033 % Néon (Ne) 0,0018 % Krypton (Kr) 0,000114 % Hydrogène (H) 0,00005 % Oxyde d'azote (N2O) Xénon (Xe) 0,0000087 % Ozone (O3) 0 - 0,000001 %

Composition de l'atmosphère L'atmosphère fait partie de la famille des gaz. Les gaz qui composent notre atmosphère viennent du centre de la Terre! Ces gaz ont été expulsés par les volcans au début de l'existence de la Terre.  Les constituants les plus importants dont la quantité est variable dans le temps sont : la vapeur d'eau, le gaz carbonique, l'ozone et certaines particules en suspension dans l'air (les polluants par exemple). L'eau existe dans les trois états (ou phases) : liquide, solide et gazeux, et cela, à cause des températures caractéristiques et variables de notre planète. On évalue la quantité de molécules dans l'atmosphère à 10 exposant 44. Toutes ces molécules sont soumises à deux forces: les molécules elles-mêmes ont une vitesse d'environ 500 m/s qui tentent d'aller vers l'espace; le poids des molécules tend à les faire tomber sur notre globe (conséquence de l'attraction terrestre). Le résultat de ces deux forces fait en sorte que la moitié de la masse de l'atmosphère se trouve dans les 5 premiers kilomètres d'altitude. Il faut s'élever jusqu'à 20 km pour atteindre 90% de la masse totale de l'atmosphère.

L'atmosphère est plus épaisse à l'équateur (13-16 km) qu'aux pôles (7-8 km).

Le Soleil s'est condensé à partir d'un nuage de poussières interstellaires. Lorsque le volume et la densité du Soleil sont devenus suffisants, sa température a atteint un degré si élevé que des réactions nucléaires se sont déclenchées. Les particules qui gravitaient autour du Soleil se sont ensuite agglomérées pour donner naissance aux planètes il y a 4,5 milliards d'années. L'atmosphère actuelle est faite d'un mélange de gaz et de particules qui entourent notre planète. L'atmosphère est si mince qu'on peut se représenter son épaisseur relativement à la Terre comme la pelure d'une pomme relativement à l'ensemble du fruit. C'est la force d'attraction de la Terre qui retient l'atmosphère autour du globe.   Vue de l'espace, le bord de l'atmosphère est un fin halo de lumière bleu foncé sur un horizon en forme de courbe. L'atmosphère joue plusieurs rôles : elle nous fournit l'air que nous respirons, ses gaz retiennent la chaleur dont bénéficie la Terre, et sa couche d'ozone protectrice nous sert d'écran contre le rayonnement solaire nocif. Elle sert également de réservoir pour les substances naturelles ainsi que les émissions qui découlent de l'activité humaine. Dans cet «entrepôt», il se produit des actions et des réactions physiques et chimiques, dont la plupart peuvent altérer nos systèmes climatiques ou météorologiques.

50% du rayonnement solaire arrive au sol

L'énergie envoyée par le soleil vers la terre ne parvient pas entièrement au sol. Le dessin montre que les nuages réfléchissent 26-28% des rayons du soleil, que l'atmosphère absorbe à elle seule un autre 16% (dans les endroits où il n'y a pas de nuage), 7% des radiations sont réfléchies par l'atmosphère même sans nuage pour un total d'environ 50% qui est perdu, le reste va directement au sol. Ce dernier réfléchi dans l'atmosphère environ 3 à 5% de ce qu'il reçoit. Pour une quantité donnée d'énergie reçue au sol (près de 50% du rayonnement total du soleil), la couleur et la texture de ce dernier de même que la différence intrinsèque des océans versus les continents influencent la température à la surface de la terre. Il s'agit des facteurs physiques et géographiques qui influencent la température du sol.

Les couches de l'atmosphère

Troposphère La troposphère est la couche atmosphérique la plus proche du sol terrestre. Son épaisseur est variable: 7 kilomètres de hauteur au-dessus des pôles, 18 kilomètres au-dessus de l'équateur et environ 13 kilomètres, selon les saisons, dans la zone tempérée. C'est dans cette couche qu'on retrouve la plus grande partie des phénomènes météorologiques. Au fur et à mesure qu'on s'élève dans la troposphère la température décroît de façon régulière d'environ 6 degrés Celsius tous les 1000 mètres pour atteindre  -56 °C à la tropopause (zone séparant la troposphère de la stratosphère). L'air près du sol est plus chaud qu'en altitude car la surface réchauffe cette couche d'air. Stratosphère La stratosphère est au-dessus de la troposphère. C'est dans la stratosphère qu'on trouve la couche d'ozone. Cette dernière est essentielle à la vie sur Terre, car elle absorbe la majorité des rayons solaires ultraviolets qui sont extrêmement nocifs pour tout être vivant. Cette absorption provoque un dégagement d'énergie sous forme de chaleur. C'est pourquoi la température augmente lorsqu'on s'élève dans la stratosphère. Les mouvements de l'air y sont beaucoup moindres. Il s'agit d'un environnement beaucoup plus calme. La stratopause sépare la stratosphère de la mésosphère.

Mésosphère La mésosphère est au-dessus de la stratosphère. Dans cette couche, la température recommence à décroître avec l'altitude pour atteindre  -80 oC à une altitude d'environ 80 km. Les poussières et particules qui proviennent de l'espace (les météores) s'enflamment lorsqu'elles entrent dans la mésosphère à cause de la friction de l'air. Ce phénomène nous apparaît sous la forme « d'étoiles filantes ». Thermosphère  Aurore Boréale (photo) La couche la plus haute est la thermosphère. Dans cette couche, la température augmente avec l'altitude et peut atteindre environ 100 degrés Celsius. La thermosphère atteint des milliers de kilomètres d'altitude et disparaît graduellement dans l'espace. La thermosphère est la région où près des pôles se forment les aurores boréales et australes. La pression y devient presque nulle et les molécules d'air sont très rares. La partie inférieure de la thermosphère est appelée l'ionosphère. L'ionosphère réfléchit les ondes courtes (ondes radio). Ces ondes, émises par un émetteur, rebondissent sur l'ionosphère et sont renvoyées vers la Terre. Si elles sont retournées avec un certain angle, elles peuvent faire presque le tour du globe. L'ionosphère permet donc de communiquer avec des régions très éloignées. La séparation entre la mésosphère de la thermosphère s'appelle la mésopose. La séparation entre la troposphère et la stratosphère porte le nom de Tropopause.

La convection est caractérisée par des courants ascendants et résulte de l'échauffement inégal de la surface.

· À l'équateur, l'air qui est chauffée par le soleil prend de l'altitude (il s'agit d'un courant d'air vertical). · L'air en remontant en altitude prend aussi la direction du pôle Nord pour se refroidir. · En se refroidissant, l'air reprend la direction du sol, car il est plus lourd, au fur et à mesure qu'il se rapproche du pôle. · Comme l'air ne peut s'accumuler de façon infinie, l'air au pôle emprunte la direction de l'équateur. · En allant vers l'équateur, l'air se réchauffe et recommence à reprendre de l'altitude puis à retourner vers le pôle et la boucle continue sans fin La convection est caractérisée par des courants ascendants clairement localisés, séparés par de grandes régions où l'air s'affaisse graduellement; elle résulte alors de l'échauffement inégal de la surface. Ses lieux de prédilection sont les secteurs côtiers et les rives, où les écarts de température sont les plus marqués, de même que là où il y a un contraste thermique marqué entre d'autres types de terrain. La convection peut aussi être déclenchée par le réchauffement de l'air froid sur une surface chaude. L'été, dans les champs en campagne, le soleil réchauffe le sol. Lorsque ce dernier est suffisamment chaud, il commence à réchauffer l'air qui se trouve directement au dessus. L'air chaud devenant plus léger, un mouvement ascendant s'amorce. Ce phénomène produit des cellules convectives dans lequel des nuages peuvent se former dans chaque courant ascendant.

Le relief et les précipitations Quand l'air froid et humide arrive contre la montagne, II doit s'élever pour franchir l'obstacle. Quand il s'élève, sa pression diminue, il se "détend". Cette détente provoque la condensation de gouttelettes d'eau: il pleut au flanc de la montagne. Au contraire, quand l'air arrive de l'autre côté, il a perdu une partie de son humidité : il est plus chaud, plus sec.

Structure et formation des orages

L'évolution nuageuse

Au début de la journée, le ciel était pourtant bleu avec seulement quelques petits nuages. Cependant, lorsqu'il fait chaud et humide, un mouvement de convection se crée. L'air chaud et humide se refroidit en montant et la vapeur d'eau qu'il contient se condense pour former des gouttelettes d'eau ou des cristaux de glace et, par la suite, un nuage appelé cumulus humilis. Il fait de plus en plus chaud et que le petit cumulus humilis du matin s'allonge est grossi pour former un autre nuage: le cumulus mediocris. Ce petit nuage, qui a l'air tout à fait inoffensif, prend de l'altitude et son sommet atteint 6 000 mètres alors qu'il était à 1 000 mètres au début de la journée. Il porte maintenant le nom de cumulus congestus. La présence du cumulus congestus est un signe de l'instabilité atmosphérique. L'instabilité atmosphérique et la convection vont faire en sorte que le haut du nuage monte jusqu'à la tropopause, qui est située à 10 000 mètres d'altitude. À cette altitude, il n'y a plus de courants ascendants : le haut du nuage s'étire horizontalement et prend la forme d'une enclume. C'est le cumulonimbus. Le plus violents d'entre eux est le capillatus incus reconnaissable par son sommet en forme d'enclume (incus en latin). La température à la tropopause est au-dessous de 0°C; le haut du nuage La température à la tropopause est au-dessous de 0°C; le haut du nuage est donc composé de grêlons. Dans un cumulonimbus, les courants d'air vers le haut peuvent dépasser 100 km/h.

Un nuage d’orage

Structure électrique du nuage Le nuage comprend une couche médiane négative située à une hauteur de quelque 6 km limitée vers le haut et le bas par des couches positives. Il y a déséquilibre entre les charges électriques à l'intérieur du nuage ainsi qu'à l'extérieur, entre la base négative du nuage et le sol positif. Quand les charges accumulées deviennent trop importantes, il y a décharge électrique (éclair) et un orage éclate

Deux charges électriques opposées sont fortement attirées l'une vers l'autre. Au bout d'un moment, la couche d'air intermédiaire, isolante, ne peut plus empêcher les charges de se rejoindre, et une décharge électrique a lieu (ionisation). La couleur de l'éclair nous informe sur la composition de l'air ambiant. Un éclair rouge indique de la pluie dans l'air. Un éclair bleu la présence de grêle. Un éclair jaune est un signe d'une quantité importante de poussière dans l'atmosphère. Un éclair blanc est signe d'un air très sec.

La foudre Introduction Lorsque de l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud, les conditions sont favorables au déclenchement des orages. De violents courants d'air verticaux entraînent l'humidité, les fragments de glace, les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage. L'on ne connait pas encore exactement les mécanismes à l'origine de la tension qui se forme dans les nuages d'orage. Cela tient au fait que la physique des éclairs et des orages englobe 15 ordres de grandeur différents. A l'une des extrémités de l'échelle se trouvent les phénomènes nucléaires qui déclenchent le processus d'électrisation des nuages, des «jeux» de particules de l'ordre du millionième de millimètre; à l'autre, les courants ascendants et descendants provoqués par les cumulonimbus en pleine maturité, qui complètent la charge électrique et s'étendent sur des dizaines, voire des centaines de kilomètres. Structure électrique du nuage Les champs électriques d'un nuage d'orage sont alimentés essentiellement par deux facteurs : la force des ascendances et des descendances, dont la vitesse peut dépasser 25 m/s; la présence simultanée dans le nuage de particules de glace lourdes et légères Dans les zones à fortes turbulences, les particules lourdes (grésil ou grêlons) se heurtent aux cristaux infimes de glace. Lorsque ces chocs se produisent à une température inférieure à une limite critique (autour de 15 °C), les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage, où les températures sont inférieures à 15 °C, des charges négatives vers le bas. Le seuil des 15°C dépassé, celles-ci deviennent positives. Le nuage comprend donc une couche médiane négative située à une hauteur de quelque 6 km limitée vers le haut et le bas par des couches positives. Le couvercle de la charge positive supérieure s'étend souvent jusqu'à la tropopause, voire est séparé de celle-ci par une mince couche de charge négative qui pourrait être due à l'irradiation cosmique.

L'éclair Son déclanchement Deux charges électriques opposées sont fortement attirées l'une vers l'autre. Au bout d'un moment, la couche d'air intermédiaire, isolante, ne peut plus empêcher les charges de se rejoindre, et une décharge électrique a lieu (ionisation). Les charges négatives dans la partie basse du nuage se déplacent vers les charges positives de la terre selon un parcours aléatoire en zigzag (invisible) appelé traceur par bonds ou amorce échelonnée (Le traceur par bonds met un centième de seconde pour arriver au sol et se déplace à environ 200 km/s). Par bonds successifs, l'éclair pilote, sorte de boyau rempli d'électrons, descend en direction de la terre en suivant la plus forte intensité de charge. Quand il atteint les derniers décamètres qui le séparent de la Terre, une décharge (autre boyau similaire) partant d'un point du sol monte à sa rencontre. Lorsque la liaison s'établit entre les deux boyaux se produit ce qu'on appelle la décharge principale, un courant circulant du sol vers le ciel tantôt suivi de plusieurs post-décharges. Cette charge positive se propage extrêmement vite. Tout cela se répète rapidement dans le même coup de foudre, ce qui donne à l'éclair son apparence vacillante. Le processus continue jusqu'à ce que toutes les charges se soient dissipées. La plus part des coups foudre qui ont lieu se produisent entre nuages. Toutefois, s'il y a assez de charges dans l'air, la décharge s'effectuera entre un nuage et le sol. Seul un coup de foudre sur quatre frappe le sol. 90% des éclairs nuage/Terre s'allument dans la couche chargée négativement. Si celle-ci est chassée par le vent, des éclairs nuage/Terre peuvent également s'échapper de la zone supérieure, qui est de charge positive. Mais des éclairs peuvent aussi se précipiter vers un nuage en partant de points élevés d'un relief. L'intensité du courant augmente à la puissance cinq en fonction de l'importance de l'orage. Les gros orages peuvent déclencher plus de 100 éclairs à la minute.

Les tornades Trombe marine Entonnoir d’une tornade

Comment se forment les tornades? La figure montre les courants internes et externes d'une cellule orageuse comportant une tornade. Dans cette figure, le point 1 indique l'endroit où l'air chaud et humide s'élève graduellement. En 2, le courant ascendant qui se crée est renforcé par l'air provenant du secteur Sud. S'il est assez fort, il atteint les couches les plus froides de l'atmosphère, où la vapeur qu'il contient, en 3, se condense et crée cette nuée qu'on appelle cumulonimbus. En montant, l'air chaud entrecoupe des vents de direction et de vitesse différentes et provoque un mouvement de spirale, en 4. Comme la forme du tourbillon se rétrécit graduellement en altitude, il crée une augmentation de la vitesse de rotation, et résulte en un effet de vrille semblable à celui des patineurs. Le cumulonimbus atteint une telle ampleur, que les vents en altitude sont systématiquement déviés vers le haut, la base et les côtés, en 5. Il arrive que le mouvement de rotation provoque derrière lui une autre giration, en 6 : celle des courants descendants, cette fois. Finalement, en 7, la formation de la tornade a lieu quand, dans une petite zone du cyclone qui se situe près du sol, les vents convergent de plus en plus.

Ce qui se produit ensuite, c'est le resserrement du cyclone qui s'étire vers le sol, c'est-à-dire une grande force à la base du tuba provoquée par la rotation de l'air qui crée une forte succion. Cette dernière forme au niveau du sol un buisson qui ressemble à un entonnoir renversé, lequel agit comme un aspirateur géant qui absorbe tout sur son passage. Il arrive aussi que sur le bord de la tornade principale naissent des mini-tornades. Ces mini-tornades sont encore plus redoutables du fait que la vitesse de rotation de la tornade principale s'ajoute à leur propre vitesse de rotation. La tornade va se déplacer horizontalement avec la formation orageuse qui lui a donné naissance à une vitesse moyenne de 55 km/h, bien que certaines tornades aient atteint 105 km/h. Elle peut faire entre une 10m et 1km de large, et effectuer un parcours destructeur de quelques mètres à plusieurs centaines de kilomètres. La vitesse des vents à l'intérieur de la tornade est difficile à mesurer car les instruments de mesure sont généralement détruits ! Mais les vents au sommet sont estimés à 500 km/h, tandis que les courants aériens ascendants atteindraient 300 km/h. La durée de vie d'une tornade varie de quelques minutes à plusieurs heures. Après que la tornade a atteint son intensité maximale, l'entonnoir rétrécit et s'incline à l'horizontale, prend la forme d'une corde puis se déforme, et finit par mourir. Dans l'hémisphère Nord, le sens de la rotation cyclonique correspond au sens inverse des aiguilles d'une montre. Si cet entonnoir touche la surface d'un plan d'eau, on nommera celui-ci trombe marine.