Absorption et Émission par les Gaz Atmosphériques

Comment la structure moléculaire détermine les longueurs d'onde que les gaz atmosphériques absorbent et émettent, façonnant ainsi le spectre du rayonnement atteignant l'espace et la surface.

Definition

L'absorption et l'émission par les gaz atmosphériques désignent l'interaction sélective en longueur d'onde du rayonnement avec les molécules de gaz, régie par des transitions énergétiques quantifiées, qui détermine la manière dont l'atmosphère transmet, absorbe et réémet le rayonnement.

Scope

Couvre les transitions moléculaires rotationnelles, vibrationnelles et électroniques ; les bandes d'absorption de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, de l'ozone, du méthane et de l'oxyde nitreux ; les formes de raies et l'élargissement par pression et par effet Doppler ; les modèles de bande et les calculs raie par raie ; la fenêtre atmosphérique ; et les bases de données spectroscopiques utilisées pour calculer l'absorption gazeuse.

Core questions

• Pourquoi les différents gaz absorbent-ils à des longueurs d'onde caractéristiques ?
• Qu'est-ce qui détermine l'intensité et la largeur des raies d'absorption individuelles ?
• Pourquoi l'atmosphère est-elle relativement transparente dans la fenêtre infrarouge thermique, près de 10 micromètres ?

Key theories

Spectroscopie moléculaire des gaz atmosphériques

Les transitions rotationnelles et vibrationnelles quantifiées produisent des raies d'absorption discrètes dont les positions et les intensités sont fixées par la structure moléculaire, organisées en bases de données telles que HITRAN pour les calculs radiatifs.

Mechanisms

Une molécule de gaz absorbe un photon lorsque son énergie correspond à une transition entre des états rotationnels, vibrationnels ou électroniques quantifiés ; les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau présentent de fortes bandes vibrationnelles-rotationnelles dans l'infrarouge. Les raies individuelles sont élargies par les collisions moléculaires (élargissement par pression) à basse altitude et par le mouvement thermique (élargissement Doppler) à haute altitude. Les raies qui se chevauchent forment des bandes d'absorption, laissant des fenêtres spectrales relativement transparentes où la surface rayonne efficacement vers l'espace.

Clinical relevance

Des données précises sur l'absorption gazeuse sont essentielles aux schémas de rayonnement dans les modèles météorologiques et climatiques, ainsi qu'à la récupération des températures et des concentrations de gaz traces à partir de spectromètres satellitaires et terrestres.

History

Les mesures en laboratoire de Tyndall au XIXe siècle ont révélé pour la première fois la forte absorption infrarouge de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone. La spectroscopie du XXe siècle a permis de résoudre les raies moléculaires individuelles, et des compilations telles que la base de données HITRAN, maintenue depuis les années 1970, fournissent désormais les paramètres de raie utilisés dans les calculs modernes de transfert radiatif.

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

Qu'est-ce que la fenêtre atmosphérique ?

La fenêtre atmosphérique est une bande de l'infrarouge thermique, située entre 8 et 12 micromètres environ, où l'atmosphère claire absorbe faiblement, permettant à la surface de rayonner directement la chaleur vers l'espace.