L'effet de serre: tout ce que vous avez toujours voulu savoir sans oser le demander

[yves25]

A la réflexion, j'ai sans doute eu tort d'employer le mot de thermalisation apparemment.
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[invite0e8aa380]

A la réflexion, j'ai sans doute eu tort d'employer le mot de thermalisation apparemment.

Bonjour,

Je ne suis pas sûr d'avoir compris tous les échanges récents.

La thermalisation, est-ce finalement le bon terme pour décrire le phénomène : absorption d'un photon > énergie cinétique (chaleur) > ré-émission d'un photon à une T un peu différente de l' At d'aborsption ?

Sur la notion d'équilibre thermodynamique local (ECL), peux-tu dire en deux mots ce qu'elle décrit et pourquoi elle est nécessaire à la compréhension de l'ES ?

Quand tu dis par ailleurs :

Il y a une part de transformation chaleur apportée par convection => refroidissement par rayonnement

Quel est le bilan réel sur Terre pour une masse d'air chaud et humide 'idéale" ? Il y a plusieurs transferts d'énergie qui se superposent (la convection-advection du chaud vers le froid, les changements de phase de l'eau en chaleur latente due à vaporisation-condensation, le rayonnement IR qui est lié à l'ES). En terme dynamique, qu'est-ce qui se passe quand on change l'ES et le bilan radiatif avec plus de GES ?

[Amanuensis]

La thermalisation, est-ce finalement le bon terme pour décrire le phénomène : absorption d'un photon > énergie cinétique (chaleur) > ré-émission d'un photon à une T un peu différente de l' At d'aborsption ?

Pour moi thermalisation veut juste dire "absorption d'un photon > énergie thermique". Et cela s'applique surtout pour l'absorption d'un rayonnement incident de caractéristique spectrale très différente de celle du corps noir pour la température du corps absorbant, et plus particulièrement quand le spectre incident est "plus énergétique", i.e., d'un spectre dont le mode est d'une longueur d'onde plus petite que celle du mode du spectre du corps noir pour la température du corps absorbant.

Dans l'effet de serre "usuel", le rayonnement solaire (5800 K) est thermalisé par la surface à, (exemple), 290 K, et le rayonnement infrarouge émise par la surface est thermalisé de nouveau à une température plus faible par l'atmosphère, jusqu'à la couche émettrice dont une partie du rayonnement n'est plus affecté, s'échappant vers l'espace.

La première thermalisation (5800 K à 290 K) peut se voir au bilan en système stationnaire (terme que j'aurais dû employé plutôt que l'ambigu "équilibre"), très grossièrement, comme la "conversion" d'un photon incident en (5800/290) = 20 photons.

J'aime bien cette approche, parce que je vois le phénomène comme une "chute": le rayonnement "tombe" de 5800 K à 250 K (en gros), et l'effet de serre est comme un barrage qui retient un moment le débit dans sa chute à une "hauteur" intermédiaire.

Très incidemment (et hors sujet), cela s'applique aussi au vivant, qui est "motorisé" par cette chute, comme un moulin à eau l'est par la descente de l'eau le long d'une rivière. La photosynthèse est une manière de "retenir" l'énergie solaire à une "hauteur" intermédiaire, concrétisée par l'énergie chimique du couple (CH2O)n+n O2.

[yves25]

En réponse à Piot21 (croisement des messages)

Effectivement, c'est peut être de là que vient le malentendu.Ceci dit, l'énergie cinétique des molécules d'un gaz, c'est bien de la chaleur, non?
Mais l'essentiel est bien dans ce que tu décris:

absorption d'un photon > énergie cinétique (chaleur) > ré-émission d'un photon à une T un peu différente de l' At d'aborsption ?

Stricto sensu, la loi de Planck s'applique aux systèmes en équilibre thermodynamique global, c'est à dire tels que les échanges de chaleur sont en équilibre et les températures égales en tous points. C'est pour ça qu'on dit que c'est l'état de la matière à l'intérieur d'une enceinte fermée.
L'équilibre thermodynamique local (ETL) s'en distingue en ceci que la température n'est pas uniforme et qu'elle peut varier dans l'espace et dans le temps. La définition de WIKI me semble très claire (mais pas nécessairement pour tout le monde et c'est ça le but de cette discussion)

l est utile de différencier équilibre thermodynamique global et local. En thermodynamique, les échanges à l'intérieur d'un système et avec l'extérieur sont contrôlés par des paramètres intensifs. Par exemple, la température contrôle les échanges de chaleur. L’équilibre thermodynamique global (ETG) signifie que ces paramètres intensifs sont homogènes dans tout le système, tandis que l’équilibre thermodynamique local (ETL) signifie que ces paramètres peuvent varier dans l'espace et le temps, mais que cette variation est tellement lente que pour tout point, on suppose qu'il existe un voisinage en équilibre autour de ce point.

Si la description du système suppose des variations très importantes de ces paramètres intensifs, les hypothèses faites pour définir ces paramètres intensifs ne sont plus valables et le système ne sera ni en équilibre global, ni en équilibre local. Par exemple, une particule a besoin d'effectuer d'un certain nombre de collisions afin de parvenir à l'équilibre avec son environnement. Si la distance moyenne qu'elle aura parcourue la déplace hors du voisinage dans lequel elle tentait d'entrer en équilibre, elle ne parviendra jamais à l'équilibre, et il n'y aura pas de ETL. La température est, par définition, proportionnelle à l'énergie interne moyenne d'un voisinage en équilibre. Vu qu'il n'y a plus de voisinage en équilibre, la notion même de température n'a ici plus de sens.

En pratique, la loi de Planck s'applique tant que les transitions par chocss entre molécules l'emporte largement devant les transitions radiatives.
Autrement dit tant que les niveaux sont peuplés suivant la loi de Botzmann.
Dans l'atmosphère terrestre, c'est le cas jusque au moins 40 km d'altitude.

[yves25]

Pour moi thermalisation veut juste dire "absorption d'un photon > énergie thermique". Et cela s'applique surtout pour l'absorption d'un rayonnement incident de caractéristique spectrale très différente de celle du corps noir pour la température du corps absorbant, et plus particulièrement quand le spectre incident est "plus énergétique", i.e., d'un spectre dont le mode est d'une longueur d'onde plus petite que celle du mode du spectre du corps noir pour la température du corps absorbant.

Dans l'effet de serre "usuel", le rayonnement solaire (5800 K) est thermalisé par la surface à, (exemple), 290 K, et le rayonnement infrarouge émise par la surface est thermalisé de nouveau à une température plus faible par l'atmosphère, jusqu'à la couche émettrice dont une partie du rayonnement n'est plus affecté, s'échappant vers l'espace.

Précisément, l'effet de serre concerne l'atmosphère. Donc, la thermalisation au sens d'une transformation d'un rayonnement incident beaucoup plus énergétique concerne la surface. et n'est pas véritablement en cause , j'ai eu un abus de langage.
Quoique.. Tu empoies quand même cette expression

le rayonnement infrarouge émise par la surface est thermalisé de nouveau à une température plus faible par l'atmosphère

C'était ainsi que je l'employais moi même mais ça semble prêter à confusion par rapport à l'usage habituel.

[Amanuensis]

ça semble prêter à confusion par rapport à l'usage habituel.

Je ne comprends pas. Je n'y vois pas d'ambiguïté. ??

Je prends du sable noir au soleil: il chauffe disons à 330 K (ça brûle les pieds), il émet le rayonnement thermique correspondant, une partie de l'atmosphère à 300 K est irradiée par ce rayonnement et l'absorbe (au moins en partie), et donc le thermalise à 300 K. Où est la confusion, ou le risque de confusion?

PS: Peut-être l'idée que le rayonnement à 300 K était "déjà thermique" et donc le "thermaliser" devient bizarre? Mais le rayonnement solaire est aussi (essentiellement) un rayonnement thermique. Et il me semble qu'on évite la "bizarrerie" en précisant "thermalisé à telle température", quand la température n'est pas implicite.

[yves25]

L'ambiguité, c'est ce qui t'a conduit à me répondre "non pas un photon mais beaucoup de photons" .
lors que dans l'exemple que tu viens de donner, on ne peut plus dire ça: les énergies incidente et émises sont peu différentes et c'est donc presque un photon émis pour un photon absorbé. On est d'accord là dessus?
Sinon, maintenant, il me semble qu'on se comprend bien.

[Amanuensis]

lors que dans l'exemple que tu viens de donner, on ne peut plus dire ça: les énergies incidente et émises sont peu différentes et c'est donc presque un photon émis pour un photon absorbé. On est d'accord là dessus?

Oui et non. La présentation est "vraie", mais, pour moi, met l'accent au mauvais endroit, sur le "presque", sur le "peu différent". Alors que pour moi le point important est que c'est différent, que c'est strictement plus que un photon. Du un pour un n'est pas de la thermalisation (en particulier pas irréversible). (Et je ne vois pas cela comme du pinaillage, cf. explications dans les messages précédents.)

PS: Pour ""non pas un photon mais beaucoup de photons", il me semble que le contexte n'était pas une faible différence de température, mais incluait au moins la thermalisation du rayonnement solaire ; c'est cela que j'avais en tête en intervenant.

[yves25]

PS: Pour ""non pas un photon mais beaucoup de photons", il me semble que le contexte n'était pas une faible différence de température, mais incluait au moins la thermalisation du rayonnement solaire ; c'est cela que j'avais en tête en intervenant.

OK, c'est ce que tu avais en tête , je comprends bien.
Je ne pinaillais pas non plus, j'essaie d'être clair (au final sinon tout de suite): la thermalisation à la surface, ce n'est pas l'effet de serre parce que ça, ça se passerait tout aussi bien avec une atmosphère transparente ou même pas d'atmosphère du tout.

[Nicophil]

Bonsoir,

En pratique, la loi de Planck s'applique tant que les transitions par chocs entre molécules l'emportent largement devant les transitions radiatives.

Oui ! Mais je dirais plutôt :
En pratique, la loi de Planck s'applique tant que les radiations par chocs entre molécules l'emportent largement devant les radiations transitives.

[Nicophil]

Pourquoi la neige fond plus rapidement près d'un mur ?

La neige ne fondra que lentement au soleil (la lumière solaire appartient au domaine de faible absorptivité de ce corps), mais fondra plus rapidement sous le rayonnement thermique d'un mur (le rayonnement thermique appartient au domaine de forte émissivité, donc de forte absorptivité).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_du...du_rayonnement

[yves25]

La neige réfléchit jusqu'à 80% du rayonnement solaire mais est un excellent absorbant (et donc excellent émetteur ) dans l'infrarouge thermique... mais cela n'a aucun rapport avec l'effet de serre.
Quant à ta propsition

En pratique, la loi de Planck s'applique tant que les radiations par chocs entre molécules l'emportent largement devant les radiations transitives.

elle me paraît ..pas très bonne: qu'est qu'une " radiation transitive".. à moins quz ça ne soit une sorte de blague???

[Nicophil]

Radiation de transition si tu préfères. Que je réserve aux transitions électroniques entre niveaux discrets.
Pour moi, le spectre continu des autres radiations rend incongru d'utiliser "transition", que je réserve pour les raies spectrales.

[Nicophil]

La neige réfléchit jusqu'à 80% du rayonnement solaire mais est un excellent absorbant (et donc excellent émetteur ) dans l'infrarouge thermique... mais cela n'a aucun rapport avec l'effet de serre.

Le gaz à effet de serre transmet XX% du rayonnement solaire mais est un excellent absorbeur (et donc excellent émetteur) dans l'infrarouge thermique...

[noir_ecaille]

Questions...

Le CO₂ a la réputation d'être plus lourd que l'air ambiant, donc de s'accumuler dans la partie inférieure/basse d'une cave par exemple. Vrai ou faux ?

Quelles relations en ozone et effet de serre -- puisqu'en été on a des alertes à l'ozone (et je me fous que ce soit dû à la pollution ou à l'éternuement de ma grand-mère) ?

Si l'eau est un gaz à effet de serre, est-ce ça qui expliquerait le rôle tampon thermique et caloporteur des courants océaniques ?
Et si on avait des océans de CO₂, mêmes effets ? Nonobstant un éventuel emballement vénusien, c'est juste pour comprendre.

Quel est le rôle des aérosols dans l'effet de serre ?

[yves25]

Radiation de transition si tu préfères. Que je réserve aux transitions électroniques entre niveaux discrets.
Pour moi, le spectre continu des autres radiations rend incongru d'utiliser "transition", que je réserve pour les raies spectrales.

Mais ...les transitions de rotation et de vibration -rotation des molécules sont discrétisées elles aussi!!!
Il s'agit bien de raies spectrales ..alors que les transitions électroniques sont davantage des "bandes " que des raies parce que les transitions électroniques impliquent en même temps des transitions vibrationnelles et rotationelles

[Amanuensis]

Mais ...les transitions de rotation et de vibration -rotation des molécules sont discrétisées elles aussi!!!
Il s'agit bien de raies spectrales

Dans un gaz à elles sont étalées par le doppler, non? Si la séparation entre raies est petite devant la plage des doppler (déterminée par la température et la nature du gaz), le résultat est essentiellement "continu", non? N'est-ce pas le cas pour ces transitions dans les cas concernés par le contexte?

[yves25]

Il n'y a pas que l'élargissement Doppler; en fait la cause principale d'élargissement, ce sont les collisions. Cet effet est largement prépondérant dans la troposphère. Dans la strato, les deux effets sont du même ordre de grandeur et la forme de la raie spectrale est alors la convolutions des deux profils par collisions (profil de Lorentz) et profil Doppler. (c'est la forme de Voigt)

Ca ne donne pas plus un spectre continu que les transitions électroniques. Je ne suis pas chez moi et je n'ai pas un accès aisé au net mais il est facile de trouver des spectres à haute résolution: cherche AIRS et IASI qui sont deux spetroradiomètres embarqués sur les satellites meteo.

Evidemment, les raies ne sont pas isolées les unes des autres , elles se chevauchent plus ou moins mais la nature discrète est évidente.

[yves25]

Questions...

Le CO₂ a la réputation d'être plus lourd que l'air ambiant, donc de s'accumuler dans la partie inférieure/basse d'une cave par exemple. Vrai ou faux ?

Faux car l'air est toujours animé de mouvements à toutes les échelles , de la turbulence moléculaire à la convection profonde. Cela provoque un mélange permanent de l'air... sinon pourquoi donc l'oxygène ne serait il pas différencié de l'azote????

Quelles relations en ozone et effet de serre -- puisqu'en été on a des alertes à l'ozone (et je me fous que ce soit dû à la pollution ou à l'éternuement de ma grand-mère) ?

L'ozone est un gaz à effet de serre et son augmentation dans la troposphère donne un effet de serre additionnel alors que sa diminution dans la stratosphère donne l'effet inverse.

Si l'eau est un gaz à effet de serre, est-ce ça qui expliquerait le rôle tampon thermique et caloporteur des courants océaniques ?
Et si on avait des océans de CO₂, mêmes effets ? Nonobstant un éventuel emballement vénusien, c'est juste pour comprendre.

Ce n'est pas le rôle d'effet de serre de la vapeur d'eau qui compte là, puisque là, il s'agit d'eau liquide et ce qui compte ici, c'est la capacité thermique du liquide qui est environ 1000 fois celle de l'air. Alors si les océans étaient des océans de CO2 liquide (????) , sur ce plan là, et seulement celui là ça ne changerait pas l'essentiel.

Quel est le rôle des aérosols dans l'effet de serre ?

Sur l'effet de serre lui même, il n'est pas rigoureusement nul mais il est très faible. Ce n'est pas ça qui compte (voir mon dossier)

[invitee27c7201]

Bonjour,

Cela fait longtemps que je n'ai pas étudié le cycle de l'ozone, mais son action dans la troposphère est-elle significative dans le cadre de l'effet de serre ? Je pensais que le danger était principalement l'attaque des voies respiratoires et des yeux, des petits problèmes pour certains élastomères n'intégrant pas d'additifs propre à contrer son effet ou quelques plantes qui l'encaisseraient mal (sans parler d'une petite oxydation de matière métallique par exemple).

Et puisqu'on en est à discuter des relations avec l'ozone, prenons le dans l'autre sens : ce sont les UV qui réagissent sur certains précurseurs comme les gaz d'échappements et qui produisent l'ozone des "alertes à l'ozone", non ?
En clair, je pensais que l'ozone mettait en danger notre santé et venait d'un trop fort ensoleillement couplé à notre propre pollution industrielle/de transport/de chauffage, pas que l'ozone troposphérique augmentait l'effet de serre.
Si vous pouviez m'éclairer sur ce point

[Nicophil]

en fait la cause principale d'élargissement, ce sont les collisions. Cet effet est largement prépondérant dans la troposphère. Dans la strato, les deux effets sont du même ordre de grandeur

OK, d'où l'importance des deux dernières phrases de

En pratique, la loi de Planck s'applique tant que les transitions par chocs entre molécules l'emporte largement devant les transitions radiatives.
Autrement dit tant que les niveaux sont peuplés suivant la loi de Boltzmann.
Dans l'atmosphère terrestre, c'est le cas jusque au moins 40 km d'altitude.

Mais dans la première phrase :
1) Faut-il comprendre que les transitions par chocs ne sont pas des transitions radiatives ?
2) Le rayonnement par chocs peut donner un spectre discontinu ?

[yves25]

Bonjour,

......

L'un n'empêche pas l'autre. Les deux phénomènes sont complètement dissociés et n'ont rien à voir. L'ozone est un gaz qui absorbe dans l'IR (vers 9,3 µm), c'est donc un gaz à effet de serre. Les variations de sa concentration entraînent donc des variations de l'effet de serre mais cela dépend aussi de l'altitude ou plutôt du conbtraste de rtempérature avec la surface. Commpe l'ozone troposphérique est principalement situé dans les basses couches, son effet de serre est faible et le forçage radiatif correspondant aussi. Par contre, l'ozone stratosphérique a un effet de serre plus important et sa diminution implique un forçage négatif qui vient en soustraction de celui du CO2, CH4 N2O, CFCs et autres GES qui, eux , augmentent.

[invitee27c7201]

Mais compte tenu de ce que vous dites, et du fait que l'ozone troposphérique est probablement détruit très rapidement, est-il pertinent de prendre en compte sa contribution à l'effet de serre ? Ou n'y a-t-il que l'aspect santé qui rentre en jeu lors d'une "alerte à l'ozone" ?

[yves25]

OK, d'où l'importance des deux dernières phrases de

Je ne comprends pas ce que tu veux dire

Mais dans la première phrase :
1) Faut-il comprendre que les transitions par chocs ne sont pas des transitions radiatives ?
2) Le rayonnement par chocs peut donner un spectre discontinu ?

Les corps émettent comme ils absorbent, ou pour le dire plus rigoureusement: le coefficient d'émission est égal au coefficient d'absorption.
Le spectre d'absorption des gaz est généralement discontinu.

Une transition par choc, c'est l'interaction des champs éléctriques et des charges des molécules lorsqu'elles sont très proches Il s'agit d'interactions entre les moments dipolaires électriques ou éventuellement quadripolaires. Ca provoque
1 pour une molécule excitée , une désexcitation, c'est à dire un transfert d'une partie de l'énergie discrétisée de la molécule A en énergie cinétique , cad en chaleur. La partie qui nous intéresse ici correspond à l'énergie de rotation ou de vibration - rotation.
2 inversement, des molécules seront excitées, cad qu'elles vont capter une partie de cette énergie cinétique et la transformer en énergie discrétisée. Ceci n'est possible que si l'interaction entre les moments dipolaires des molécules est telle qu'elle corespond à l'une des variations d'énergie possibles d'une des molécules. C'est ainsi que les collisions peuvent concerner ar exemple une molécule de CO2 et une d'azote et que seule la molécule de CO2 transitera. Par contre s'il s'agit de collision CO2-CO2, l'une ou l'autre peut transiter suivant son état initial.

La désexcitaion s'accompagne de l'émission d'un photon.

La transition d'un état A à un état B par absorption ou émission d'un photon est radiative, la transition par chocs n'est pas radiative ...elle est ...par chocs mais la durée de vie de l'état excité est extrêmement courte

[yves25]

Mais compte tenu de ce que vous dites, et du fait que l'ozone troposphérique est probablement détruit très rapidement, est-il pertinent de prendre en compte sa contribution à l'effet de serre ? Ou n'y a-t-il que l'aspect santé qui rentre en jeu lors d'une "alerte à l'ozone" ?

Dans le cas d'une alerte à l'ozone , seul l'aspect santé est pris en compte bien sûr.
Par ailleurs, il ne semble pas que l'ozone troposphérique soit détruit si rapidement que ça car sa concentration a bel et bien augmenté.

[Nicophil]

Merci de ces réponses Yves, tout s'éclaire d'un jour nouveau, je vais y revenir...

Mais d'abord une question sur l'équilibre thermique : que faut-il pour que la neige exposée au rayonnement solaire soit à l'équilibre thermique ?

[yves25]

Merci de ces réponses Yves, tout s'éclaire d'un jour nouveau, je vais y revenir...

Mais d'abord une question sur l'équilibre thermique : que faut-il pour que la neige exposée au rayonnement solaire soit à l'équilibre thermique ?

Les transferts de chaleur sont

1 par conduction vers la surface sousjacente
2 par échanges avec l'atmosphère (turbulence, sublimation)
3 par rayonnement: absorption de rayonnement solaire, absorption de rayonnement IR, émission d rayonnement IR
4 fonte et regel dans la couche

Qu'est ce que j'oublie?

Mais ce n'est pas le sujet de cette discussion, je te suggère d'en ouvrir une autre éventuellement

[Nicophil]

Les corps émettent comme ils absorbent, ou pour le dire plus rigoureusement: le coefficient d'émission est égal au coefficient d'absorption.
Le spectre d'absorption des gaz est généralement discontinu.

J'en déduis donc que l'émissivité globale des gaz est généralement très faible.

Celle de la neige est très élevée (0,95 à 300 K), pourtant elle réfléchit 80% du rayonnement solaire, donc n'en absorbe que 20%.

[yves25]

J'en déduis donc que l'émissivité globale des gaz est généralement très faible.

Celle de la neige est très élevée (0,95 à 300 K), pourtant elle réfléchit 80% du rayonnement solaire, donc n'en absorbe que 20%.

Demande toi quelles sont les longueurs d'onde dans les deux cas

[Nicophil]

La transition d'un état A à un état B par absorption ou émission d'un photon est radiative, la transition par chocs n'est pas radiative ...elle est ...par chocs mais la durée de vie de l'état excité est extrêmement courte

Là j'ai appris quelque chose !
Je tenais pour acquis que les chocs participaient au rayonnement thermique donc j'étais persuadé que tu avais fait une sorte de lapsus en opposant les transitions par chocs et les transitions radiatives.
Désolé donc.