Fiche de révision : Rayonnement solaire et atmosphère

📋 Plan du Cours

1. Diffusion du rayonnement atmosphérique
2. Absorption moléculaire et ultraviolet
3. Absorption infrarouge atmosphérique
4. Émission infrarouge et effet de serre
5. Observation atmosphérique depuis l’espace
6. Imagerie infrarouge vapeur d’eau

📖 1. Diffusion du rayonnement atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion atmosphérique : Déviation dans différentes directions d’une partie du rayonnement qui interagit avec les particules et les molécules de l’atmosphère sans être entièrement absorbée.

★ À maîtriser

📌 La diffusion de Rayleigh concerne des diffuseurs beaucoup plus petits que la longueur d’onde, la diffusion de Mie des particules plus grandes que cette longueur d’onde, et la diffusion non sélective des particules beaucoup plus grandes que celle-ci.

📐 Formule - Pour la diffusion de Rayleigh, l’intensité diffusée est inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d’onde incidente : $I \propto \frac{1}{\lambda^4}$.

• La diffusion de Rayleigh privilégie les courtes longueurs d’onde, notamment le bleu, et explique la couleur bleue du ciel en journée.

Compléments

• La nature de la diffusion dépend de : la longueur d’onde du rayonnement, la densité et de la taille des particules et des molécules atmosphériques, l’épaisseur de la couche atmosphérique traversée

• La diffusion non sélective, notamment due aux gouttelettes d’eau des nuages et des brouillards, affecte toutes les longueurs d’onde et contribue à la couleur blanche des nuages.

💡 Astuce mémo

Rayleigh privilégie le bleu, Mie est moins sélective, la diffusion non sélective touche toutes les longueurs d’onde.

📖 2. Absorption moléculaire et ultraviolet

🔑 Notions clés & Définitions

• Absorption moléculaire : Se produit lorsqu’un photon fournit une énergie correspondant à une transition entre le niveau fondamental d’une molécule et un état excité.

★ À maîtriser

📌 Dans l’ultraviolet, l’absorption peut dissocier les molécules et présente généralement un spectre continu au-delà d’un seuil énergétique, tandis que l’absorption dans le visible, l’infrarouge et les micro-ondes est quantifiée.

• Les absorptions atmosphériques correspondent principalement à : la dissociation moléculaire dans l’ultraviolet, les transitions électroniques dans le visible, les vibrations dans l’infrarouge, les rotations dans les micro-ondes

Compléments

• Les niveaux énergétiques moléculaires sont associés à des états de :

  • rotation
  • vibration
  • configuration électronique

• Lors d’une absorption UV suivie d’une dissociation, l’excédent d’énergie du photon peut devenir l’énergie cinétique des produits, puis des réactions de recombinaison peuvent libérer de la chaleur.

• Les UV les plus énergétiques, de longueur d’onde inférieure à 170 nm, sont absorbés dans la mésosphère par N₂O et l’oxygène moléculaire, tandis que les UV moins énergétiques sont absorbés dans la stratosphère par l’oxygène moléculaire et l’ozone.

💡 Astuce mémo

UV dissocie, visible excite les électrons, IR fait vibrer, micro-ondes font tourner.

📖 3. Absorption infrarouge atmosphérique

★ À maîtriser

• Dans l’infrarouge, l’absorption moléculaire correspond à une transition depuis l’état fondamental vers un niveau de vibration discret, et une même molécule peut présenter plusieurs bandes d’absorption.

• Le CO₂ possède trois modes de vibration et son spectre présente des bandes d’absorption à 4,2 μm, associée à l’étirement asymétrique, et à 15,0 μm, associée à la flexion.

Compléments

• Les gaz cités comme absorbant dans l’infrarouge comprennent : le CO₂, la vapeur d’eau, avec des bandes à 2,5 et 6,5 μm, le méthane (CH₄), les CFC, le N₂O

• Les baisses d’émission concernent les bandes de :
  • la vapeur d’eau à 6,25 μm
  • l’ozone à 9,0, 9,6 et 14,3 μm
  • le gaz carbonique à 4,3 et 15 μm

📌 Selon le cours, les molécules diatomiques majoritaires N₂ et O₂ ne possèdent pas de moment dipolaire oscillant responsable de l’absorption infrarouge et ne sont donc pas des gaz à effet de serre.

📖 4. Émission infrarouge et effet de serre

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de serre : Résulte de l’absorption du rayonnement infrarouge terrestre par des gaz atmosphériques, suivie d’une réémission dans toutes les directions, dont une partie vers la Terre.

★ À maîtriser

• Le cours indique que le flux infrarouge descendant s’ajoute au flux solaire incident et permet à la température terrestre d’atteindre 15 °C, contre −18 °C en l’absence d’atmosphère absorbante.

• Le gaz carbonique est présenté comme l’un des principaux gaz à effet de serre, et l’évolution de sa concentration influe sur la température de la surface terrestre.

Compléments

• Le cours distingue trois facteurs de la température ressentie sur Terre :
  • la distance au Soleil
  • l’activité solaire
  • la composition des gaz qui entourent la Terre, associée à l’effet de serre

💡 Astuce mémo

Absorption du rayonnement terrestre → réémission infrarouge dans toutes les directions → flux descendant vers la Terre.

📖 5. Observation atmosphérique depuis l’espace

★ À maîtriser

• Les satellites météorologiques permettent d’observer en permanence les radiations émises ou réfléchies par la surface du globe.

• IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), mis au point par une équipe du Centre National d’Études Spatiales (CNES) dans les années 1990, observe le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et l’atmosphère.

Compléments

• IASI est embarqué sur les satellites MetOp en orbite à environ 800 km de la surface terrestre ; le cours cite MetOp-A lancé en 2006, MetOp-B lancé en 2012 et le lancement de MetOp-C prévu en 2018.

• IASI mesure 900 spectres par minute, utilisés pour calculer les concentrations de certains gaz atmosphériques à l’échelle du globe.

• Les observations d’IASI servent : à étudier des épisodes de pollution, à étudier des éruptions volcaniques, à suivre l’évolution du trou de la couche d’ozone, à observer des variables liées au climat

📖 6. Imagerie infrarouge vapeur d’eau

★ À maîtriser

• Le canal satellitaire infrarouge vapeur d’eau exploite l’émission à 6,25 μm des couches humides les plus hautes et est centré sur cette bande d’absorption.

📌 Dans le canal infrarouge vapeur d’eau, un pixel clair correspond à une température d’émission faible et à une couche émettrice située en altitude dans une haute troposphère humide, tandis qu’un pixel sombre correspond à une température élevée, à une couche émettrice plus basse et à une haute troposphère sèche.

📌 Dans l’imagerie du canal vapeur d’eau, les pixels clairs sont associés aux ascendances et à la convection, tandis que les pixels sombres sont associés aux subsidences.

Compléments

• Dans le canal vapeur d’eau, l’électronique satellitaire convertit les flux lumineux élevés en pixels sombres et les flux faibles en pixels clairs.

• Les images du canal vapeur d’eau montrent des ascendances près de l’équateur, des subsidences vers 30° de latitude et l’alternance des deux mouvements aux moyennes et hautes latitudes.

💡 Astuce mémo

Pixel clair : haute troposphère humide et ascendances ; pixel sombre : haute troposphère sèche et subsidences.