dans l'air du temps (annexes)

composition de l'air
au niveau de la basse atmosphère (en % de la masse totale de l'air; in Encyclopedia Universalis et Schmidt-Nielson)

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air (élément): un peu d'histoire des sciences (in Encyclopedia Universalis, article "air, élément" de Georges Kayas et "air" de Jean Perrotey)
Anaximène (~ 556-~ 480), à la différence de Thalès, enseignait que toute substance provient de l'air (pneuma ) par raréfaction et condensation; dilaté à l'extrême, cet air devient feu; comprimé, il se transforme en vent; il produit des nuages, qui donnent de l'eau lorsqu'ils sont comprimés. Une compression plus forte de l'eau transforme celle-ci en terre, dont la forme la plus condensée est la pierre. Empédocle a considéré trois autres éléments comme fondamentaux: le feu, l'eau et la terre, et Platon a donné une interprétation géométrique des quatre éléments dans laquelle l'air est représenté par l'octaèdre régulier.
La théorie des quatre éléments a été transmise jusqu'au XVIIIe siècle par les philosophes et les alchimistes (tetrasomia ); mais Jan Baptist Van Helmont (1577-1664), mi-chimiste, mi-alchimiste, est amené à considérer qu'il y a plusieurs espèces de «fluides élastiques», auxquels il a donné le nom de gaz (du mot flamand ghoast ). Toute une «science des gaz» ou «pneumatique» s'est développée pendant le XVIIe siècle avec Torricelli (1608-1647), Pascal (1623-1662), Otto von Guericke (1602-1686), R. Boyle (1627-1691), E. Mariotte (1620-1684) et d'autres. «On n'aurait jamais pensé à cet élément, écrit le célèbre chimiste Boerhaave, si l'on n'avait pas observé la résistance qu'il offre au mouvement des corps présentant un grand volume [...]. C'est donc un fluide résistant au mouvement, mais qu'il est difficile de connaître parfaitement, car, à cause de sa subtilité, il n'affecte que très peu nos organes.» L'air est donc considéré comme un fluide subtil contenant beaucoup de corpuscules d'espèces différentes et hétérogènes. Il semble même contenir de l'or! Il pénètre les pores de tous les solides sans «se coaguler» avec eux; il suffit de «détruire les prisons où il est retenu» pour qu'il en ressorte sans avoir subi aucun changement. Au milieu du XVIIIe siècle, Buffon écrivait encore: «Nous ignorons actuellement quelle est la figure des parties constituantes des corps; l'eau, l'air, la terre, les métaux, toutes les matières homogènes sont certainement composées de parties élémentaires semblables entre elles, mais dont la forme est inconnue.» Dans son livre Vegetable Staticks , Stephen Hales ne rapporte pas moins de cent vingt-quatre expériences sur l'air et les fluides et montre que les propriétés physiologiques de l'air sont variables suivant les cas, bien qu'il obéisse toujours à la loi de Boyle-Mariotte; il considère donc que l'air existe sous deux formes différentes: l'«air élastique» et l'«air fixe», ou «air permanent». Pour la première fois, on commence à recueillir l'air dans des flacons pleins d'eau renversés sur une cuve à eau (on utilisera ensuite le mercure), mais ce n'est qu'en 1753 que Joseph Black (1728-1799) démontre que l'air fixe de Hales n'a pas les mêmes propriétés que l'air ordinaire et qu'il est identique au «gaz Silvestris» de Van Helmont, c'est-à-dire à notre dioxyde de carbone (CO2), libéré pendant les fermentations. Mais la chimie des gaz est difficile; et, quand Scheele (1742-1786) et Priestley (1733-1804) préparent, peu avant Lavoisier, l'«air du feu», ils pensent qu'il s'agit d'une combinaison de phlogistique et d'eau; de même, en préparant l'oxygène par calcination de l'oxyde de mercure, Priestley pense avoir isolé l'«air déphlogistiqué» (protoxyde d'azote), tandis que l'«air phlogistiqué» (notre azote), dégagé pendant la combustion, ne peut entretenir le feu. À cet air déphlogistiqué «éminemment respirable» Lavoisier a donné le nom d'oxygène, pensant qu'il était le constituant de tous les acides. Lorsque Cavendish (1731-1810) isola l'hydrogène, il crut avoir identifié le phlogistique.Scheele reconnut que l'air n'est pas un élément simple, mais un composé de deux gaz.
Phlogistique vient d'un adjectif grec (phlogiston) signifiant «inflammable» utilisé pour la première fois par Aristote pour désigner une combustion accompagnée de flamme; il fut ensuite repris par Becher (1635-1682) et surtout par Stahl (1660-1734) pour désigner l'un des éléments des corps composés: Becher pensait que tous les corps composés contiennent, en proportions différentes, trois espèces de terre: la terre vitrifiable, la terre sulfureuse ou inflammable (le pohlogistique) et la terre mercurielle. Cette théorie du phlogistique régna sur la chimie des gaz pendant un demi-siècle (on pensait alors que le phlogistique était plus léger que l'air, puis on essaya de lui attribuer un poids négatif). C'est Lavoisier qui dans son mémoire célèbre intitulé Réflexions sur le phlogistique (1785) porta le coup de grâce à la théorie. En effet, Lavoisier refit l'expérience de Priestley, qui de passage à Paris en octobre 1774, lui avait annoncé qu'en chauffant sur une cuve à mercure le précipité per se  (oxyde mercurique rouge), au moyen des rayons solaires concentrés par une forte lentille, qu'il venait d'obtenir ce qu'il appelait l'« air déphlogistiqué».Lavoisier fut le premier à comprendre que l'air privé de phlogistique était en réalité un «air» particulier. Il venait de découvrir que l'air de l'atmosphère était un mélange de deux gaz différents: l'air vital (l'oxygène) et la mofette (l'azote), le phlogistique n'ayant rien à voir dans sa composition.
L'expérience par laquelle il établit la composition de l'air est, encore à notre époque, un modèle de rigueur scientifique et de raisonnement déductif. Dans un dispositif constitué par une cornue à long col recourbé contenant du mercure, et une cloche reposant sur un bain de mercure, une quantité déterminée d'air est enfermée. Le niveau est soigneusement repéré sur la cloche «avec une bande de papier collé». Le mercure est alors porté à ébullition; il ne se passe rien le premier jour. Des «parcelles rouges» apparaissent à la surface du mercure le deuxième jour et s'accroissent jusqu'au sixième. Pour s'assurer de la fin de la réaction, Lavoisier poursuit l'ébullition du mercure six autres jours, puis, après refroidissement, correction de température et de pression, le volume d'air résiduel est mesuré: il a diminué de 1/6 environ. Lavoisier étudie alors le résidu gazeux obtenu: «Les animaux qu'on y introduisait y périssaient en peu d'instants et les lumières s'y éteignaient sur-le-champ comme si on les eût plongées dans de l'eau.» La matière rouge recueillie à la surface du mercure est étudiée par ailleurs. Par calcination, il se dégage «un fluide élastique beaucoup plus propre que l'air de l'atmosphère à entretenir la combustion et la respiration des animaux». Les conclusions de Lavoisier sont d'une rigueur et d'une clarté qui forcent l'admiration si l'on tient compte des conditions matérielles de ses expériences: «L'air de l'atmosphère est composé de deux fluides élastiques de nature différente et pour ainsi dire opposée.» Après l'analyse et l'étude des parties, Lavoisier procède à la synthèse: «en recombinant les deux fluides élastiques obtenus séparément, c'est-à-dire 42 pouces cubiques de mofette ou air non respirable et 8 pouces cubiques d'air respirable, on reforme de l'air en tout point semblable à celui de l'atmosphère». Les résultats des analyses de Lavoisier le conduisent à penser que l'air atmosphérique contient 27 p. 100 d'oxygène, alors que la teneur réelle n'est que de 21 p. 100.
Des expériences ultérieures lui permirent d'établir le rôle de l'air vital dans la formation de l'acide phosphorique et de l'acide sulfurique, ce qui l'amena à lui donner en 1779 le nom de principe oxigine , qu'il écrira plus tard principe oxigène  (du latin oxus = acide), au sens de principe acidifiant.
Mais Lavoisier apporta aussi sa contribution dans la compréhension de la respiration animale. Lorsque, en 1776, il avait repris les expériences sur les faits signalés par Priestley, Lavoisier avait constaté à son tour que l'air privé d'oxygène par l'oxydation du mercure était devenu aussi méphitique (qui dégage une odeur infecte ou toxique) que l'air altéré par la respiration d'un moineau et dont il avait absorbé l'acide carbonique par la potasse. Après avoir reconstitué l'air primitif en ajoutant l'oxygène disparu à la première mofette provenant de l'oxydation du mercure et à la seconde mofette provenant de la respiration animale, il avait constaté que dans les deux cas cet air permettait aussi bien d'entretenir la combustion que la vie animale. Les relations entre l'air, l'oxygène et l'acide carbonique dans la respiration étant établies, restaient à comprendre l'action de l'oxygène sur l'être vivant et l'origine de l'acide carbonique. L'analogie avec la couleur des oxydes de mercure et de plomb amena Lavoisier à attribuer la coloration rouge du sang artériel à l'absorption d'oxygène. Il compara la chaleur animale à celle des combustions vives, estimant que l'air fournissait l'oxygène et la chaleur, tandis que le sang véhiculait le combustible, restitué incessamment par les aliments. En 1783, il reprit la question avec Laplace. Tous deux mesurèrent les effets de la respiration d'un cochon d'Inde, qu'ils comparèrent à la combustion d'une bougie, en utilisant une balance et un calorimètre. «Lorsqu'un animal est dans un état permanent et tranquille, de telle sorte qu'après plusieurs heures le système animal n'éprouve point de variation sensible, la conservation de la chaleur animale est due au moins en grande partie, conclurent-ils, à la chaleur que produit la combinaison de l'oxygène respiré avec la base de l'air fixe que le sang lui fournit.» La respiration, signala Lavoisier, est l'origine d'une combustion lente, analogue à celle du charbon. À partir de 1789, il poursuivit avec son élève, Armand Seguin, l'étude de la respiration et de la transpiration. Dans le prix sur la nutrition proposé en 1793 par l'Académie des sciences, il dressa un programme de recherches sur la chimie physiologique en demandant l'étude des fonctions du foie.
La première mise en évidence des gaz rares de l'air est attribué à Cavendish en 1790. La composition exacte de l'air ne sera établie qu'au début du XXe siècle, avec la découverte des gaz rares dont l'air contient des quantités infimes.

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La pression d'un mélange gazeux (comme l'air) est définie par la somme des pressions partielles que chaque gaz exercerait s'il était seul. Ainsi dans un air sec, à pression atmosphérique normale (760 mm de mercure ou 1 atmosphère ou 101,3 kPa), la pression partielle du dioxygène est de 159,2 mm d'Hg, celle de l'azote 600,6 mm d'Hg et celle du dioxyde de carbone 0,2 mm d'Hg. Dans un air humide (comme l'est l'air naturel et surtout l'air au niveau des poumons, chaud et saturé de vapeur d'eau), la vapeur d'eau exerce une pression partielle qui s'ajoute aux autres et donc diminue leur valeur. En altitude, si l'on diminue la pression, on diminue aussi les pressions partielles. À 6000 m d'altitude par exemple (pour une pression atmosphérique de 380 mm d'Hg), la pression partielle de dioxygène n'y est plus que de 80 mm d'Hg. C'est pour cela que l'on peut survivre à plus haute altitude en respirant du dioxygène pur. (Schmidt-Nielson, p 6 et s.)

La pression atmosphérique correspond à une valeur très élevée: 100 kPa correspond à une pression d'environ 1 kilogrammeforce par centimètres carrés soit 10 tonnesforce par mètre carré. (Unité de pression qui n'est plus utilisée mais qui peut être compréhensive: la pression exercée par une colonne de 10,033 m d'eau de section 1 centimètre carré est égale à 1033 gramme force soit 1 kilogramme force). Quand on gonfle un pneu à "1 kg" cela signifie en fait que la pression de l'air à l'intérieur du pneu est supérieure de 1kgforce à la pression atmosphérique soit environ 2 atmosphères). La pression de distribution de l'eau courante atteint facilement 4 atmosphères et est obtenue grâce à la position très élevée des châteaux d'eau par rapport aux points de distribution; ce n'est pas le château d'eau qui contient de l'eau à cette pression (normalement les réservoirs sont en communication avec l'air libre et l'eau y est donc soumise à la pression atmosphérique).
Voici un petit historique pour comprendre comment petit-à-petit cette conception de la pression atmosphérique est arrivée à s'imposer.
« Aristote ne parvint pas à peser l'air et les échecs se succédèrent jusqu'au XVIIe siècle. Galilée, interrogé sur l'impossibilité de pomper l'eau des puits à une hauteur de plus de 10 mètres, doit admettre que «la nature a une horreur modérée du vide», selon la théorie de l'époque. Evangelista Torricelli remplace l'eau par du mercure: la colonne n'est plus alors que de 76 centimètres, ce qui représente le même poids que 10 mètres d'eau. Il lui faut donc admettre que ce poids est équilibré par la pression de l'air, ou pression atmosphérique. Pascal pense que, si cette explication est la bonne, la colonne de liquide doit être moins haute en altitude puisque l'épaisseur de la couche d'air y est moins grande, ce que son beau-frère Florin Périer vérifie le 19 septembre 1648, entre Clermont-Ferrand et le sommet du puy de Dôme.»

Pour plus de détails sur l'atmosphère, l'ozone, l'effet de serre, voir la page complémentaire.

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hygrométrie: teneur de l'air en eau. Elle est chiffrée habituellement par l'humidité relative qui n'atteint cependant jamais 0 (absence absolue d'eau) dans la nature; la valeur 100 correspond à la saturation. Mais la quantité d'eau réellement présente dans l'air dépend bien sûr grandement de la température et de la pression. Plus on s'élève en altitude, plus la pression baisse et moins l'air contient d'eau, à température égale. On remarquera que les nuages, en altitude sont d'excellents indicateurs de la saturation. De la même façon, plus on s'abaisse en température, moins l'air contient d'eau, à température égale. En hiver l'humidité relative reste forte mais l'air est très sec. Une humidité relative de 70% à 80% est fréquente en France EN ÉTÉ. D'une façon très générale seuls les déserts on dont un air sec dont l'humidité relative ne dépasse pas 50%. Les 100% sont quasi permanents dans les pays tropicaux.

La mesure de l'hygromètrie est difficile, du fait de la variation simultanée de la pression et de la température. Les appareils les plus sûrs utilisent des méthodes spectrocopiques. Les appareils utilisant des cheveux où une baudruche sont assez fiables dans certains domaines de température et de pression.
Les météorologistes utilisent d'autres valeurs de l'humidité, notamment le rapport de mélange , c'est-à-dire, en grammes par kilogramme, le rapport de la masse d'eau à la masse d'air sec qui la contient, et l'humidité spécifique , qui exprime la quantité d'eau en grammes par kilogramme de l'air humide qui la contient. On utilise aussi parfois la notion de concentration en vapeur d'eau, ou humidité absolue, en exprimant le nombre de grammes d'eau sous forme de vapeur par mètre cube d'air du mélange considéré.
Le temps de résidence moyen d'une molécule d'eau dans l'atmosphère (temps moyen pendant lequel une molécule d'eau reste dans l'atmosphère) est considéré comme extrêmement court : il est de l'ordre de quelques semaines, quelquefois de quelques heures dans de l'air instable où des averses se forment de manière continue. Il peut atteindre sans doute plusieurs mois ou même des années si les molécules évaporées à la surface du globe ont été transportées dans la circulation stratosphérique ou ont pu franchir le niveau de la stratopause.

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conductibilité thermique: quelques valeurs (en cal.m^-3.h^-1.°C^-1 ou 1,1628 W.m^-1.K^-1) pour comparer (in Encyclopedia Universalis):

Ces valeurs, utilisées par les techniciens du bâtiment ne sont pas d'une grande utilité pour les biologistes. L'air en couche épaisse et pouvant circuler librement est un très mauvais isolant thermique. Il devient bien plus efficace, proportionnellement, en couche mince et emprisonné dans de petits volumes où les courants de convection ne peuvent pas s'établir. C'est bien évidemment ce qui est recherché dans les produits industriels isolants: mousses et panneaux de fibres...mais c'est aussi ce qui est réalisé dans la nature avec les fourrures ou les plumages.

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Comparaison entre l'eau et l'air (in Schmidt-Nielsen, p 14)

paramètre	eau	air	commentaire
concentration en dioxygène (à 15°C, en masse, pour une eau en équilibre avec l'atmosphère)	0,007%	0,209%	Pour 1 litre (1000 mL) d'air on a 209 mL de dioxygène soit 0,27 g (1L d'air pèse 1,293 g car la masse volumique de l'air est de 1,293 kg.m-3 ou g.L-1). Pour 1L d'eau (1000 mL) on a 7 mL de dioxygène soit 10 mg soit 100.000 fois moins que la masse d'eau (1.000.000 mg). Il y a donc bien une différence de masse inerte formidable entre les deux milieux. Pour obtenir 1 g de dioxygène il faut déplacer une masse 1.000.000 de fois plus grande pour l'eau alors que le rapport est un peu plus de 3 pour l'air.
coefficient de diffusion du dioxygène (cm2.s-1)	0,000025	0,198	l'oxygène diffusant beaucoup plus vite dans l'air que dans l'eau, le renouvellement du milieu peut être beaucoup plus lent dans l'air que dans l'eau. Les grands poissons ont besoin d'une nage active permanente pour extraire efficacement le peu de dioxygène de l'eau. Les filaments branchiaux ne peuvent être efficaces que s'ils sont agités en permanence ou si le milieu est renouvelé (milieu battu par exemple).
densité (kg.L-1)	1,000	0,0013
viscosité (à 20°C en centipoise = cP)	1	0,02
chaleur spécifique (cal.L-1.°C-1)	1.000	0,31
conductivité thermique (cal.s-1.°C-1)	0,0014	0,000057

Les différences physiques entre l'eau et l'air, dont les animaux sont tributaires, sont d'abord relatives aux propriétés respiratoires de ces deux milieux: à 18 °C, la capacitance* de l'oxygène est 29 fois plus grande dans l'air que dans l'eau, alors que celle du dioxyde de carbone est identique dans ces deux milieux. Elles touchent en second lieu aux propriétés mécaniques, essentiellement la viscosité et la densité, respectivement 60 fois et 800 fois plus grandes à 15 0C dans l'eau que dans l'air. Quant aux propriétés qui assurent la dissipation de la chaleur, elles apparaissent clairement à travers deux chiffres: la capacité calorique de l'eau est 3 400 fois plus grande que celle de l'air, et sa conductivité calorique l'est 24 fois plus. De telles différences ne peuvent pas ne pas modifier le fonctionnement des organismes vivants. (in Encyclopedia Universalis, article"ANIMAL (RÈGNE) - Vie animale dans l'eau et dans l'air" de Pierre DEJOURS).
*Certains auteurs remplacent la solubilités des gaz dans l'air par le terme de capacitance définit comme le rapport entre la variation de la concentration de l'oxygène (ou du dioxyde de carbone, de l'azote, etc.) et la variation de sa pression partielle: elle mesure la capacité d'un milieu à contenir un gaz, en fonction de la pression partielle de ce gaz.

Chez beaucoup d'animaux aquatiques, la surface d'échanges externe est augmentée par le développement d'évaginations de la surface du corps, simples plissements des téguments ou bien branchies, qui peuvent être soit libres dans le milieu extérieur (par exemple, chez les larves de Batraciens), soit cachées dans une cavité palléale chez les Mollusques, dans une cavité branchiale chez les gros Crustacés et chez les Poissons.
Par contre, chez les Mollusques pulmonés, chez quelques Poissons, les Dipneustes, chez la plupart des Amphibiens et tous les autres Vertébrés, l'invagination de l'endoderme conduit à la formation de poumons, généralement aériens. Chez les Mammifères, les poumons sont subdivisés en alvéoles, particulièrement nombreux. Chez les Oiseaux, ils sont formés de tubes parallèles, les parabronches, d'où émergent radialement de petits canaux, les capillaires aériens, qui viennent au contact des capillaires sanguins.
La formation de poumons apparaît comme la seule possibilité offerte aux animaux, à l'exception des Insectes, pour pouvoir évoluer librement dans l'atmosphère, car la vie aérienne n'est possible que si deux conditions sont remplies: faible perte d'eau, échanges respiratoires suffisants. La peau des Reptiles, des Oiseaux et des Mammifères étant presque imperméable à l'eau, la seule perte d'eau importante s'effectue par la respiration pulmonaire; mais, grâce à la grande richesse de l'air en oxygène, la convection ventilatoire d'air et, par suite, la perte d'eau avec le gaz expiré, saturé de vapeur d'eau, sont faibles. La situation est toute différente chez les Amphibiens, dont la respiration cutanée est obligatoire: ou bien ils vivent plus ou moins immergés dans l'eau ou bien, s'ils sont aériens, leur peau devant être humide pour rester perméable aux gaz, ces animaux demeurent au voisinage des points d'eau ou tout au moins séjournent dans une atmosphère très humide.
Disposer d'une large surface d'échanges gazeux est une condition nécessaire aux animaux de grande taille; il est indispensable de surcroît que le milieu ambiant, au contact de cette surface, soit renouvelé. Chez certains Invertébrés, la convection de l'eau est assurée par les mouvements de l'animal ou par le battement de cils. Mais pour les animaux plus complexes, une convection massive du milieu externe est nécessaire. Chez les animaux aériens, la convection est bidirectionnelle , consistant en des mouvements de va-et-vient d'air, milieu léger, peu visqueux, dont la richesse en oxygène autorise un débit modéré. En revanche, l'eau, pour une tension d'oxygène donnée, contient beaucoup moins d'oxygène que l'air, si bien que le débit de convection chez les animaux aquatiques est relativement considérable. Par exemple, un Vertébré aérien ventile 20 à 30 litres d'air pour en retirer 1 litre d'oxygène, alors qu'un Poisson fait circuler 300 à 500 litres d'eau pour en extraire la même quantité. Mais une circulation si considérable pose des problèmes mécaniques particuliers aux animaux aquatiques, puisque l'eau est 800 fois plus dense et 60 fois plus visqueuse que l'air: une convection bidirectionnelle par va-et-vient d'eau, comme celle de l'air chez les Vertébrés supérieurs, nécessiterait un travail considérable. En fait, la seule solution possible réside dans un mécanisme de convection unidirectionnelle  de l'eau qui, entrant par la bouche et s'échappant par les fentes operculaires, s'écoule d'une manière presque continue à travers les lamelles branchiales.

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solubilité des gaz dans l'eau : "de l'air dans l'eau"
La quantité de molécules de gaz dissous dans l'eau dépend de la nature de chaque gaz, de la pression du gaz dans la phase gazeuse, de la température et de la présence d'autres substances dissoutes.
On doit aussi savoir que le dioxyde de carbone est beaucoup plus soluble que le dioxygène dans l'eau, à température et pression égale (à 15°C sous 1 atm, on dissous 31,1 mL de dioxygène et 1019,0 mL de dioxyde de carbone dans 1L d'eau). Dans une bouteille d'eau gazeuse non encore ouverte, il règne une pression de 2 à 3 atm (2 à 3.105 Pa). C'est la grande solubilité du gaz carbonique qui est responsable des bulles. Si l'on chauffe le liquide (un bière tiède !) le gaz s'échappe fortement car la solubilité diminue avec l'augmentation de température (à l'inverse des solides qui sont souvent plus solubles dans les liquides quand on élève la température : faites fondre du sel dans de l'eau froide et chaude et comparez).
La pression du gaz dans l'eau est souvent appelée tension. Comme pour les pressions partielles dans un mélange de gaz, la pression partielle du mélange gazeux en solution dans l'eau est la somme de toutes les tensions. Quand la pression extérieure diminue, les gaz dissous dans l'eau ont tendance à quitter la solution (débouchez votre bière). Si l'on fait le vide, on extrait la totalité des gaz du liquide.
Dans les eaux naturelles le dioxygène de carbone ne reste pas en solution mais entre en équilibre avec les ions carbonates et bicarbonates présents eux-même en solution. Un eau "dure" (on dit aussi calcaire) contient par exemple de grande quantité d'hydrogénocarbonate de calcium (Ca²⁺ HCO₃^2-). Ces ions réalisent un effet tampon qui atténue les variations de concentration en dioxyde de carbone dissous qui se trouve donc habituellement proche de la valeur obtenue à l'équilibre avec l'atmosphère. Ce n'est que dans des conditions particulières de pression (grottes: stalactites et stalagmites) ou de température (évaporites) que les carbonates précipitent et donnent des dépôts calcaires. Cependant il faut noter que la quasi-totalité des dépôts de calcaires connus (y compris les calcaires de précipitation et d'évaporation cités plus haut) mettent en jeu des processus biologiques avec notamment des bactéries. On pensera aussi aux innombrables coquilles calcaires des invertébrés.

transport de particules par le vent
Le diagramme de Hiulström présente les conditions expérimentales de transport des particules par un fluide en mouvement:

Diagramme de Hjulström présentant les conditions (empiriques) de transport de particules par un fluide en mouvement (eau ou air).
(la zone brune correspond au domaine où les forces électrostatiques entre particules sont importantes).
Sur le côté gauche sont portées des indications approximatives de vitesse de vent (voir échelle de Beaufort ci-dessous). On considère habituellement qu'une particule éolisable (susceptible d'être transportée par le vent) est comprise entre 0,03 et quelques millimètres de diamètre. Les particules inférieures à 0,1 mm étant transportées en suspension, les particules comprises entre 0,1 et 1 mm étant transportées par saltation, les particules de diamètre supérieur étant roulées ou déplacées par reptation.

Echelle de Beaufort (hauteur standard de 10 m au-dessus d'un terrain plat découvert)			vitesse		pression (kg/m2)
degré de l'échelle		effets produits par le vent	m/s	km/h
0	calme	calme, la fumée s'élève verticalement	0 à 0,2	<1	0 à 0,15
1	très légère brise	la direction du vent est révélée par le sens de la fumée mais non par la girouette	0,3 à 1,5	1 à 5	0,16 à 0,50
2	légère brise	on perçoit le souffle du vent sur le visage, une girouette ordinaire est mise en mouvement	1,6 à 3,3	6 à 11	0,51 à 2
3	petite brise	les feuilles et les petites branches sont constamment agitées, le vent déploie les pavillons légers	3,4 à 5,4	12 à 19	3 à 5
4	jolie brise	le vent soulève la poussière et les papiers, fait mouvoir les petites branches	5,5 à 7,9	20 à 28	6 à 8
5	bonne brise	les arbustes en feuilles se balançent, des vaguelettes crêtées se forment sur les lacs ou les étangs	8 à 10,7	29 à 38	9 à 12
6	vent frais	les grandes branches bougent, les fils télégraphique bougent, l'usage des parapluies devient difficile	10,8 à 13,8	39 à 49	13 à 20
7	grand frais	les arbres entiers sont agités, il est pénible de marcher contre le vent	13,9 à 17,1	50 à 61	21 à 30
8	coup de vent	les petites branches des arbres sont brisées	17,2 à 20,7	62 à 74	31 à 45
9	fort coup de vent	le vent peut endommager les constructions légères (cheminées et ardoises arrachées)	20,8 à 24,4	75 à 88	46 à 60
10	tempête	cas rarement observé à l'intérieur des terres, graves dégâts aux constructions	24,5 à 28,4	89 à 102	61 à 85
11	violente tempête	très rarement observé, ravages étendus	28,5 à 32,6	103 à 117	86 à 120
12	ouragan	principalement observé dans les régions à cyclone, exceptionnellement sous nos latitudes	32,7 et plus	118 et plus	121 et plus

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L'air sensible
voir	De nombreux organismes (animaux, bactéries) sont sensibles aux infra-rouges (fossettes réceptrices des serpents...) et aux ultra-violets (œil à facettes des insectes...). Le bleu du ciel et le rougissement du soleil à l'horizon sont dues aux absorptions et aux diffusions des rayons lumineux solaires par les gaz de l'air. une grande cuve parallélépipédique d'eau contenant quelques gouttes de lait (jouant le rôle de molécules diffusantes) est éclairée par un fort spot de lumière blanche. Dans la direction du plus grand axe la lumière est rouge-orangée (couleur moins diffusée) alors qu'elle est bleutée sur les côtés de l'aquarium (bleu très diffusé). Cette maquette proposée par André Giordan et Françoise et Jack Guichard dans "Des idées pour apprendre" (Z'Editions, p 246) a le gros défaut de remplacer l'air par de l'eau. Dans l'air la lumière, peu atténuée est captée par les plantes qui utilisent l'énergie solaire. L'air est aussi le milieu le plus propice à la vision, nocturne ou diurne. L'oeil humain n'est sensible qu'aux radiations du domaine du visible (voir cours je vois). Les illusions d'optiques sont dues à traitement erroné de l'information par le cerveau.
entendre	La vitesse de propagation, ou célérité, d'un son dans un milieu élastique possède une propriété remarquable: elle ne dépend que du milieu considéré et de son état de température et de pression; elle ne dépend pas du son qui se propage, de sa nature, de sa fréquence ou de son intensité (sauf dans le cas d'ébranlements très violents, comme les explosions). Dans l'air à la température ordinaire, la célérité du son est de l'ordre de 340 m/s. C'est parce que le vent est cause d'une célérité inhomogène qu'il « porte » le son. Cependant, les ondes sonores peuvent aussi « contourner » les obstacles, ce qui correspond au phénomène ondulatoire de diffraction. Si la longueur d'onde de la vibration est grande par rapport à l'obstacle, cet obstacle perturbe à peine la propagation. La longueur d'onde des sons audibles varie entre 17 mètres (pour un son de 20 Hz) et 17 millimètres (pour un son de 20 000 Hz): un obstacle de dimensions intermédiaires peut donc porter « ombre acoustique » sur les sons de fréquence élevée, il peut être « contourné » par les sons de fréquence grave. Les composantes de fréquence élevée d'un son complexe sont le plus facilement arrêtées par des obstacles. (in Enceclopedia Universalis, article "acoustique") la vitesse des sons est faible dans l'air Les animaux communiquent souvent dans l'air par des sons et des ultra-sons. L'oreille est un organe des sens particulièrement sophistiqué qui permet d'entendre des sons (voir cours: j'entends) mais aussi de les comprendre, grâce au cerveau. Les sons sont émis par les cordes vocales chez l'homme (voir cours je parle ). L'écho-location, pratiquée par certains oiseaux (martinets d'Asie...) mammifères aériens (chauve-souris) et aquatiques (cétacés, dauphins...) utilise les ultra-sons. Par exemple les chiroptères à activité nocturne et parfois crépusculaire qui se nourrissent d'insectes, les repèrent en vol et dans l'obscurité, par un système d'écholocation très perfectionné qui leur permet aussi d'éviter les obstacles. Les ultra-sons peuvent être émis à une cadence de 200 par seconde, avec une fréquence de 50 à 120 kilocycles par seconde, d'une durée très courte, souvent de l'ordre de la milliseconde. Il est à noter que ce système comprend donc à la fois un émetteur d'ultra-sons (cordes vocales) et un récepteur (oreilles aux pavillons fort développées).
sentir	l'air est plein de molécules odorantes naturelles
	les odeurs, parfums exhalés par les plantes et les animaux en milieu aérien sont autant de signaux de communication. Le nez est l'organe de l'odorat humain (voir cours). Certains animaux ont un odorat si développé qu'ils reconnaissent une molécule émise par un animal très éloigné (voir des expériences historiques de Favre par exemple sur les insectes : femelle du grand Paon de nuit...) Toutes les expériences visant à faire prendre conscience aux enfants des capacités de leur odorat sont intéressantes. les lotos des odeurs, particulièrement (quelques pistes vues avec les PE2 sur les boîtes tactiles, transposables aisément)

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l'air porteur ou moteur
voler : l'air porteur On peut sans hésiter affirmer que c'est bien les animaux volants mais aussi les différentes formes planantes végétales qui ont inspiré l'homme à essayer de réaliser des machines volantes (aéronautique: naviguer dans l'air). L'aérodynamique (la sciences des mouvements dans l'air) est une science extrêmement complexe et nos incursions ne pourront tout au plus que donner l'envie aux élèves d'approfondir.
activement: voler avec des ailes	Le vol nécessite de grandes surface portantes. Les exemples les plus classiques pour ce qui est des mécanismes passifs ce sont les expansions et autres ballonnets (pollen de pin, graines-fruit de l'érable, akènes de pissenlit...) favorisant une dispersion par le vent (anémophile). Pour ce qui est des mécanismes actifs les trois modèles principaux étant l'aile d'insecte (papillon, libellule, mouche....), les expansions de la peau (grenouilles, reptiles volants et chiroptères: chauves-souris), et enfin l'aile des oiseaux avec les plumes.
passivement : se laisser porter, se laisser emporter, planer...
in Encyclopédie Universalis, article "vol animal"		La stabilité en tangage n'est pas assurée par un empennage indépendant chez les Oiseaux, Ptérosaures et Chiroptères évolués, mais par des artifices employés aussi sur les ailes volantes (d'après Pennycuick). En a : cambrure réfléchie, région grisée (bord de fuite) avec déflexion vers le haut (ailes volantes Fauvel et chauves-souris planantes). En b : voilure en flèche avec déflexion, les régions marginales grisées ont une incidence négative (ailes volantes Horten et oiseaux en plané rapide). En c : extrémités d'ailes à dièdre négatif, régions marginales (grisées) à déflexion vers le bas (ailes volantes Northrop, oiseaux et chauves-souris).   Voir un travail sur l'apparition du vol chez les oiseaux et les ptérosaures dans le cadre de l'évolution.
Quelques exemples du livre "Avions de papier", Idées Usborne, 1992 modèles à décalquer p 30	* le carré volant: comment plier une feuille de papier en carré et modifier ensuite ses caractéristiques pour améliorer son vol: p 4 et 5: notions de surface portante, bord d'attaque et stabilisateurs; vol plané, décrochage et piqué. * l'écureuil volant: p 8-9; une fois les principes du vol plané acquis cet exemple constitue une bonne application	* le petit voltigeur: p 14-15; un avion capable de voler rapidement et de faire des figures (en S avec virages latéraux sur l'aile, en boucle....) * la mouette: p 16-17: un modèle assez complexe qui met en application les principes vus dans le petit voltigeur...
L'adaptation au vol touche l'ensemble de l'organisme, tant au point de vue anatomique (disposition des organes) que physiologique (fonctionnement, notamment énergétique).
flotter et se déplacer avec des gaz = l'air moteur
l'argon et les autres gaz inertes de l'air ne sont quasiment pas utilisés par les organismes vivants	La vessie natatoire (ou vessie gazeuse) des poissons Téléostéens (aussi bien marins comme la morue, que d'eaux douces comme l'anguille) stocke des gaz dont parfois de grandes quantité d'azote et de gaz rares. Elle assure la flottabilité passive.

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L'air nourricier
comment les êtres vivants respirent-ils ?
Comment les échanges de gaz (respiratoires mais aussi nourriciers nécessaires à la photosynthèse) se font-ils dans les différents groupes d'organismes ? Avant de pénétrer dans l'organisme vivant qui est fondamentalement aqueux (environ 60 à 80% d'eau), les gaz sont toujours dissous dans l'eau. De là ils peuvent diffuser dans l'organisme. Certains, pour faciliter les échanges ont des surfaces externes (branchies) ou internes (poumons, trachées...) très développées. A l'intérieur des "grands" organismes les gaz sont transportés par des pigments respiratoires (principalement l'hémoglobine) au sein de l'appareil respiratoire. La respiration de nombreux organismes en milieu aérien peut se faire par un seul orifice assurant à la fois l'entrée (inspiration) et la sortie (expiration) de l'air. La masse inerte d'azote à déplacer et bien plus faible que la masse d'eau (voir comparaison eau/air). Cependant le renouvellement de l'air met en jeu de nombreux mécanismes "astucieux" (sacs aériens et poumons tubulaires des oiseaux, trachées des insectes...). Tous les types biologiques respiratoires possibles ne sont pas représentés ci-dessous.
par taille et type d'organismes		par milieu
		dans l'eau	dans l'air
un "tout petit" organisme: - une cellule (bactérie-microbe ou unicellulaire) - un champignon (un filament composé d'une file de cellules: le mycélium)			les "tout petits" organismes ne survivent pas dans l'air sauf sous une forme de résistance comme les spores (elles ont une vie ralentie: leur respiration n'est pas mesurable).
les "grands" organismes (composés de nombreuses cellules)	plantes	les algues vertes sont classées dans les unicellulaires ainsi que la plupart des algues rouges les algues brunes sont souvent émergées (zone de balancement de marées) mais respirent par diffusion des gaz comme les petits organismes qui vivent dans l'eau les mousses vivent en milieu humide et les échanges de gaz se font par diffusion.	ex: fougères, plantes à fleurs
	animaux (les schémas correspondent à des coupes transversales)	Les branchies sont des surfaces d'échange de gaz spécialisées entre le milieu extérieur (l'eau) et le milieu intérieur (sang, circulant dans l'appareil circulatoire). C'est l'appareil circulatoire qui distribue les gaz aux cellules. ex: moule (invertébré), poisson (vertébré: les branchies sont dans une cavité et sont protégées par un opercule) Remarque: certains insectes aquatiques respirent avec des trachées mais font des provisions d'air en surface avant de plonger.	Les poumons sont des surfaces d'échange de gaz spécialisées en forme de sac. C'est encore l'appareil circulatoire qui distribue le gaz aux cellules. ex: escargot, grenouilles, serpents, oiseaux, mammifères Remarque: certains animaux en milieu humide mais aérien ne respirent que par la peau sans avoir de surface réellement spécialisée (ex: lombric...)
			Les trachées des insectes sont des tubes extrêmement fins qui amènent directement les gaz aux cellules (ils sont d'ailleurs pleins d'eau à leur extrêmité, là où se font les échanges de gaz entre l'air et le milieu intérieur). L'appareil circulatoire a alors un rôle moindre dans le transport des gaz respiratoires.
l'hémoglobine et le transport des gaz par le sang
Ce n'est pas la quantité de dioxygène présent dans l'air qui reflète sa disponibilité. C'est essentiellement sa pression partielle qui dépend de la température, de la pression (et donc de l'altitude) et aussi de la composition en autres gaz. Pour des organismes unicellulaires l'oxygène qui diffuse plus ou moins vite (voir comparaison eau/air) est distribué dans toutes les parties de la cellule facilement. Pour les pluricellulaires, des appareils circulatoires prennent en charge les gaz respiratoires.
les échanges gazeux au niveau des surfaces d'échange (poumon, trachées) se font en présence d'eau (film d'eau).
Chez tous les vertébrés le pigment respiratoire rouge : l'hémoglobine (protéine à fer) est contenue dans des cellules : les globules rouges. Une molécule d'hémoglobine (4 chaînes protéiniques de globine et 4 atomes de fer) prend en charge 4 molécules de dioxygène à l'aller (des poumons aux tissus) et une molécule de dioxyde de carbone au retour (des tissus aux poumons). D'autres pigments respiratoires existent chez les invertébrés. On trouve de l'hémoglobine particulière chez certains végétaux : elle fixe le dioxygène pour permettre la réalisation de réactions chimiques sans cette molécule qui dans une cellule est un poison violent.
se nourrir avec des gaz
Du point de vue chimique, le dioxygène, dans la respiration, sert d'accepteur d'électrons à la fin de la chaîne respiratoire (le dioxygène, plus des électrons plus des protons (H+) donne de l'eau dite métabolique). C'est le célèbre bilan valable aussi bien pour la respiration que pour la photosynthèse: C6H12O6 + 6 O2 <=> 6CO2 + 6H2O + chaleur (voir cours sur la nutrition)
La pression partielle de dioxyde de carbone est très faible dans l'atmosphère (0,03% soit 0,031 kPa ou 0,23 mm d'Hg). En même temps que la plante fait entrer son dioxyde de carbone elle perd beaucoup d'eau (évapo-transpiration). Certaines plantes ferment leur stomates (orifice d'entrée et de sortie des gaz de la feuille) le jour, lorsque l'humidité est faible, et ne les ouvrent que la nuit, lorsque l'humidité est maximale (et donc que les pertes en eau sont moindre). Elles doivent alors stocker le dioxyde de carbone qui servira aux réactions de synthèse le jour.
Le diazote est utilisé par certaines bactéries comme source de matière azotée : ces bactéries comme notamment les cyanophycées ou bactéries bleues sont parfois associées (association à bénéfices réciproques = symbiose) avec des plantes supérieures (Légumineuses (engrais vert), fougères) ou des champignons (certains lichens).
boire en milieu aérien
Dans l'air humide (mais aussi chaud, ce qui fait que c'est surtout dans les pays tropicaux que l'on observe le phénomène : voir hygrométrie) certaines plantes captent l'eau par leur racines, leurs tiges ou leurs feuilles (certaines plantes épiphytes : qui vivent sur d'autres organismes végétaux - du grec "épi"="au-dessus"). Par exemple les fougères du genre Platyceras (cornes de cerf), des Orchidées ou autres Broméliacées que l'on trouve chez les fleuristes. Pour voyager on peut aller visiter la partie supérieure du pavillon tropical d'Océanopolis.

l'air hostile - la vie sans air

Un organisme capable de se développer en présence du dioxygène atmosphérique est un aérobie (aérobie est un adjectif dont le substantif est aérobiose: c'est un organisme qui vit en aréobiose). Les organismes capable de croître en absence de dioxygène sont dits anérobies (capables de vivre en anarobiose). Parmi les aérobies, certains organismes dépendent du dioxygène pour vivre, ils sont donc aérobies obligatoires (ils utilisent le dioxygène dans leur respiration, comme les plantes et les animaux). D'autres ne nécessitent pas ce dioxygène, ils utilisent un autre élément (une substance organique ou minérale dans leur respiration). Ils sont dits aérobies aérotolérants s'ils acceptent quand même la présence de dioxygène dans le milieu et anaérobies stricts ou obligatoires dans le cas contraire (ils meurent alors ou cessent de se développer en présence de dioxygène). On connaît même des organismes (qualifiés de microaérophiles) qui nécessitent une concentration de dioxygène inférieure à sa valeur dans l'air. Les bactéries présentent ces 5 types possibles, tout comme les unicellulaires. Les champignons sont principalement aérobies sauf certains qui, comme les levures, sont souvent aérobies facultatives. Les plantes et les animaux sont presque tous aérobies obligatoires. Ces distinctions peuvent paraître complexes et sans beaucoup d'intérêt au niveau des écoles et pourtant il existe de nombreux mécanismes accessibles au primaire où les bactéries ou les unicellulaires anérobies interviennent. En voici quelques exemples:

La conservation des aliments par la technique des "conserves" nécessite d'emprisonner dans une boïte en métal hermétique les aliments à conserver après avoir détruit les micro-organismes à la chaleur. La durée et la température de chauffage dépendent des microorganismes que l'on désire tuer. Ainsi on considère qu'il n'y a plus de spore de Clostridium botulinum vivante après 2,5 min à 121°C (en supposant une population de départ de l'ordre de 1000 milliards de spores...). conditions approximatives de stérilisation par la chaleur humide nom forme vivante forme de résistance (spores) levures 5 min à 50-60°C 5 min à 70-80°C moisissures 30 min à 62°C 30 min à 80°C bactéries 10 min à 60-70°C 2 à plus de 800min à 100°C 0,5 à 12 min à 121°C inactivation de virus 30 min à 60°C en supprimant au maximum l'air (si un peu d'air est emprisonné lors de la confection de la conserve il a contenu de la vapeur d'eau à 100°C et on estime que la plupart des micro-organismes ont été tués). Les seules bactéries qui pourraient encore se développer (SI LA BOÎTE N'EST PAS ABÎMÉE ET OUVERTE ACCIDENTELLEMENT) sont des bactéries anaérobies quelques procédés de conservation des aliments principe exemple de technique diminuer la disponibilité en eau de l'aliment pour que les organismes ne puissent pas se développer salage (ajout de sel) ajout de sucre (confiserie) élimination de l'eau séchage lyophilisation (séchage par pompage de l'eau sous vide) inactivation thermique, partielle ou totale des micro-organismes réfrigération, congélation pasteurisation * LHT (low tempertaure holding): 62,8°C prndant 30 min. (lait, bières, jus de fruits...) * HTST (high temperature short time): 71°C, 15 s * UHT (ultra high temperature) 141°C, 2s: lait irradiation UV (radiations ionisantes) ou RX

La fosse septique...voir page sur l'eau

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Bulles (in E.U. article "interface", voir aussi La mousse, François Graner, La Recherche, 345, septembre 2001, 46-49)
Si de l'air barbote dans de l'eau, les bulles formées au sein du liquide crèvent en arrivant à la surface; mais, si l'eau contient un agent tensioactif, les bulles sont stables et s'amassent pour former une mousse. Ces mousses sont particulièrement stables dans le cas des savons qui donnent des films suffisamment rigides et résistants.

Les bulles sont stabilisées par le savon dont les molécules forment un film résistant (voir schématisation d'une molécule de savon ci-dessous).

On appelle colloïde un mélange de deux fluides dont l'interface est très grande et forme alors de petites particules (environ 0,5 micromètres de diamètre). Ces colloïdes sont soit des sols (dispersions de solides dans les liquides - par exemple: les peintures; les boues), soit des aérosols (dispersions de solides ou de liquides dans des gaz - par exemple: le brouillard, les laques cosmétiques, les fumées), soit encore des émulsions (qui sont des dispersions de liquides dans des liquides - par exemple: le lait, la mayonnaise). Les colloïdes sont instables et pour éviter la séparation des phases on ajoute des "agents de mouillage" qui diminuent l'énergie à l'interface entre les deux fluides. Ce sont les stabilisants, émulsionnants, tensioactifs, détergents ou surfactants.
Ces agents de mouillage sont en général formés d'une chaîne hydrocarbonée, la queue, et d'une tête polaire ou ionique . La queue n'a pas d'affinité pour les molécules d'eau de l'environnement, elle est hydrophobe.  La tête, par contre, agit fortement avec de l'eau (interaction dipôle-dipôle ou ion-dipôle) et elle est solvatée: elle est hydrophile.

Détergents et savons sont des "agents mouillants" (voir texte).
Le savon de Marseille est un savon de sodium, le savon noir, un savon de potassium.

C'est cette différence entre la tête et la queue qui confère au surfactant la propriété de s'adsorber à une interface donnée pour diminuer la tension superficielle. Par exemple, le produit tensioactif, s'il est introduit dans un mélange eau-huile, va se placer de telle sorte que les queues hydrophobes de ses molécules seront repoussées par le liquide alors que les têtes hydrophiles seront dans l'eau. Au repos, les liquides sont séparés par densité, leur interface est plane, et le détergent se fixe sur cette interface, la tête vers l'eau . Si l'on agite l'ensemble et que la concentration en détergent est suffisante (concentration micellaire critique), il y a formation de gouttes entourées de surfactant appelées micelles.
De façon générale, l'agent tensioactif se fixe à l'interface du côté du liquide qui le mouille le mieux. Dans le cas des savons, où la tête est large, l'émulsion est constituée de gouttes d'huile dans l'eau . De plus, s'il s'agit d'un savon de soude (un savon est un sel de sodium d'acides gras obtenu par action de la soude sur l'acide gras), la tête est ionisable (l'ion alcalin passe en solution) et ainsi les gouttes chargées négativement se repoussent, ce qui évite toute coalescence. En modifiant la nature et la taille de la tête ou de la queue des molécules, il peut se produire une inversion de l'émulsion: par exemple, les forces agissant sur les queues peuvent tendre à déformer l'interface jusqu'à la faire «se retourner», on obtient alors des gouttes d'eau dans l'huile.
Un corps tensioactif peut également conférer à un liquide un pouvoir mouillant vis-à-vis du solide s'il peut s'y lier. C'est ainsi qu'un détergent, dont la queue hydrophobe peut adhérer au tissu, va également se fixer sur les particules de graisse déposées sur celui-ci. Les têtes hydrophiles tendent à se repousser et ces particules de graisse peuvent ainsi se détacher des tissus: c'est le principe des lessives.
Pour traiter les eaux usées par exemple, on cherche à déstabiliser ces films et à réaliser la coalescence des bulles en neutralisant leurs charges négatives par adjonction de cations (sels d'aluminium ou de fer): c'est la floculation ou coagulation.

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