Comment fonctionne l’effet de serre ?
Certaines molécules atmosphériques (les gaz à effet de serre) ont la capacité d’absorber une partie des photons IR (IR : Infra Rouge) émis par la surface de la Terre. Cette interaction se produit lorsque la fréquence d’un photon IR correspond à celle d’un mode vibratoire de la molécule, le photon est absorbé et la molécule se trouve dans un état vibratoire excité. Cette énergie d’excitation va ensuite être libérée par la molécule et transmise à son environnement. Les conditions de cette libération d’énergie dépendent de l’état thermodynamique local de l’environnement de la molécule.
Exemples de thèmes
abordés dans les conférences
fonctionnement effet de serre
Conférences Climat & Energie, site créé par Jean-Claude Keller
Dernière mise à jour : 30/3/2011
Ce sont les molécules triatomiques et polyatomiques (H2O, CO2, CH4, O3, …) qui possèdent des modes vibratoires qui sont dans la gamme de fréquences des photons IR émis par la surface de la Terre. Toutes ces molécules sont des gaz à effet de serre.
Les molécules diatomiques et homonucléaires, comme l’azote (N2) ou l’oxygène (O2) qui représentent 99% de l’atmosphère sèche (la vapeur d’eau est comprise entre 1 et 4%), n’ont pas des modes vibratoires qui correspondent à ceux des photons IR émis par la Terre. C’est pourquoi, elles ne sont pas des gaz à effet de serre.
Lorsqu’il y a un équilibre thermodynamique local (cas de la basse atmosphère : principalement la troposphère) :
Cet équilibre existe lorsque les chocs entre les molécules, dus à l’agitation thermique, sont nombreux et rapides. Dans ces conditions, une molécule interagit par collision avec ses voisines en quelques nanosecondes. La molécule va donc céder son énergie vibratoire d’excitation aux molécules voisines par collision. La molécule n’aura pas le temps d’émettre un photon IR pour se désexciter. Par exemple, en ce qui concerne le CO2, le temps qui sépare l’absorption IR de l’émission IR est de l’ordre du dixième de seconde, une collision aura donc lieu bien avant que le photon IR soit émis.
Dans ce cas, l’énergie vibratoire d’excitation des molécules des gaz à effet de serre sera transmise aux molécules voisines sous forme d’énergie thermique, ce qui va chauffer la troposphère.
Cet équilibre existe lorsque les chocs entre les molécules, dus à l’agitation thermique, sont nombreux et rapides. Dans ces conditions, une molécule interagit par collision avec ses voisines en quelques nanosecondes. La molécule va donc céder son énergie vibratoire d’excitation aux molécules voisines par collision. La molécule n’aura pas le temps d’émettre un photon IR pour se désexciter. Par exemple, en ce qui concerne le CO2, le temps qui sépare l’absorption IR de l’émission IR est de l’ordre du dixième de seconde, une collision aura donc lieu bien avant que le photon IR soit émis.
Dans ce cas, l’énergie vibratoire d’excitation des molécules des gaz à effet de serre sera transmise aux molécules voisines sous forme d’énergie thermique, ce qui va chauffer la troposphère.
Lorsqu’il n’y a pas un équilibre thermodynamique local (cas de la stratosphère et plus haut) :
Dans ce cas, la densité de l’atmosphère est faible et les molécules sont éloignées les unes des autres, les collisions entre molécules voisines sont peu nombreuses et la fréquence de ces collisions est faible. Dans ces conditions, les molécules de gaz à effet de serre qui sont dans un état vibratoire excité, après avoir absorbé un photon IR, ont le temps d’émettre un photon IR pour se désexciter avant d’interagir avec une molécule voisine par collision.
L’énergie rayonnante IR absorbée est alors réémise sous forme d’énergie rayonnante IR. Cette réémission se fait de façon aléatoire aussi bien en direction de l’espace qu’en direction de la surface de la Terre.
En situation de non équilibre thermodynamique local, il est aussi possible qu’une molécule de gaz à effet de serre absorbe de l’énergie par collision avec ses voisines et qu’elle atteigne un niveau d’excitation vibratoire suffisant pour émettre un photon IR. Dans ce cas, de l’énergie thermique est transformée en énergie rayonnante, ce qui peut contribuer à refroidir la stratosphère.
Dans ce cas, la densité de l’atmosphère est faible et les molécules sont éloignées les unes des autres, les collisions entre molécules voisines sont peu nombreuses et la fréquence de ces collisions est faible. Dans ces conditions, les molécules de gaz à effet de serre qui sont dans un état vibratoire excité, après avoir absorbé un photon IR, ont le temps d’émettre un photon IR pour se désexciter avant d’interagir avec une molécule voisine par collision.
L’énergie rayonnante IR absorbée est alors réémise sous forme d’énergie rayonnante IR. Cette réémission se fait de façon aléatoire aussi bien en direction de l’espace qu’en direction de la surface de la Terre.
En situation de non équilibre thermodynamique local, il est aussi possible qu’une molécule de gaz à effet de serre absorbe de l’énergie par collision avec ses voisines et qu’elle atteigne un niveau d’excitation vibratoire suffisant pour émettre un photon IR. Dans ce cas, de l’énergie thermique est transformée en énergie rayonnante, ce qui peut contribuer à refroidir la stratosphère.
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