Skip to main content

La thermosphère et l'exosphère constituent l'atmosphère supérieure de la Terre, où gravitent les satellites artificiels et les vaisseaux spatiaux comme l'International Space Station (ISS).

L'atmosphère supérieure est aussi le milieu naturel des astronautes et cosmonautes lorsqu'ils accomplissent des sorties dans l'espace dans le cadre de la construction et de la maintenance des stations orbitales ou lors d'activités diverses telle que la récupération et la réparation de satellites.

Spacecraft aerodynamics and lifetime

C'est l'analyse des variations des orbites des satellites artificiels qui a fourni la première contribution importante à l'étude de la structure physique de ces deux régions atmosphériques.

Une bonne connaissance de l'atmosphère supérieure est importante en soi sur le plan de la recherche fondamentale et s'inscrit dans le cadre plus général de l'étude globale de l'environnement terrestre.

Elle s'avère aussi indispensable pour:

  • la définition des caractéristiques aérodynamiques des véhicules spatiaux
  • l'estimation de leur durée de vie orbitale 
  • la sélection des orbites les mieux appropriées pour des recherches ou applications particulières comme la géodésie, la navigation, la télédétection, la météorologie.

Par exemple, pour effectuer des observations de la Terre avec la meilleure résolution possible au cours d'une très longue période, il convient de choisir une orbite circulaire aussi basse que possible mais à l'abri de toute perturbation atmosphérique susceptible d'engendrer d'importantes variations orbitales voire d'entraîner une chute trop rapide du satellite.

L'exosphère: la région la plus élevée de l'atmosphère

La densité de l'atmosphère ne cesse de décroître avec l'altitude, de sorte qu'à partir d'un certain niveau, les collisions entre atomes deviennent rares. Le libre parcours moyen, défini comme la distance moyenne parcourue par une particule atmosphérique entre deux collisions, atteint une valeur moyenne de l'ordre de 100 km à une altitude de 500 km alors qu'il est seulement d'un dixième de micron au niveau du sol !

L'exosphère est définie comme la région de l'atmosphère où les collisions entre particules sont négligeables. Les atomes s'y comportent librement et peuvent suivre diverses trajectoires; certains sont en mesure de s'échapper de l'atmosphère terrestre.

La notion habituelle de température cesse d'être valable comme d'ailleurs assez rapidement les lois de l'hydrostatique. La base de l'exosphère appelée "exobase" se situe entre 350 et 800 km suivant la température à la thermopause. L'hélium et l'hydrogène y sont les éléments prépondérants, l'atome d'hydrogène constituant la couronne de l'atmosphère qui s'étend jusqu'à une altitude de 50 000 kilomètres.

La thermosphère: une partie de l'hétérosphère

100 km altitude

L'hétérosphère désigne la région atmosphérique où la composition de l'air n'est pas uniforme. Elle commence pratiquement dès l'altitude de 100 km où le brassage de l'air n'est déjà plus suffisant pour maintenir la distribution de mélange parfait observé plus bas dans l'homosphère. C'est la diffusion moléculaire qui devient le phénomène dominant: la concentration d'un constituant décroît avec l'altitude à un taux plus élevé pour les constituants lourds (O2et N2) que pour les constituants légers (O, Heet H).

Ainsi, les abondances relatives de ces derniers sont de plus en plus grandes.

Entre 100 et 150 km d'altitude

Au fur et à mesure que l'on s'élève en altitude, on rencontre diverses ceintures où l'azote moléculaire, l'oxygène atomique, l'hélium et l'hydrogène sont successivement les constituants prépondérants. Les limites de ces ceintures varient avec la température elle-même dépendante de l'activité solaire.

Entre 100 et 150 kilomètres d'altitude, l'oxygène moléculaire absorbe l'ultraviolet solaire de très courtes longueurs d'onde (entre 100 et 200 nm): l'effet thermique résultant se traduit par une augmentation de la température avec l'altitude, caractéristique d'une région atmosphérique appelée thermosphère et située immédiatement au-dessus de la mésosphère.

Dans le même temps, les molécules d'oxygène (O2) se disloquent en leurs deux atomes d'oxygène (O). L'oxygène atomique devient un constituant principal.

Entre 250 et 500 km

L'augmentation continue de la température avec l'altitude se maintient jusqu'à un niveau appelé "thermopause" situé entre 250 et 500 km suivant le degré de l'activité solaire. Au-delà de cette limite, commence une région isotherme où la température atteint des valeurs comprises entre 300°C et 1600°C.

L'ampleur des variations possibles de la température est liée à l'extrême dilution de l'atmosphère à ces altitudes. La région isotherme ne porte pas de nom spécifique; il est coutume de l'assimiler aussi à la thermosphère au moins jusqu'au niveau critique marquant la base de l'exosphère.