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

[Archi3]

Encore une fois NON. L'élargissement des raies est une manifestation d'un phénomène physique, ce n'est pas la cause de quoi que ce soit
Il témoigne de l'existence de l'effet de serre quand on observe depuis l'espace mais il ne l'explique pas.

je pense qu'on s'engagerait là dans une discussion philosophique sur la causalité, mais je voulais juste dire que le déséquilibre radiatif en présence de raies d'absorption ne pouvait se faire que si les raies étaient plus larges et profondes (parce que sinon je ne vois pas par quelle autre changement on pourrait baisser le flux IR émis ! ) Ca n'impliquait nullement encore une fois que le modèle d'atmosphère était une simple absorption sans réémission du flux émis par le sol, mais bon si tu veux absolument le croire, restons en là effectivement : je pense qu'on a très bien compris chacun ce que l'autre voulait dire maintenant !
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[yves25]

Je reviens sur ce sujet suite à un MP .
Quand j'ai ouvert cette discussion, je voulais essayer d'expliquer le mécanisme de l'effet de serre ce que je fais dans un dossier qui n'a pas suscité beaucoup de questions.
Expliquer, ce n'est pas s'adresser à des astrophysiciens mais à tout le monde.
J'ai saisi un prétexte, voyons ce qui ressort de cette discussion

1 "l'élargissement des raies" est une manifestation d'un mécanisme qui produit l'effet de serre .
Cette expression (élargissement des raies) en soi n'est d'ailleurs pas très claire à priori mais elle a sans doute été clarifiée dans la discussion.

2 Les mots clés du mécanisme de l'effet de serre sont absorption et émission .
Si on n'a pas en tête que les gaz qui absorbent le rayonnement émettent aussi et à la même fréquence et avec la même probabilité on ne peut pas comprendre l'effet de serre.

3 Les photons qui émergent de l'atmosphère ont été émis à un niveau de plus en plus élevé quand l'absorption augmente

4 Pour qu'il y ait effet de serre il faut et il suffit que la température de ce niveau diminue avec l'altitude

[invite5fc1946d]

Si tu mettais le lien vers le dossier en question ?

[Philou67]

Celui-ci peut-être ?

[yves25]

C'est bien ça, merci Philou !

[yves25]

Ménage fait: les chicailleries sur le double vitrage et les réponses qu'elles ont nécessitées ont été virées

[ceptix]

2 je n'ai pas de pb avec cette déformation du spectre , c'est évident mais comme explication c'est totalement incompréhensible pour la plupart des gens. Ca ne dit pas pourquoi il y a cette déformation.

Oui. Pour moi, c'est incompréhensible. Pourquoi le spectre du CO2 change-il? Le spectre du CO2 change t il lorsque la densité du CO2 augmente? Au niveau de chaque molécule de CO2, que se passe t il pour que le spectre du CO2 change? Naïvement, je pensais que le spectre du CO2 était un invariant du CO2 quel que soit sa densité. Apparemment, je me trompais. Mais je ne visualise pas pourquoi. Existerait-il une interaction entre deux molécules de CO2? Et cette interaction joue sur le spectre du CO2?

[yves25]

Essayons de répondre aussi brièvement et aussi clairement que possible.
1 il y a eu confusion chez certains intervenants entre raie d'absorption et bande d'absorption. Une bande d'absorption correspond
. à une transition électronique qui elle même contient des transitions de vibration qui elles mêmes contiennent des transitions de rotation
. ou encore pas de transition électronique mais une transition de vibration qui elle même contient des transitions de rotation (cad la molécule vibre un peu plus ou un peu moins en même temps que'elle tourne un peu plus ou un peu moins vite) .

Donc un très grand nombre de raies spectrales individuelles à l'intérieur d'un groupe. Si on ne dispose que d'un spectro basse résolution on ne distingue pas les raies individuelles .
Finalement, il s'est avéré que le pb concernait la structure basse résolution et donc les bandes
C'est important à distinguer parce qu'une bande d'absorption peut s'élargir parce que des raies qu'on ne voyait pas deviennent visibles alors que si on parle d'une raie isolée, ce n'est évidemment pas possible, elles peuvent s'élargir mais pour des raisons complètement différentes.

Donc pourquoi des raies jusque là invisibles deviennent visibles ?

C'est une question de statistique : toutes les transitions quantiques (delta J =0, ou +1 ou -1 sont possibles quelque soit J .. à la condition évidemment qu'il y ait des molécules dans l'état J
La probabilité d'avoir des molécules dans l'état J est donnée par la statistique de Boltzmann. Pour J élevé la probabilité est faible, elle augmente avec la température mais reste faible mais si on augmente aussi le nombre de molécules on rend de plus en plus probable ces transitions.

Dans le cas du spectre observé depuis l'espace, si l'absorption est forte, plus aucun photon issu de la surface n'arrive jusqu'en haut et ceux que l'on observe (à cette fréquence) proviennent donc de (sont émis par) la haute atmosphère mais pour les J élevés (mais aussi pour les états de vibration élevés), la probabilité de transition n'est plus assez élevée pour qu'aucun photon issu de la surface ne sorte , il en reste donc mais plus il y a de molécules absorbantes moins il sort de photons qui viennent de la surface et conséquemment plus il y en a qui viennent de qq part dans l'atmosphère et donc émis à une température inférieure)

Au niveau d'une molécule individuelle, rien donc n'a changé à la suite d'une augmentation de la concentration

[Tawahi-Kiwi]

Merci pour le résumé, j'ai bien lu le fil en son temps, et l'avais trouvé assez confu (avec manifestement un malentendu entre intervenants, mais pas clair a saisir). Ton dernier message clarifie mieux les choses et la distinction entre groupe de raies et bande absorbante.

Au niveau d'une molécule individuelle, rien donc n'a changé à la suite d'une augmentation de la concentration

Donc, en allant plus loin (arrete moi, quand c'est faux): au niveau d'une molécule individuelle, cela change quand il y a une augmentation de temperature (entre autres) et la largeur d'une raie est directement corelee.
Si la temperature est liée a la concentration, (l'ensemble des ?) raies individuelles s'elargissent (independemment de l'elargissement de la bande d'absorption qui me semble plutot etre d'ordre analytique).

Je suis evidemment habitue a des variations de conditions de temperature des ordres de magnitude differents des phenomenes climatiques, donc je me demande dans quelle mesure (semi-quantitiative) cet elargissement de raies suivant les conditions de temperatures peut varier (si on compte quelques degres de variation, est-ce vraiment significatif ?)

Deuxieme interrogation:
Est-il correct de dire qu'a concentration egale, l'absorbance integree sur une bande d'absorption (dont la largeur est definie sur base analytique) ne change pas, mais l'absorbance integree de l'ensemble (theorique) des raies d'absorption est directement correle avec la temperature.

Une autre maniere de formuler cette question (qui n'est peut etre pas tres claire): quelle est la relation (a concentration egale) entre l'elargissement des raies d'absorption et la bande absorbante? L'absorbance de la bande change t'elle?

T-K

[yves25]

Merci pour le résumé, j'ai bien lu le fil en son temps, et l'avais trouvé assez confu (avec manifestement un malentendu entre intervenants, mais pas clair a saisir). Ton dernier message clarifie mieux les choses et la distinction entre groupe de raies et bande absorbante.


Donc, en allant plus loin (arrete moi, quand c'est faux):

T-K

Bah, je ne sais pas trop si je ne dois pas t'arrêter tout de suite.

Pour une molécule unique (c'est évidemment une vue de l'esprit), une transition quantique (absorption ou émission) ça devrait être un pic de Dirac à la fréquence qui correspond à la différence des états d'énergie.
Ce n'est déjà pas le cas parce que la transition ne dure pas indéfiniment; elle s'amortit comme tout bon ressort . Cet amortissement se traduit dans le spectre ds fréquences par un étalement des fréquences : le Pic de Dirac se transforme en une courbe en cloche (la transformée de Fourier de la puissance émise ou absorbée)

Mais, en fait, on n'observe jamais une molécule unique. La raie que l'on observe est donc la superposition d'un très très grand nombre de Pic de Dirac transformée en courbe en cloche de largeur très fine en fait).
A priori on pense que toutes se superposent excatement mais ce n'est pas le cas parce que toutes les molécules n'ont pas exactement les mêmes états d'énergie et donc pas excatement la même différence et donc pas excatement la même fréquence (j'ai un pb avec exactement !!!) .
Pourquoi ça?
Pour deux raisons
l'effet Doppler (la translation des molécules due à leur agitation cinétique a généralement une composante dans la ligne de visée
Les collisions entre molécules : quand deux molécules passent à proximité l'une de l'autre, leur dipôles électriques agissent sur les charges de l'une et de l'autre. Les états d'énergie sont donc modifiés . Si cette modification est trop forte, la transition radiative s'arrête et l'énergie radiative est transformée en énergie cinétique donc en chaleur.

Voilà les trois causes principales d'élargissement des raies de celle qui l'élargie le moins à celle qui l'élargit le plus (les collisions). Ce sont des courbes en cloche dans les trois cas.
Dans l'atmosphère terrestre, les collisions sont prédominantes jusque vers une quarantaine de km pour le CO2.

Quand on observe un spectre, les raies individuelles sont souvent à peine identifiables par leur pic, les ailes (les côtés de la cloche) se mélangent.

Est ce que l'absorptance de la bande dépend de la largeur des raies : oui sauf pour les raies très faibles pour lesquelles en fait, il n'y a pratiquement pas d'aile de raie, il ne reste pratiquement que le pic

[JPL]

oui sauf pour les raies très faibles pour lesquelles en fait, il n'y a pratiquement pas d'aile de raie

Ou d’aileron de requin

[ceptix]

Donc pourquoi des raies jusque là invisibles deviennent visibles ?
[....]
Au niveau d'une molécule individuelle, rien donc n'a changé à la suite d'une augmentation de la concentration

Dois je comprendre que les raies d’absorption d’une molécule de CO2 ne dépend pas de la concentration du CO2. Du moins à température et pression égale?

Par une expérience de pensée, je compare maintenant deux gaz (N2 à 79%+O2 à presque 21% +CO2) à la même température. Le CO2 du premier gaz, c’est une molécule de CO2 sur 1000. Et le CO2 du deuxième gaz, c’est le double, soit deux molécules de CO2 sur 1000. Toutes choses égales par ailleurs, y compris la pression et la température. Dans le volume considéré, cette expérience de la pensée postule que les mouvements de convection sont négligeables.

On envoie dans chacun des deux gaz, du rayonnement de type corps noir terrestre. Ce qui nous intéresse sont les infrarouges émis par le sol et correspondant aux raies du CO2. Il me semble que ce seront exactement les ondes des mêmes fréquences qui seront absorbées par le CO2 en cas de doublement du CO2? Ces ondes là sont évidement absorbées plus rapidement si la concentration du CO2 est double.

Je me risque à dire que, si je recommence la même expérience avec une autre pression, le résultat sera identique.

Jusque là est ce que je raisonne juste?

[yves25]

Dans cette expérience, tu ne considères pas le fait que les molécules de CO2 émettent à leur tour à la même fréquence
Si tu te limites à l'absorption, oui.
Pour une part il y a des propriétés inhérentes aux molécules (la fréquence et l'intensité du changement du moment electrique) et pour une part ça dépend du nombre de molécules, de la pression et de la température

[ceptix]

quand deux molécules passent à proximité l'une de l'autre, leur dipôles électriques agissent sur les charges de l'une et de l'autre. Les états d'énergie sont donc modifiés . Si cette modification est trop forte, la transition radiative s'arrête et l'énergie radiative est transformée en énergie cinétique donc en chaleur.

S’agit il ici d’un passage à proximité sans choc des deux molécules ? ( choc=collision. ok. ) Si c’est un passage de proximité entre deux molécules de CO2, je comprend bien qu’il peut exister une interaction à distance. A mon avis, un passage à distance entre CO2 et N2 ne donne pas lieu à une telle interaction car ils ne partagent aucune fréquences communes.

Lorsque que CO2 est une molécule sur mille, les interactions de deux CO2 à distance sont peu fréquentes. Il y aura mille fois plus souvent des chocs avec N2 ou avec O2. Quoique... Un peu plus que un sur mille puisque les passage à distance entre deux CO2 avec interaction, sont sûrement plus nombreux que les chocs entre deux CO2. Mais l’énergie ainsi échangée est infiniment moindre.

Dans un choc entre deux CO2, ou bien dans une interaction à distance entre deux CO2, il en résultera un transfert d’énergie entre les deux molécules de CO2. En moyenne, le résultat de telles interactions ou chocs me semble neutre en ce qui concerne les flux d’énergie liés au CO2.

J’ai bon ?

[yves25]

Ce que l'on appelle un choc, c'est cela, cad l'interaction entre les moments électriques des molécules . Il n'est pas question de choc mécanique au sens de deux boules de billard qui se télescopent, même si on utilise précisément le modèle des boules de billard pour calculer le temps de libre parcours moyen. Il s'agit donc toujours de passages à proximité plus ou moins proche.
C'est d'ailleurs pour cela que l'élargissement collisionnel des raies dépend de ce qu'il s'agit de collisions CO2 -CO2 ou CO2 -N2.

En moyenne, le résultat de telles interactions ou chocs me semble neutre en ce qui concerne les flux d’énergie liés au CO2.

Non puisque ce qui en résulte, c'est que ces molécules là absorbent à une fréquence très légèrement différente ce qui revient à élargir la raie spectrale . Exemple: au centre même de la raie cad pour l'absorption par les molécules qui ne subissent pas de collision à cet instant là, l'absorption est totale, qq molécules de plus ne change rien mais juste à la fréquence d'à côté, l'absorption n'est pas totale et ces deux molécules qui se sont télescopées ont justement maintenant un état d'énergie qui permet l'absorption de photons de fréquence très légèrement différente => on absorbe deux photons de plus.

[Tawahi-Kiwi]

Bah, je ne sais pas trop si je ne dois pas t'arrêter tout de suite.

, oui, en effet, j'ai recopie ta phrase, et utilise 'molecule individuelle' mais ce n'est pas exactement ce que je pensais

Merci pour le complement d'info

T-K

[ceptix]

C'est d'ailleurs pour cela que l'élargissement collisionnel des raies dépend de ce qu'il s'agit de collisions CO2 -CO2 ou CO2 -N2.

Les collisions CO2-N2 induisent ainsi des excitations de la molécule de CO2 sur certaines fréquences proches d’une des trois raies principales de la molécule de CO2. Cette molécule de CO2 ainsi excitée devient alors capable d’absorber ces fréquences là ou bien des fréquences proches de ces fréquences là.

Je me pose la question du devenir de cette nouvelle excitation de notre molécule de CO2. A la suite d’une collision CO2-N2, notre molécule devient excitée sur une fréquence supplémentaire. Comment notre molécule de CO2 perdra t elle son excitation sur cette fréquence là ? En absorbant un rayonnement incident sur cette fréquence là*? Ou bien en émettant «*naturellement*» des infrarouges sur cette fréquence là*? Ou bien notre molécule de CO2 aurait elle une tendance naturelle à transformer une excitation sur cette fréquence là en une autre excitation sur une autre fréquence propre plus fondamentale*? Ces questions que je me pose ici sur une excitation produite par une collision CO2-N2 ont-elles un sens*?

Je me pose les mêmes questions de ce qu’il advient des excitations produites par une collision CO2-CO2.

[yves25]

Les collisions CO2-N2 induisent ainsi des excitations de la molécule de CO2 sur certaines fréquences proches d’une des trois raies principales de la molécule de CO2.

Ca commence mal, il ne s'agit pas de raies mais d'ensemble de raies qu'on appelle des bandes d'absorption.
Si on n'emploie pas les bons termes , on a tôt fait de parler chacun de choses différentes et de ne jamais se comprendre.

Donc, lors des "collisions" , il y a interaction entres les moments électriques des molécules. Cette interaction se fait aux dépens de l'énergie cinétique des deux molécules.
Soit Le delta E correspondant correspond à un possible changement d'état d'énergie de l'une des molécules et le choc est inélastique. Pour cela, il faut d'abord que cette molécule soit dans un état initial E tel que il existe E1 = E+ delta E.

Supposons cette condition remplie , ce n'est pas du tout impossible compte tenu que le nombre de molécules à considérer est de l'ordre du nombre d'Avogadro, il y a donc du monde , même dans les queues des distributions statistiques mais évidemment, il faudra considérer les choses de façon relative, cad que ce nombre st quand même très faible par rapport aux niveaux les plus peuplés.

Supposons donc.
1 le niveau d'excitation est nécessairement l'un des niveaux possibles de la molécule
2 La molécule excitée ne le reste pas longtemps. Typiquement moins de 10^-8 secondes. Elle se désexcite
soit par émission d'un photon d'énergie delta E qui donnera une raie centrée sur la fréquence nu0 mais pas sous la forme d'un Pic de Dirac à cause des phénomènes dont je parlais plus haut
soit par une autre collision inélastique dans laquelle delta E est transformé en énergie cinétique, c'est le mécanisme par lequel l'absorption de rayonnement est transformé en apport de chaleur.

[ceptix]

2 La molécule excitée ne le reste pas longtemps. Typiquement moins de 10^-8 secondes. Elle se désexcite soit par émission d'un photon d'énergie delta E qui donnera une raie centrée sur la fréquence nu0 [...]

Le délai moyen entre deux collisions au niveau du sol terrestre est-il 10^-8 secondes ? Dans le cas sans collision, j’aimerai aussi savoir le délai moyen d’envoi d’une émission de photon par une molécule de CO2 excitée ? et le délai moyen d’émission d’un photon par une molécule de CO2 non excitée. Toujours au niveau du sol.

Au niveau du sol, à quelle cadence moyenne, ces photons seront ils émis par la molécule de CO2? Et quelle est leur fréquence ? J’ai compris que parfois, ces photons sont émis sur une fréquence proche de la fréquence nu0 de la molécule de CO2 ? Dans quels cas, les photons sont-ils émis par la molécule de CO2 sur une autre fréquence ? Toujours en restant au niveau du sol.

[yves25]

En gros, pour le CO2, les niveaux d'énergie sont peuplés par les collisions jusque vers 40 km d'altitude, cad une pression de l'ordre de 5 hPa . Pour cette pression, le peuplement radiatif (cad par absorption/émission) devient significatif
Ca donne qq chose comme 10^-5 secondes en ordre de grandeur.

Tu devrais quand même lire mon dossier

t le délai moyen d’émission d’un photon par une molécule de CO2 non excitée

Bah, faudra d'abord l'exciter ce qui lui prendra 10^-8 seconde et encore le même temps pour se désexciter

Au niveau du sol, à quelle cadence moyenne, ces photons seront ils émis par la molécule de CO2? Et quelle est leur fréquence ? J’ai compris que parfois, ces photons sont émis sur une fréquence proche de la fréquence nu0 de la molécule de CO2 ? Dans quels cas, les photons sont-ils émis par la molécule de CO2 sur une autre fréquence ? Toujours en restant au niveau du sol.

Bah encore : à la cadence de 10^8 émissions/absorptions par seconde
C'est quoi pour toi la fréquence nu0 ?

[ceptix]

C'est quoi pour toi la fréquence nu0 ?

La fréquence nu0 ? Apparemment, j'ai du mal comprendre ce que c'est. Le centre de la raie d'absorption ? non ?

autre question: quelle est l'intensité énergétique des rayons infrarouges de la bande d'absorption du CO2, venant du sol avant toute interaction avec les molécules de gaz ? donc au raz du sol.

Et quelle est cette même intensité énergétique théorique de ces mêmes infrarouges de la même bande de fréquences à 10 mètres de hauteur ? et à 100 mètres d'altitude ? à 1000 mètres d'altitude ? Du moins théoriquement en supposant une Atmosphère calme et immobile, et sans H2O dans l'air. Dans une expérience de pensée avec uniquement N2+O2+CO2 , et avec le CO2 à 400 ppm. Je redoute que le calcul numérique ne soit pas trivial. Des chiffres qui correspondraient à autre chose de différent mais dans le même esprit de variation avec l'altitude pourraient aussi me convenir.

[yves25]

La raie d'absorption, qu'est ce que c'est selon toi ?
J'ai peur que tu n'aies pas bien compris ce que j'expliquais plus haut sur les bandes et les raies.

Je vois beaucoup de questions qui mettent en évidence des incompréhensions et des lacunes .
Je veux bien répondre aux questions mais si on construit un mur en oubliant des fondations, ça va pas marcher très bien.
donc lis mon dossier , je répondrai aux questions qu'il suscitera mais si tu ne le lis pas, inutile que je me fatigue

Par exemple, cette question

quelle est l'intensité énergétique des rayons infrarouges de la bande d'absorption du CO2, venant du sol avant toute interaction avec les molécules de gaz

a une réponse évidente, c'est donné par la fonction de Planck dont on trouve l'expression un peu partout et des sites qui font même le calcul pour toi

et cette autre question

Et quelle est cette même intensité énergétique théorique de ces mêmes infrarouges de la même bande de fréquences à 10 mètres de hauteur ? et à 100 mètres d'altitude ? à 1000 mètres d'altitude ?

me donne à penser que tu n'as pas compris qu'il y avait nécessairement émission par les molécules du CO2
il y a donc absorption de ce qui est parti du sol depuis le sol jusque 10m 100 m ou ..
et émission depuis le sol et jusque 10m 100m ou ..
et pour le connaître, il faut connaître la température de l'air (celle du sol aussi d'ailleurs )
et là aussi, il y a des sites qui font le calcul pour toi mais pas forcément aux altitudes que tu veux