Mécanisme de l’effet de serre et rayonnement de corps noir

Le mécanisme de l’effet de serre a été pour la première fois “expliqué” par Joseph Fourier en 1824 :

« En 1824, le physicien Fourier affirme que la température de la surface terrestre est augmentée par l’interposition de l’atmosphère, parce que la chaleur (rayonnement solaire) trouve moins d’obstacles pour pénétrer l’air, étant à l’état de lumière, qu’elle n’en trouve pour repasser dans l’air, lorsqu’elle est convertie en chaleur obscure (rayonnement infrarouge tellurique) » (source ^⭎)

En langage moderne: Le rayonnement solaire incident détermine l’équilibre thermodynamique de la Terre en tant que “corps noir” (tout corps à température non-nulle rayonne pour maintenir son équilibre : ce rayonnement est appelé historiquement “rayonnement de corps noir ^⭎“, et l’évolution de son intensité en fonction de la fréquence des photons qui le composent, appelée “spectre”)

De manière générale, un spectre est la “transformée de Fourier ^⭎” (le vrai chef-d’oeuvre de Fourier) d’une fonction, c’est-à-dire son expression dans le “domaine réciproque” de son paramètre (exemple : une fonction qui dépend du temps [s] devient une fonction qui dépend de la fréquence [Hz = 1/s] ou : une “pure harmonique” (une seule fréquence: une sinusoïdale) devient un “delta de Dirac ^⭎” dans l’espace réciproque, par exemple).
C’est très utile de travailler dans l’espace de Fourier, car les convolutions de simplifient en produits : il suffit de multiplier deux spectres pour obtenir le résultat de la convolution ^⭎ des signaux temporels respectifs qu’ils représentent. qui mathématiquement est plus laborieuse à calculer.
Par exemple, le filtrage d’un signal consiste simplement à multiplier le spectre du filtre avec le spectre du signal. Un spectre de filtre passe-bas (“blur” ou flou en traitement d’image) ressemblerait par exemple à la fonciton rectangulaire dans la colonne de droite. Dans le cas du traitement d’image, les signaux sont des fonctions de l’espace, et le spectre s’étend donc sur une plage de fréquences spatiales….
Dans un “montage 4f”, on peut même filtrer spatialement des images avec un bout de carton de la forme adéquate placé dans le plan de Fourier. L’optique de Fourier est un outil très puissant.

Bref, ce rayonnement de la surface terrestre, qui se trouve être principalement infrarouge, est dirigé de la surface de la Terre vers l’espace. Sans obstacles, il serait donc ré-émis dans l’espace, vers les confins de l’univers.

Ces lignes sombres dans le spectre de rayonnement de corps noir de la Terre, dont il est question dans le post dédié à Khirkoff ci-dessus, qu’on appelle “raies d’absorption”, correspondent aux fréquences (ou raies) d’absorption, entre autres, des gaz à effet de serre (GES) qui sont dans l’atmosphère. l’une d’entre elle a été coloriée en vert sur l’image ci-dessus.

Les molécules de ces gaz absorbent des photons (infrarouges) du rayonnement solaire réfléchi par la surface terrestre, plutôt qu’en leur absence, ces photons puissent s’échapper vers l’espace. Toute particule chargée interagit avec le rayonnement (les photons), et la matière est constituée de particules chargées.

Quand une onde électromagnétique (par exemple un photon infrarouge qui se dirigeait vers l’espace) “arrive sur” une molécule (par exemple une molécule de GES), la molécule va se polariser : le champ électrique de l’onde électromagnétique va accélérer les charges positives de la molécule (le noyau) dans un sens et les charges négatives (les électrons) dans un sens opposé, en vertu des équations de Maxwell.
Comme le champ électrique de l’onde incidente oscille, l’accélération transmises aux charges électriques aussi. Or, toute charge électrique accélérée rayonne. La molécule va donc rayonner : elle va absorber des photons correspondant à des transitions entre états permis d’énergies (de vibration, rotation, torsion, …) puis les réémettre en se relaxant.

En se désexcitant (quand la molécule réémet le photon afin de revenir dans son état fondamental de moindre énergie, immédiatement après l’avoir absorbé), les intégrales de chemin de Feynman -ou d’autres méthodes plus approximatives- nous apprennent que ces photons ne sont pas réémis dans la direction dans laquelle ils allaient quand ils ont été absorbés (de la Terre vers l’espace). On voit en effet sur l’image que la molécule rayonne dans toute les directions.

Une partie sera redirigée “horizontalement” ou “vers le vas”, ou “dans une autre direction que la direction initiale”, c’est-à-dire “pas vers l’espace”. Ce qui induit un “forçage radiatif“, contribuant à augmenter l’énergie thermique de l’atmosphère (le nombre de photons ou de “quantas de chaleur” qu’elle contient en quelque sorte : E ~ hf ~ kT), et donc sa température.

C’est exactement la définition d’un gaz à effet de serre :
C’est un gaz fait de molécules qui ont des électrons qui peuvent interagir avec un rayonnement de mêmes fréquences que le rayonnement terrestre de corps noir.Mais un petit dessin vaut mieux qu’un long discours :
 Voir cela en image

Six gaz à effet de serre (GES) sont suivis dans le cadre du protocole de Kyoto

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🔱Structure du triangle de Kaya