Où commence l’espace ?
― À peine 100 km à la verticale. Sur un globe, la couche d’air ne mesure que 2,5 millimètres
L’espace paraît très lointain. Pourtant, sa frontière officielle n’est qu’à 100 km au-dessus de nos têtes, soit environ une heure de voiture sur l’autoroute. L’air qui nous entoure est une pellicule bien plus mince qu’on ne l’imagine.
Quand on lève les yeux la nuit, les étoiles semblent très loin. L’espace paraît hors de portée, tout là-bas.
Mais si une voiture pouvait rouler droit vers le haut ? À 100 km/h, au bout d’une heure, vous seriez déjà dans l’« espace ». C’est la distance entre Tokyo et Hakone.
Si c’est si près, pourquoi le ciel semble-t-il sans fond ? Et pourquoi la frontière est-elle fixée à 100 km ?
Deux raisons pour la frontière à « 100 km »
L’air diminue selon une proportion constante à mesure qu’on s’élève. Près du sol, il diminue de moitié tous les 5.5 km environ. À 100 km, il en reste moins d’un millionième de la quantité au sol.
Un avion tient en l’air parce que ses ailes poussent sur l’air. Quand l’air est trop mince, la vitesse nécessaire pour se maintenir grimpe sans cesse. Vers 100 km, elle rattrape la vitesse d’un objet qui tourne autour de la Terre.
Les 100 km ne sont donc pas une ligne visible dans le ciel. C’est un repère : « au-dessus, on se déplace à la manière de l’espace, plus à celle de l’air ». Voyons cela pas à pas.
L’air diminue de moitié, puis encore de moitié
L’air pèse. Le poids de l’air du dessus écrase l’air du dessous. Près du sol, l’air est donc tassé ; plus haut, il est de plus en plus clairsemé.
Cette diminution suit une règle. À chaque tranche d’altitude identique, l’air baisse dans la même proportion. Près du sol, il diminue de moitié environ tous les 5.5 km. Montez encore de 5.5 km : il n’en reste que la moitié de cette moitié.
Déplacez le curseur de la figure 1. Au sommet du mont Fuji (environ 3.8 km), il reste à peu près 60 % de l’air du sol. À l’altitude des avions de ligne (environ 10 km), il n’en reste qu’un quart. Au-dessus de 50 km, il ne subsiste que 0.1 % de tout l’air.
Au-dessus de 100 km, on tient en « tournant », pas grâce aux ailes
Un avion pousse l’air vers le bas avec ses ailes et la réaction le soutient. Cette force est proportionnelle à la densité de l’air et au carré de la vitesse. Si l’air est quatre fois plus mince, il faut doubler la vitesse pour obtenir la même force.
Et si l’air est un million de fois plus mince ? Il faut une vitesse 1000 fois plus grande, hors de portée d’un avion ordinaire.
Il existe pourtant une autre façon de tenir en l’air. Si l’on avance horizontalement à environ 7.9 km/s (près de 28 000 km/h), le sol s’arrondit et s’éloigne autant qu’on tombe. On tombe sans cesse, mais sans jamais heurter la Terre. Satellites et station spatiale restent là-haut ainsi.
Vers 80 à 100 km d’altitude, la vitesse nécessaire pour être porté par des ailes dépasserait cette vitesse « de circulation ». Plus haut, les ailes ne servent plus à rien. La ligne de 100 km porte le nom du savant qui a proposé cette idée : la ligne de Kármán.
Sur un globe, quelle épaisseur d’air ?
100 km, cela semble très haut. Mais le diamètre de la Terre est d’environ 12 700 km. Comparés à lui, 100 km n’en font que 1/127.
Regardez la figure 2. Sur un globe de 30 cm de diamètre, la frontière de l’espace n’est qu’à 2.4 mm de la surface. La couche des nuages et de la pluie fait 0.26 mm, l’épaisseur de trois feuilles de papier. Même la station spatiale tourne à environ 1 cm de la surface.
Beaucoup d’astronautes, en regardant la Terre depuis l’espace, disent avoir vu « une ligne bleue d’une minceur étonnante » : l’atmosphère. L’air que nous respirons n’est qu’une pellicule fine comme du papier, étendue sur la Terre.
Même au-delà de la frontière, l’air ne tombe pas à zéro. La station spatiale, à environ 400 km, rencontre encore un peu d’air et perd peu à peu de l’altitude. On rallume donc de temps en temps ses moteurs pour la remonter. Aux États-Unis, on utilise parfois 80 km (50 miles) comme repère pour les astronautes. La frontière n’a pas été tracée par la nature : c’est une convention humaine.
En résumé
La frontière de l’espace est à 100 km seulement, à la verticale. L’air diminue de moitié tous les 5.5 km environ et, à 100 km, il en reste moins d’un millionième de la quantité au sol. Au-delà, les ailes ne portent plus : on ne reste là-haut qu’en tournant autour de la Terre.
L’espace n’est pas loin : il est juste au-dessus de nous.
Nous vivons au fond d’une pellicule d’air de 2,5 millimètres, à l’échelle d’un globe.
Pourquoi on s’essouffle en haute montagne ? C’est dans l’article sur le mal des montagnes. Que sont les étoiles filantes qui brillent vers 100 km ? Voir l’article sur les étoiles filantes. Et pour le poids de l’air lui-même, lisez aussi Combien pèse l’air d’une pièce ?
- Si votre smartphone a un baromètre, ouvrez une application qui affiche la pression. Relevez le chiffre au rez-de-chaussée, montez en ascenseur ou par l’escalier, puis relevez-le à nouveau. Tous les 10 m de montée, la pression devrait baisser d’environ 1.2 hectopascal.
- Prenez un globe ou un ballon et mesurez son diamètre. Divisez-le par 127 : c’est la « frontière de l’espace » pour cette sphère. Posez une règle sur la surface pour voir cette épaisseur.
- Empilez trois feuilles de papier et pincez-les entre vos doigts. Sur un globe de 30 cm, la couche où naissent nuages et pluie a à peu près cette épaisseur.
La pression varie aussi avec la météo. Pour comparer, mesurez en haut et en bas à quelques instants d’intervalle.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme du lycée (bases de sciences de la Terre et de physique)
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu d’encadré de manuel
- Univ.Matières spécialisées de l’université (physique de l’atmosphère, ingénierie spatiale)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignées comme acquises
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Pression atmosphérique : force exercée sur une surface par le poids de l’air au-dessus. Au sol, elle équivaut au poids d’environ 1 kilogramme par centimètre carré.
- Atmosphère : couche d’air qui enveloppe la Terre. De bas en haut : troposphère, stratosphère, mésosphère et thermosphère.
- Ligne de Kármán : frontière tracée à 100 km entre l’atmosphère et l’espace. C’est un repère fixé par la Fédération aéronautique internationale.
CollègeLycéeVérification par les formules : combien d’air reste à 100 km, et combien de millimètres sur un globe
La pression est « le poids de l’air situé au-dessus de cette altitude » : la proportion de pression est donc la proportion d’air restant au-dessus. On calcule cette proportion, puis l’épaisseur sur le globe.
| En symboles | p ＝ p₀ × e^( −h ÷ H ) Épaisseur sur le globe d ＝ h × D ÷ L |
| En mots | Pression à l’altitude h ＝ pression au sol × (proportion obtenue en multipliant par environ 0.37 à chaque montée de H). Épaisseur sur le globe ＝ hauteur réelle × diamètre du globe ÷ diamètre de la Terre |
| D’où vient la formule | Le poids d’une fine tranche d’air équilibre la différence de pression entre ses deux faces (équilibre hydrostatique). En y ajoutant le fait que la densité d’un gaz est proportionnelle à sa pression (équation des gaz parfaits), on obtient une baisse de même proportion à chaque tranche d’altitude. La seconde formule est une simple règle d’échelle (proportionnalité). |
| Symbole | Signification et unité |
| p | Pression à l’altitude h (exprimée en multiple de celle du sol) |
| p₀ | Pression au sol (environ 1013 hectopascals) |
| H | Hauteur d’échelle : altitude où la pression est multipliée par environ 0.37 (en km) |
| D・L | Diamètre du globe (mm) et diamètre de la Terre (km) |
| Hauteur d’échelle H (moyenne approximative de 0 à 100 km) | environ 7 km (environ 8 km près du sol, environ 6 km en haute altitude froide) |
| Altitude de la frontière de l’espace h | 100 km |
| Diamètre de la Terre L | environ 12 700 km |
| Diamètre du globe D | 300 mm (30 cm) |
| Épaisseur d’une feuille de papier | environ 0.09 mm |
| Contenu de l’exposant (h ÷ H) | 100 ÷ 7 ≒ 14.3 |
| Proportion obtenue en réduisant d’autant, en base e | environ 0.0000006 (environ 1/1 600 000) |
| Épaisseur sur le globe : d’abord h × D | 100 × 300 ＝ 30000 |
| Division par le diamètre de la Terre | 30000 ÷ 12700 ≒ 2.36 |
| Couche de nuages et de pluie (environ 11 km) : 11 × D | 11 × 300 ＝ 3300 |
| Division par le diamètre de la Terre | 3300 ÷ 12700 ≒ 0.26 |
| Équivalent en feuilles de papier | 0.26 ÷ 0.09 ≒ 2.9 |
Au-dessus de 100 km, il reste environ 1/1 600 000 de tout l’air (avec les valeurs standard tirées des observations, c’est encore moins : environ 1/3 000 000). Réduite à un globe, la frontière de l’espace est à environ 2.4 mm de la surface, et la couche des nuages et de la pluie fait environ trois feuilles de papier.
LycéeLycée+Structure des couches d’air et pourquoi la baisse est « exponentielle »
LycéeEn sciences de la Terre, on divise l’atmosphère en quatre couches selon l’évolution de la température. De 0 à environ 11 km, c’est la troposphère, où se produisent presque tous les phénomènes météo (nuages, pluie). Au-dessus vient la stratosphère, qui contient la couche d’ozone ; la mésosphère commence vers 50 km et la thermosphère vers 80-90 km. Les étoiles filantes et les aurores brillent entre le haut de la mésosphère et la thermosphère.
Lycée+Cette baisse « de même proportion à chaque tranche d’altitude » vient d’une relation : plus il y a de quantité, plus elle diminue. Là où il y a beaucoup d’air au-dessus, on perd aussi beaucoup de poids en montant. C’est la même forme de formule que la demi-vie des substances radioactives.
Univ.Formule barométrique, atmosphère standard internationale et ligne de Kármán
En combinant l’équilibre hydrostatique et l’équation des gaz parfaits, on obtient la « formule barométrique » qui donne la pression selon l’altitude. La hauteur d’échelle y dépend de la constante des gaz, de la température, de la masse molaire moyenne et de la pesanteur. Comme la température varie avec l’altitude, on utilise en pratique un modèle empilant les couches, l’« atmosphère standard internationale ». La frontière de 100 km repose sur l’estimation de Kármán : c’est l’altitude où la vitesse nécessaire pour se soutenir par la portance aérodynamique dépasse la première vitesse cosmique (vitesse d’une orbite circulaire).
📖 Dérivation des formules et suite : Hauteur d’échelle (Wikipédia) ／ Atmosphère standard internationale (Wikipédia)
RechercheCe qu’on ne sait pas encore bien
- Où l’atmosphère finit-elle vraiment ? Autour de la Terre s’étend une couche d’hydrogène faiblement lumineuse. Une étude qui a réexaminé d’anciennes données d’un satellite d’observation du Soleil rapporte que cette couche s’étendrait au-delà de l’orbite de la Lune.
- Prévoir la densité de l’air en altitude. À quelques centaines de km, la densité de l’air varie beaucoup avec l’activité solaire et les orages magnétiques. Juste après un orage magnétique, de nombreux petits satellites tout juste lancés sont retombés à cause de la traînée de l’air ; améliorer la précision des prévisions reste un enjeu.
- Une zone mal observée. Entre 50 et 150 km environ, les ballons ne montent pas assez haut et les satellites ne peuvent pas orbiter si bas. Les moyens de mesure directe sont limités, et de nombreux phénomènes y restent mal compris.
Le contenu de cet article est donc une « explication selon l’état actuel des connaissances ». La frontière de l’espace elle-même pourrait être révisée selon les progrès de la science et l’usage visé.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l’article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2ᵉ année : « La météo et ses changements » (pression atmosphérique) | L’explication du poids de l’air qui presse l’air du dessous |
| Lycée | Bases de sciences de la Terre : « Structure de l’atmosphère » ; bases de physique : « Pression » | Troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère ; les bandes de la figure 1 |
| Lycée+ | Mathématiques : « Fonction exponentielle » | Une baisse de même proportion à chaque tranche d’altitude |
| Univ. | Physique de l’atmosphère, ingénierie spatiale | Formule barométrique, atmosphère standard internationale, comparaison avec la première vitesse cosmique |
| Recherche | Physique de la haute atmosphère, météorologie spatiale | Limite de l’atmosphère, prévision de la densité en altitude, zone mal observée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi on s’essouffle ou on a les oreilles bouchées en montagne ou en avion ; le baromètre du smartphone |
- Wikipédia (japonais), « カーマン・ライン » (ligne de Kármán)
- Wikipédia (japonais), « 国際標準大気 » (atmosphère standard internationale)
- NOAA, NASA et US Air Force, « U.S. Standard Atmosphere, 1976 »
- Fédération aéronautique internationale (FAI), déclaration sur la frontière de l’espace (2018)
- JAXA, Direction des technologies spatiales habitées : « Station spatiale internationale » (国際宇宙ステーション)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations destinés à comprendre les mécanismes. La quantité d’air en altitude varie avec la température et l’activité du Soleil, et la hauteur de la frontière peut différer selon les organismes et les usages.