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L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

  1. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Dans un de ses messages sur le climat, Archi déclare que l'augmentation de l'effet de serre est dû à l'élargissement des raies.
    C'est faux. C'est une erreur fréquente mais c'est faux ou plus précisément, cet effet là existe mais il est marginal et sans lui, l'effet de serre augmenterait quand même.
    Je l'ai donc invité à lire attentivement le dossier que j'ai réalisé sur ce sujet
    Ce dossier commence par discuter de l'expression "effet de serre" .
    J'insiste sur le fait que pour coller au phénomène physqiue que l'on cherche à imager, l'analogie doit respecter le fait que les seuls échanges de chaleur possibles sont des échanges par rayonnement.
    Ni convection, ni conduction.
    Plaçons nous donc dans ce cas là.
    On a une fenêtre parfaitement étanche à l'air donc avec un simple vitrage.
    Que se passe t il ?
    La pièce dans laquelle on se trouve émet un rayonnement infrarouge , ce rayonnement est absorbé par le verre, le verre émet à son tour mais il est plus froid et il émet moins, il ya donc moins de perte que si il n'y avait pas de verre.
    C'est le fonctionnement de toute fenêtre bien fermée

    J'ai dit, le verre absorbe le rayonnement et émet. En fait le verre est parfaitement absorbant à toutes les longueurs d'ondes dans l'infrarouge.
    Alors pourquoi donc, un double vitrage isolera t il mieux ?
    L'absorption est totale avec une seule vitre , elle ne peut donc plus augmenter. Il y a saturation et pourtant le double vitrage isole quand même bien mieux que le simple
    Et je parle du double vitrage le plus simple , pas de celui qu'on appelle faiblement émissif.

    -----

    Dernière modification par yves25 ; 11/02/2017 à 20h14.
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  2. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
    Localisation
    le Haut Doubs
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    10 318

    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Les raies spectrales

    L'élargissement des raies spectrales a trois causes possible
    1 la durée de vie naturelle ou dit autrement l'incertitude sur le niveau d'énergie
    2 la vitesse des molécules et l'effet Doppler
    3 les collisions entre molécules
    Dans la troposphère et la stratosphère, c'est le 3e effet qui est prédominant
    L'augmentation de la quantité d'absorbant (ici le CO2) ne modifie pas la pression
    Les raies ne s'élargissent donc pas

    OK, on peut donc imaginer que ceux qui emploient cette expression veulent en fait parler des bandes d'absorption (cad la structure constituée par l'ensemble des raies spectrales) qui deviennent plus larges parce que des raies très faibles qui n'absorbaient pas ou très peu commencent à absorber. Ca, c'est un effet qui se produit bien mais il n'est pas essentiel du tout, entre autres parce que les bandes d'absorption restent de toute manière circonscrites à des intervalles spectraux restreints.
    La figure jointe montre la structure de la bande d'absorption du CO2 à 15 microns, pour deux quantités d'absorbant. Je la donne pour sonner une idée de ce qu'est une bande d'absorption
    Images attachées
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  3. meteor31bis

    Date d'inscription
    janvier 2009
    Localisation
    muret
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    673

    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Citation Envoyé par yves25 Voir le message

    OK, on peut donc imaginer que ceux qui emploient cette expression veulent en fait parler des bandes d'absorption (cad la structure constituée par l'ensemble des raies spectrales) qui deviennent plus larges parce que des raies très faibles qui n'absorbaient pas ou très peu commencent à absorber. Ca, c'est un effet qui se produit bien mais il n'est pas essentiel du tout, entre autres parce que les bandes d'absorption restent de toute manière circonscrites à des intervalles spectraux restreints.
    La figure jointe montre la structure de la bande d'absorption du CO2 à 15 microns, pour deux quantités d'absorbant. Je la donne pour sonner une idée de ce qu'est une bande d'absorption
    "pas essentiel du tout", à voir.
    voilà ce que raconte Raymond Pierrehumbert dans son bouquin "principles of planetary climate"

    "The key thing to note is that the absorption coefficient in the principal band centered on 675cm−1 decays exponentially with distance from the center. Hence, as the CO2 path is increased by a factor of 10, from 1/10 to 1 kg/m2, the width of the ditch within which the radiating temperature is reduced to cold stratospheric values increases only like the logarithm of the ratio of paths."
     

  4. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
    Localisation
    le Haut Doubs
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    10 318

    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Non ce n'est pas essentiel. Ce qui l'est c'est l'émission et sa dépendance en température. C'est pour ça que le double vitrage est une excellente illustration de l'accroissement de l'effet de serre et si on met une troisième vitre ça isole encore mieux.
    Dix secondes pour écrire une bêtise, parfois des heures pour montrer à tous que c'en est une...
     

  5. meteor31bis

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    muret
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    673

    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    bien sur que c'est essentiel et même fondamental, je ne comprends pas bien que tu aies un tel blocage à ce sujet et ce n'est pas nouveau.

    au centre des bandes, l'émission est celle du corps noir à la température minimale de l'atmosphère.
    si on ajoute de l'absorbant, la température ne peut pas descendre plus que la température minimale et l'émission ne change pas, il y a saturation au centre de la bande.
    ce n'est pas du tout le cas plus on s'éloigne du centre des bandes, où la température d'émission va baisser et où donc l'ES va augmenter.
    dans l'histoire du double vitrage, la température de la paroi extérieure change et donc l'émission change aussi.

    si pour reprendre ton exemple tu ajoutes 1000 vitres, tu n'as plus d'effet perceptible, tu satures.
     


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  6. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Red face Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Ravi de voir que j'ai vais enfin comprendre ce qui a été le coeur de mon metier.
    Sérieusement je suis content de voir une discussion qui aborde vraiment une question scientifique de fond.
    Tu dis que la paroi extérieure voit sa température diminuer. Quelle vitre ?

    Celle qui compte c'est la vitre extérieure c'est celle qui correspond au sommet de l'atmosphère non ?
    Alors pourquoi sa température diminuerait elle ?
    Dix secondes pour écrire une bêtise, parfois des heures pour montrer à tous que c'en est une...
     

  7. meteor31bis

    Date d'inscription
    janvier 2009
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    muret
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    je n'apprécie guère de discuter avec quelqu'un qui monte sur son piédestal, donc j'arrête là.
     

  8. Archi3

    Date d'inscription
    novembre 2011
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Citation Envoyé par yves25 Voir le message
    Les raies spectrales

    L'élargissement des raies spectrales a trois causes possible
    1 la durée de vie naturelle ou dit autrement l'incertitude sur le niveau d'énergie
    2 la vitesse des molécules et l'effet Doppler
    3 les collisions entre molécules
    Yves, tu devrais faire plus d'efforts pour essayer de comprendre ce que les gens veulent dire, il y a manifestement une incompréhension dans l'emploi du terme "élargissement".
    Reprenons pour ceux qui ne connaissent pas les bases de l'absorption du rayonnement (je ne parle pas de toi bien sur). L'équation de l'intensité lumineuse traversant une épaisseur de matière absorbant est (équation de transfert) qui a comme solution quand est constant (cas simple) , est l'épaisseur optique traversée (loi de Beer-Lambert) (je ne considère pas aussi la réémission qui joue un rôle quand la température du milieu n'est pas négligeable, dans ce cas il faut rajouter un coefficient d'émission et l'intensité ne tend plus vers zéro mais vers celle du corps noir à la température du milieu).
    Pour les faibles absorptions, ce qui signifie que la forme de la raie est juste proportionnelle au coefficient d'absorption : la raie garde toujours la même forme mais est juste plus ou moins prononcée. Il y a des causes physiques d'élargissement qui sont celles listées par Yves : elles jouent sur le coefficient et donc sur la forme des raies peu profondes (non saturées).

    L'élargissement dont je voulais parler est d'une autre nature (c'est aussi celui présenté par Skeptical Science) , c'est quand la raie devient saturée là où elle est la plus intense ( ) : dans ce cas l'intensité est quasiment nulle au centre (ou égale à celle du corps noir si on tient compte de la réémission). Rajouter de l'absorbant ne change rien car l'intensité a atteint sa valeur limite est l'absorption est maximale. En revanche dans les "ailes" de la raie ou l'épaisseur optique redevient faible (( ) la la raie continue à s'approfondir. La raie d'absorption va donc se déformer en s'élargissant car les différentes parties ne réagissent pas linéairement à la concentration. C'est de cet élargissement que je parlais quand je disais que rajouter du CO2 augmente l'absorption principalement en élargissant les raies, le fond étant quasiment saturé. Il y a en fait d'autres effets : d'abord il existe des raies faibles non saturées qui continue à s'approfondir linéairement, et puis le fait que l'altitude de la surface de dernière émission s'élève fait que le fond de la raie qui est a l'équilibre thermique avec le milieu devient plus froid donc plus faible : bien que saturée, la raie peut quand meme s'approfondir.

    De toutes façons l'effet est qu'il y a plus d'absorption à la fin dans les raies d'où le déséquilibre radiatif (moins de rayonnement réémis que celui reçu) qui donne le forçage.J'espere que tout le monde sera d'accord avec cette présentation.
     

  9. Archi3

    Date d'inscription
    novembre 2011
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    2 055

    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Citation Envoyé par yves25 Voir le message
    OK, on peut donc imaginer que ceux qui emploient cette expression veulent en fait parler des bandes d'absorption (cad la structure constituée par l'ensemble des raies spectrales) qui deviennent plus larges parce que des raies très faibles qui n'absorbaient pas ou très peu commencent à absorber. Ca, c'est un effet qui se produit bien mais il n'est pas essentiel du tout, entre autres parce que les bandes d'absorption restent de toute manière circonscrites à des intervalles spectraux restreints.
    La figure jointe montre la structure de la bande d'absorption du CO2 à 15 microns, pour deux quantités d'absorbant. Je la donne pour sonner une idée de ce qu'est une bande d'absorption
    c'est exactement ça, et ta figure le montre bien : ton spectre montre une transition rovibrationnelle de CO2, c'est à dire le changement d'un quantum de vibration et de ∆J = -1,0,ou1 quantum de rotation (d'où les multiples raies, les intervalles de rotation n'étant pas constant et dépendant du niveau de départ, la forme en cloche des structures latérales reflétant la distribution des niveaux de rotation à l'équilibre thermique). la bande rovibrationnelle centrale (correspondant à ∆J = 0 avec une seule énergie de transition quel que soit le niveau de départ) est saturée donc ne change pas, alors que les bandes rovibrationnelles ∆J = +1 ou -1 ne sont pas saturées et augmentent avec la concentration. Dans l'ensemble la raie s'élargit (si on la convolue avec d'autres causes d'élargissement le profil global apparaitra plus large).
    Mais je ne vois pas pourquoi tu dis que ce n'est pas essentiel, c'est une des causes du fait que l'absorption augmente, il y a aussi l'effet de température du fond des raies mais les deux contribuent.
     

  10. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Je vois que Meteor , comme d'hab préfère monter sur ses grands chevaux, c'est dommage . Tant pis.
    Archi, l'élargissement des raies dont tu parles n'étant pas celui qui correspond à sa définition, faut pas t'étonner de ne pas être compris, d'autant que ton affirmation que l'effet de serre est à cet effet est fausse. Il n'est pa dû à ça même si ça y contribue.
    de même quand tu parles de l'effet de la température sur le fond des raies. Pour moi et c'était mon job, ça ne veut rien dire.
    Pour comprendre que l'effet de serre ne sature pas et que l'élargissement dont tu parles n'est pas essentiel, il faut choisir un absorbant qui est déjà saturé
    Dans ce cas, il n'est pas question d'élargissement, c'est clair?

    On simplifie à mort et c'est le cas du verre
    La figure jointe schématise ce qui se passe avec une simple vitre ou avec deux, c'est facilement généralisable et on peut montrer que l'isolation augmente comme la racine quatrième du nombre de vitres.
    Si c'est ça que meteor appelle une saturation alors, on est évidemment d'accord. Là encore il faut s'entendre par ce qu'on appelle "saturation".
    Le pdf joint développe ça et en fait la démonstration jusqu'au triple vitrage.
    C'est très simple, il suffit d'accepter de lire ça éventuellement un crayon à la main.
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  11. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Dans la figure du message ci dessus, ll'atmosphère est rempacée par une puis deux couches de verre. La flèche jaune, c'est le rayonnement solaire qui traverse le verre sans être affecté.
    La température de 256 K est la température de l'équilibre radiatif. Qu'il y ait une , deux ou 1000 couches de verre, la température de la couche la plus externe est toujours de 256 K puisque c'est l'équilibre radiatif qui l'impose. Ce sont donc les températures des couches en dessous qui s'adaptent.
    Le simple fait que la température augmente avec deux vitres par rapport à une seul prouve que l'effet de serre ne sature pas puisque nous nous sommes placés dans le pire des cas en éliminant totalement la possibilité de l'élargisseement dont parles Arch.
    Dernière modification par yves25 ; 12/02/2017 à 10h48.
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  12. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Mais je ne vois pas pourquoi tu dis que ce n'est pas essentiel, c'est une des causes du fait que l'absorption augmente, il y a aussi l'effet de température du fond des raies mais les deux contribuent.
    Aujourd'hui, 09h41Archi3
    Je répondrai à ça mais si on n'avance pas progressivement, on ne se comprend pas . Donc voyons d'abord si le triple vitrage est bioen compris et voyons ce qu'il implique.
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  13. Archi3

    Date d'inscription
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    OK mais selon moi le parallèle avec la vitre est contestable pour plusieurs raisons. D'abord tu considères qu'elle est opaque à tous les rayonnements IR mais transparente dans le visible : physiquement, il y a forcément une bande d'absorption, et un coefficient d'absorption variant continument, donc des "ailes" partiellement opaques et dont l'opacité va varier avec le nombre de vitres (c'est l'équivalent du phénomène d'élargissement dont je parlais). Bon OK tu peux supposer que le spectre IR émis est entièrement dans la bande d'absorption saturée, mais justement ce n'est pas le cas pour l'atmosphère.

    Ensuite tu suppose que les deux cotés de la vitre sont à la même température comme si elle était infiniment conductrice: ce n'est pas le cas en réalité (suffit de toucher les deux cotés du vitrage d'une fenêtre !), et il faut calculer aussi le transfert à l'intérieur de la vitre. C'est aussi le cas dans l'atmosphère où la température varie le long de l'épaisseur, et on ne peut pas faire l'approximation T=cste meme sur "une épaisseur optique".

    Reprend la définition du forçage comme un déséquilibre radiatif si tu rajoutes du CO2 : comme il y a des fenêtres transparentes (ce qui n'est pas le cas de la vitre dans ton exemple), ces fenêtres ne sont pas modifiées par le CO2 et donc le flux reste constant (du à la température du sol). Donc si le flux total émis baisse (ce qui est nécessaire pour produire un déséquilibre), il faut forcément que les raies soient plus profondes et/ou larges , je ne vois pas comment éviter ça.

    Pour les vitres tu supposes qu'elles sont totalement opaques et donc elles émettent comme un corps noir : la baisse de rayonnement est due à la baisse de température superficielle quand tu rajoutes une vitre qui concerne l'ensemble du spectre. Mais dans l'atmosphère ça ne se produit que dans les raies où elle est opaque, et pas dans le continu , donc il y a bien une modification de la forme des raies.
     

  14. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    OK mais selon moi le parallèle avec la vitre est contestable pour plusieurs raisons. D'abord tu considères qu'elle est opaque à tous les rayonnements IR mais transparente dans le visible : physiquement, il y a forcément une bande d'absorption, et un coefficient d'absorption variant continument, donc des "ailes" partiellement opaques et dont l'opacité va varier avec le nombre de vitres (c'est l'équivalent du phénomène d'élargissement dont je parlais). Bon OK tu peux supposer que le spectre IR émis est entièrement dans la bande d'absorption saturée, mais justement ce n'est pas le cas pour l'atmosphère.
    J'ai cherché un spectre d'absorption type du verre dans l'infrarouge thermique mais je n'ai pas encore trouvé.
    Ca n'a d'ailleurs aucune importance puisqu'il s'agit d'une expérience de pensée en qq sorte.
    Tu peux toujours supposer que chaque vitre a une épaisseur de 1 ou 10 m si ça t'arrange et qu'elle est parfaitement conductrice.
    Ensuite tu suppose que les deux cotés de la vitre sont à la même température comme si elle était infiniment conductrice: ce n'est pas le cas en réalité (suffit de toucher les deux cotés du vitrage d'une fenêtre !), et il faut calculer aussi le transfert à l'intérieur de la vitre. C'est aussi le cas dans l'atmosphère où la température varie le long de l'épaisseur, et on ne peut pas faire l'approximation T=cste meme sur "une épaisseur optique".
    Même remarque.
    Ne fais pas de fixation sur cette histoire d'élargissement. Au moins pas pour le moment, on y reviendra après.
    As tu compris comment l'isolation augmente avec le nombre de vitres ?
    Dernière modification par yves25 ; 12/02/2017 à 12h47.
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  15. yves25

    Date d'inscription
    décembre 2005
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    Re : L'effet de serre est il dû à l'élargissement des raies d'absorption ?

    Archi fait une fixette sur l'élargissement . C'est embêtant parce que c'est l'arbre qui cache la forêt et quand on fait une fixette on a beaucoup de peine à s'en débarasser.
    On va y revenir mais pour le moment poussons donc le raisonnement qui consiste à attribuer l'effet de serre au seul élargissment des bandes d'absorption, cad donc à l'absorption elle même.

    S'il en était ainsi, il n'y aurait donc aucun photon sortant de l'atmosphère au centre des bandes d'absorption du CO2 et inversement, il n'y aurait aucun photon arrivant à la surface aux grandes longueurs d'onde puisque le rayonnement solaire est essentiellement un rayonnement de courtes longueurs d'onde.

    Or, ce n'est pas du tout le cas comme le montre la figure jointe qui présente des enregistrements de spectres mesurés depuis la surface en deux endroits différents, en regardant vers le haut.
    Les spectres sont les courbes en traits pleins, les courbes en pointillés représentent la dépendance spectrale qu'aurait l'émission d'un corps parfaitement absorbant aux deux températures mentionnées.

    Deux lois physiques importantes

    1 La loi de Kirchoff dit que si un corps peut absorber du rayonnement électromagnétique à une longueur d'onde donnée, alors il émet à cette même longueur d'onde
    2 La loi de Planck précise la dépendance spectrale (en longueur d'onde) du rayonnement émis par un corps qui absorbe à toutes les longueurs d'onde et qu'on appelle un corps noir
    L'émission d'un corps quelconque est donc proportionnelle à la loi de Planck, le coefficient de proportionnalité est le coefficient d'absorption

    Les courbes en pointillés sont donc les fonctions de Plank aux deux températures.
    Le CO2 absorbe surtout vers 15 µm, en examinant ces courbes, on remarque immédiatement que pour cette longueur d'onde (c'est l'échelle du haut), le spectromètre observe pratiquement l'émission d'un corps noir à 300K, au contraire vers 10 µm, on est très loin parce que l'atmosphère est peu absorbante. Vers 15µm, on mesure donc la température de l'atmosphère très proche alors que vers 10 µm , on pourrait presque dire qu'on mesure la température de l'espace.
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