Radiation thermique gaz

[gts2]

Bonjour;

Sur les sites climato-réalistes (comme ils s'appellent), un des arguments est que le CO₂, gaz, n'obéit pas aux lois du corps noir.
Strictement parlant c'est bien sûr vrai, c'est au minimum un corps coloré, mais un gaz chauffé voit se peupler ses niveaux supérieurs et doit rayonner (ils disent que c'est masqué par les désintégrations non radiatives).
J'ai essayé de trouver qqch sur la radiation thermique des gaz et ai trouvé peu de chose (on trouve facilement des choses sur les flammes mais qui s'écartent assez vite du sujet).
Auriez-vous des références sur le sujet, et encore mieux sur la modélisation thermique du CO2 dans l'atmosphère.
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[coussin]

Je n'ai pas de réponse en détail mais je peux donner des éléments de réponse en général.
Il s'agit ici d'un gaz de molécules polyatomiques. Les modes d'absorption sont donc principalement des transitions rotationnelles et/ou vibrationnelles dans l'infrarouge proche/lointain (le spectre d'absorption de CO2 montre des bandes entre 1 et 10 microns par exemple ici https://physics.stackexchange.com/qu...rom-300-1100nm )
La question est maintenant sur les modes de désexcitation. Les désintégrations non radiatives que vous mentionnez sont principalement des collisions inélastiques. Dans de telles collisions, l'énergie absorbée est transférée au degrés de liberté de translation des molécules. Ce mode de désintégration mène donc à une augmentation globale de la température du gaz.
Il y a ensuite des modes de désintégration radiatives. Dépendant de la densité du gaz, il se peut que cette ré-emission soit ré-absorbée par d'autres molécules et donc "ne sort pas du gaz", j'espère être clair...
Je n'ai pas d'ordres de grandeur sur la part de désexcitations radiatives/non radiatives ni sur la probabilité de ré-absorption en fonction de la densité.
Personnellement, mon intuition est que effectivement les désexcitations non radiatives (elles dépendent de la densité également...) sont prépondérantes ce qui mène donc à un échauffement globale du gaz (je crois que c'est le sens de votre question, en relation avec des questions climatiques ?)

[gts2]

Merci pour la réponse.
C'est bien ainsi que je me représente le phénomène, est-ce que les désexcitations non radiatives changent qqch à l'expression du flux em sortant d'un nuage épais de CO2 ?
Et quelles sont les conditions pour retrouver les lois du rayonnement thermique (adaptées au cas d'un gaz) ?

[coussin]

Hmm je ne sais pas...
Encore une fois, je ne peux que donner quelques éléments de réponse peut-être pertinents (?)
Qui dit corps noir dit la possibilité d'absorber et ré-emettre à toutes fréquences.
Pour un gaz monoatomique, c'est loin d'être le cas. Une vapeur de sodium absorbe et émet des raies spectrales bien précises.
Pour un gaz moléculaire, c'est un peu mieux car l'absorption se fait maintenant dans des quasi-bandes de transitions rotation/vibration.
Pour des liquides/solides, tout change puisque l'absorption/émission se fait maintenant principalement par les phonons qui ont un spectre continu.

De ces considérations, je dirais qu'un gaz devrait "tendre vers un corps noir" pour des densités élevées (les collisions inélastiques deviennent prépondérantes et devraient tendre vers ce que ferait les phonons (?)). Il faut aussi qu'il soit "opaque" (je veux dire par là "optically thick", soit par une valeur élevée du coefficient d'absorption soit par une grande épaisseur de gaz à traverser).

Je me suis focalisé sur la caractéristique "spectre continu" du corps noir. Pour d'autres caractéristiques (telles qu'une puissance émise en T^4), je n'ai aucune idée...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sethy]

Je ne suis pas sûr d'avoir bien compris le débat.

Mais pour moi l'effet n'est pas lié à l'aborsption de l'énergie solaire par le CO2, mais bien un écrantage de la chaleur que la terre renvoit vers l'espace.

Voir ici le graphique sur cette page : https://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_%C3%A0_effet_de_serre

[gts2]

Pour être plus clair, un dessin :



On voit que l'atmosphère rayonne 240 W/m2 vers l'espace et ces 240 W/m2 sont calculés à partir d'un modèle de type corps noir, or l'atmosphère est très loin d'un corps noir, donc ce que je voudrai préciser c'est le "de type", quelle différence (émissivité , dépendance en longueur d'onde ... mécanisme, ...) avec le corps noir

[XK150]

Bonjour ,

https://www.geo.utexas.edu/courses/3...ures/chap2.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Outgoi...wave_radiation
https://news.climate.columbia.edu/20...lobal-warming/

[coussin]

Pour être plus clair, un dessin :

Pièce jointe 483675

On voit que l'atmosphère rayonne 240 W/m2 vers l'espace et ces 240 W/m2 sont calculés à partir d'un modèle de type corps noir, or l'atmosphère est très loin d'un corps noir, donc ce que je voudrai préciser c'est le "de type", quelle différence (émissivité , dépendance en longueur d'onde ... mécanisme, ...) avec le corps noir

Je pense que les liens donnés par XK150 répondent à cette question.
On prend une emissivité qui dépend de la fréquence qu'on choisit pour reproduire à peu près les spectres d'émission mesurés et une "température moyenne" ou plusieurs températures pour différentes portions du spectre.
Maintenant appeller ça un "modèle de corps noir" peut être sujet à caution On peut en effet fitter n'importe quel spectre d'émission avec un tel modèle (un vrai corps noir aurait une emissivité égale à 1 pour toutes les fréquences et une température unique...).
Mais inutile de se focaliser trop sur ce modèle puisqu'il est in fine basé sur des spectres mesurés par des satellites. Ces données mesurées sont, elles, fiables.

[gts2]

Les liens de @XK150 me paraissent un bon point de départ. Merci.

[Biname]

Salut,
La surface terrestre rayonne dans l'infrarouge (Stefan-Boltzmann), le CO2 absorbe mais aussi réémet une partie de ce rayonnement de nombreuses façons. Il faut se poser la question de ce qui change lorsque la quantité de CO2 présente dans l'atmosphère augmente(280 à 400ppm). Ce qui augmente c'est la quantité de rayonnement infrarouge en transit dans l'atmosphère due au CO2, une image simpliste : l'IR ce sont des patates chaudes que les molécules de CO2 s'échangent, plus il y a de CO2, plus il y a de patates chaudes.

Il ne reste plus qu'à quantifier

Emissions mondiales de CO2 par pays, tout configurable, 1750-2022, ici 2000-2021, Chine, Inde, France, UE28
https://ourworldindata.org/grapher/a...d+India%29~IND

Biname

[Kondelec]

Le fait que l’atmosphère ne soit pas un corps noir importe peu :
- Le rayonnement solaire véhicule une certaine quantité d’énergie, dispersée dans une large bande de fréquence. On peut éventuellement trouver plus de détails sur le web.
- Lorsque ce rayonnement traverse l’atmosphère une certaine partie possèdera une énergie similaire à des bandes d'absorption, par exemple dans l'UV pour l'ozone, le proche IR pour l'oxygène, un peu partout pour l'eau (qui est le principal gaz à effet de serre), et une partie est simplement diffusée.
- Cette quantité d’énergie absorbée est forcément émise à nouveau, avec une puissance identique. L'altitude à laquelle ce rayonnement est réémis dépend de la concentration du gaz, et de son coefficient d'extinction molaire (à la longueur d'onde considérée). La plupart des spectres d'absorption sont disponibles sur le site du NIST

[Kondelec]

Je ne suis pas sûr d'avoir bien compris le débat.

Mais pour moi l'effet n'est pas lié à l'aborsption de l'énergie solaire par le CO2, mais bien un écrantage de la chaleur que la terre renvoit vers l'espace.

Voir ici le graphique sur cette page : https://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_%C3%A0_effet_de_serre

C'est l'image que l'on donne couramment pour simplifier le phénomène, mais la réalité est plus complexe, d'ailleurs "l'effet de serre" n'existe pas réellement ; le terme est très mal choisi.
En réalité la différence tient simplement à la température équivalente de corps noir du fond du ciel, qui modifie l'équilibre thermodynamique avec le sol. Grossièrement le fond du ciel (lorsqu'il est bien dégagé) correspond à un corps noir à environ -80°C. Si on intercale une couche nuageuse entre les 2 le fond du ciel va par exemple passer à -20°C, donc le sol se refroidit moins.

[gts2]

Le fait que l’atmosphère ne soit pas un corps noir importe peu :
Cette quantité d’énergie absorbée est forcément émise à nouveau, avec une puissance identique.

Oui mais la température à laquelle elle est émise est telle que le rayonnement du corps noir à cette température donne bien cette puissance.

equation (8) p. 826 dans https://www.hprevot.fr/plus-subtil.pdf, on utilise bien la loi du corps noir pour l'atmosphère (de température T_A)
equation (29) p. 44 dans https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres...09/HDR_JLD.pdf, B\nu est explicitement la luminance du corps noir à la température du point x.

C'est cela que j'essaie d'éclaircir.

[Kondelec]

Non, une molécule donnée n'est pas en mesure d’émettre en dehors de ses bandes de résonance, et donc de produire un rayonnement continu type corps noir.

[gts2]

Dans le deuxième texte est à la fréquence \nu, donc on n'est pas dans le continu.
Dans le premier, oui, mais c'est un texte de présentation (disons un peu au delà de la vulgarisation).

Donc si on revient au deuxième, localement (en fréquence), peut-on utiliser le corps noir pour un gaz ? Et si oui, quelles sont les contraintes ?

[coussin]

On en revient aux liens du message #7.
De cette figure : https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Spectral_OLR.png
Est-ce que ça vous semble raisonnable de fitter à un corps noir pour les différentes gammes de fréquence ?

[Kondelec]

J'ai lu le passage en question, et il y a une erreur de raisonnement, ou plutôt une inversion de cause et d'effet : On ne peut pas modéliser une émission en prenant en compte une variation de température linéaire, la température est la conséquence du bilan radiatif, bilan pour lequel le mélange gazeux de l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement (solaire ou terrestre) , qu'il émet de nouveau, dans les mêmes bandes, ou dans des bandes de moindre énergie, mais discrètes.

[Kondelec]

On en revient aux liens du message #7.
De cette figure : https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Spectral_OLR.png
Est-ce que ça vous semble raisonnable de fitter à un corps noir pour les différentes gammes de fréquence ?

Attention, ici il ne s'agit pas du spectre d'émission de l’atmosphère, mais de ce qui traverse, on a donc un spectre proche du corps noir idéal, amputé de certaines bandes, causées par les gaz de l’atmosphère, et de certains éléments présents sur la couche externe du soleil.

[coussin]

Je relance ce sujet pour signaler une belle vidéo sur l'effet de serre : https://youtu.be/ewc8FBtEKPs?si=yB5VRe8t0eXt5KG6 qui reprend certains points exposés ici.
Et je signale aussi que cette chaîne Youtube "ScienceEtonnante" a reçu cette année la medaille du CNRS récompensant les travaux de vulgarisation

[gts2]

Attention, ici il ne s'agit pas du spectre d'émission de l’atmosphère, mais de ce qui traverse, on a donc un spectre proche du corps noir idéal, amputé de certaines bandes, causées par les gaz de l’atmosphère.

Ce n'est justement pas ce que l'on trouve dans la littérature sur l'effet de serre et le phénomène de saturation qui fait que l'atmosphère émet de plus haut donc pas à la même température.
D'où ma question initiale.
Cela ne peut pas être le spectre de la terre amputé par l'atmosphère puisque le CO2 saturant, il devrait y avoir carrément un trou, pas une simple diminution.

[FC05]

Oui, très bonne vidéo !

[Kondelec]

Ce n'est justement pas ce que l'on trouve dans la littérature sur l'effet de serre et le phénomène de saturation qui fait que l'atmosphère émet de plus haut donc pas à la même température.
D'où ma question initiale.
Cela ne peut pas être le spectre de la terre amputé par l'atmosphère puisque le CO2 saturant, il devrait y avoir carrément un trou, pas une simple diminution.

Je n'ai jamais prétendu que tout était coupé : Le rayonnement absorbé est émis de nouveau de proche en proche, une partie seulement est renvoyée vers le sol.
On trouve donc des zones d'absorption, mais le rayonnement n'est pas totalement coupé.

[gts2]

Donc on s'était mal compris on peut bien considérer que le gros est le spectre de la Terre à la température de la Terre et le trou est le spectre du CO2 à la température haute de l'atmosphère.

[Kondelec]

Pour donner une image facile a comprendre on peut imaginer un empilement de vitres (ou de lamelles de microscope pour ceux qui en ont déjà manipulé).
La lumière traverse le verre, environ 10% est réfléchi et 90% traverse. Sur la lamelle suivante on retrouve la même proportion.
Imaginons un empilement de 100 lamelles, de l'autre coté on devrait retrouver 90%^100 = 0.03% de la lumière incidente, pourtant on arrive facilement à voir au travers ; quel est donc ce miracle ?

[Kondelec]

Donc on s'était mal compris on peut bien considérer que le gros est le spectre de la Terre à la température de la Terre et le trou est le spectre du CO2 à la température haute de l'atmosphère.

Oui, mais le CO2 à cette température ne rayonne pas un spectre de corps noir, il ne peut rayonner quand dans un mode de vibration de la molécule. C'est ce que je dis depuis le début de cette conversation.

[gts2]

On peut imaginer un empilement de vitres ... Imaginons un empilement de 100 lamelles, de l'autre coté on devrait retrouver 90%^100 = 0.03% de la lumière incidente, pourtant on arrive facilement à voir au travers ; quel est donc ce miracle ?

Il n'y pas de miracle : on ne voit rien à travers.

[Kondelec]

C'est bien de répondre au culot, le plus souvent ça suffit à imposer le respect, mais parfois on tombe sur des gens qui vérifient...
Ci joint une photo d'une petite lampe de bureau à travers 100 lamelles couvre objet, et sans.

[gts2]

Avec une photo peut-être ?

[Kondelec]

et pourtant sur ma photo on voit encore le mur et la lampe à travers 100 lamelles. Les lois de l'optique seraient différente à Troyes ?

[gts2]

Bonjour,

La photo de "Troyes" (?) c'est UNE photo, on peut donc comparer avec et sans lames.
Vos deux photos sont prises avec HDR activé et saturation dans les deux cas au niveau de la lampe, donc difficile d'en tirer quelque chose.

Pour revenir au point de départ :
Quand je dis "Il n'y pas de miracle : on ne voit rien à travers.", c'est un peu forcé : c'est plutôt on ne verra pas grand chose à travers.
Pour ce qui est de "Imaginons un empilement de 100 lamelles, de l'autre coté on devrait retrouver 90%^100 = 0.03% de la lumière incidente." cela est le calcul sans tenir compte des réflexions successives comme vous le dites, en réalité cela s'approche des 10% (le "pas grand chose").