Effets de la vapeur d’eau sur le climat. (Deuxième partie)

(Suite. Traduction Manu95)

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Une incroyable légèreté de l'être.

L'air est composé en grande partie de molécules diatomiques d'azote et d'oxygène. Alors, pourquoi le transport de la lumière à travers notre atmosphère est-il dominé par des traces de molécules triatomiques comme l'eau, le dioxyde de carbone et l'ozone ?

Après tout, ces molécules ne sont présentes au-dessus de nos têtes qu'à un niveau d'environ une partie pour 100.000.

La réponse se trouve dans la physique propre aux molécules concernées. Les molécules absorbent les radiations à des longueurs d'onde caractéristiques qui excitent un ou plusieurs de leurs degrés de liberté de rotation, de vibration ou électronique. La probabilité que l'absorption se produise dans une molécule particulière donne l'intensité de chaque raie dans le spectre d'absorption. Les intensités de ces raies spectrales dépendent de la distribution nette de charge électronique au sein de la molécule via les moments dipolaires, qui décrivent la réponse de la molécule à l'application d'un champ électrique, tel celui d'un faisceau lumineux incident.

Les molécules linéaires symétriques, comme le N2, l'O2 et même le CO2, ont des distributions de charges symétriques et n'ont donc pas un moment dipolaire permanent. En outre, des moments dipolaires ne peuvent être induits dans les molécules diatomiques symétriques par une excitation de vibration ou de rotation, car cela ne change pas leur topologie. N2 et One peuvent donc absorber de la lumière que par excitation électronique.

Il y a quelques bandes d'absorption importantes de l'oxygène qui sont associées à une excitation électronique dans la partie visible du spectre (voir figure 3), mais ces dernières ne s'étendent pas sur plusieurs longueurs d'onde et ne bloquent donc pas des quantités importantes de rayonnement. Cela signifie que l'oxygène compte pour seulement 2% de l'absorption par l'atmosphère du rayonnement solaire entrant, et que l'azote compte pour quasiment rien.

Figure 4
Figure 4

La molécule d'eau, d'autre part, a une structure triangulaire “pliée”, tout comme l'ozone – qui n'est pas aussi symétrique que la formule O3 pourrait le suggérer. Ces deux molécules possèdent donc un moment dipolaire permanent, ce qui signifie qu'elles peuvent absorber de la lumière de très grande longueur d'onde ce qui excite leurs états de rotation. L'asymétrie des molécules d'eau et d'ozone provoque des moments d'inertie qui régissent les quanta de mouvement de rotation qui sont différents dans chaque direction spatiale (voir figure 4). Ces molécules "top asymétriques" ont des niveaux d'énergie compliqués, qui interagissent avec la lumière pour produire des raies spectrales denses qui contiennent peu de structure évidente.

Plus important encore pour les questions de climat, les degrés de liberté de vibration dans les molécules d'eau, d'ozone et de dioxyde de carbone sont capables d'absorber la lumière dans l'infrarouge. Dans le cas du dioxyde de carbone, ce sont ces vibrations qui brisent la symétrie de la molécule et lui permettent d'être excitée par le rayonnement de l'atmosphère. O3, tout comme son proche parent O2, a un certain nombre de bas états électroniques qui absorbent la lumière dans le proche ultraviolet. Au contraire de l'O2, la structure étendue des vibrations et des rotations de l'ozone signifie que ses transitions électroniques absorbent le rayonnement sur une large bande de longueurs d'onde. Mais qu'y a-t-il de si spécial pour l'eau, dont l'absorption s'étend de l'infrarouge lointain au proche ultraviolet ?

La réponse la plus simple est que l'eau, contrairement aux autres molécules triatomiques, contient deux atomes d'hydrogène. La présence d'atomes d'hydrogène a deux effets importants. Quand une molécule d'eau tourne autour de son centre de masse – qui est près de l'atome d'oxygène – elle le fait avec de petits moments d'inertie. Cela conduit à une très large structure des rotations qui fait que des bandes d'absorption pour tous les types de transitions s'étendent sur de vastes régions du spectre. En outre, les mouvements vibratoires de l'eau ont une grande amplitude parce que les atomes d'hydrogène sont très légers. Par conséquent, l'eau ne vibre pas comme un oscillateur harmonique simple – comme la plupart des molécules le font – et ses transitions de vibration ne respectent pas la règle générale de sélection harmonique. Cette règle dit que les seules transitions permises sont celles dans lesquelles un nombre quantique de vibration change d'un seul quanta. Pour l'eau, les transitions, impliquant des changements allant jusqu'à huit quanta de vibration sont importantes dans l'atmosphère, ce qui signifie que le spectre de la vapeur d'eau couvre une large gamme de longueurs d'onde et d'intensité des raies, et qu'il est généralement très complexe (figure 5).

Figure 5
Figure 5

Eau, eau sur le mur, qui est la plus belle de toutes?

Le spectre de vibration-rotation de l'eau a fait l'objet de nombreuses études en laboratoire depuis plusieurs décennies. En dépit de leur importance pour l'atmosphère, l'intensité des raies de l'eau dans les régions du spectre de l'infrarouge proche et le visible est en réalité très faible. Pour mesurer les spectres de raies, les chercheurs envoient de la lumière balayant une large plage de longueurs d'onde à travers une très longue colonne d'eau. Cela simule les quelques kilomètres de vapeur d'eau que traverse le rayonnement solaire avant qu'il n'atteigne la surface de la Terre.

Ces longs parcours sont réalisés en laboratoire en faisant passer la lumière à travers des tubes relativement courts – jusqu'à 50 m de long – qui ont des miroirs de haute réflectivité à leurs extrémités pour que la lumière parcoure le tube de nombreuses fois. Grâce à cette idée, il a été possible d'observer des intensités de raies de transitions fortes ainsi que de nombreuses signatures d'absorptions faibles. La spectroscopie moléculaire de haute résolution n'a aucune difficulté à mesurer avec précision la longueur d'onde de raies spectrales, mais l'obtention de mesures fiables de l'intensité de raies – qui nous indiquent quelle part du rayonnement est absorbée – présente un réel défi. L'eau est également une molécule désagréable à étudier. Non pas parce qu'elle est dangereuse ou attaque l'expérience, mais parce que sa concentration est difficile à contrôler. Elle forme des gouttelettes, elle adhère aux parois des tubes, elle se comporte de façon imprévisible, et elle ne se mélange pas correctement avec d'autres gaz. Elle est aussi présente dans l'air en quantités variables, ce qui rend difficile de réaliser des expériences de contrôle. Pire encore, le spectre d'absorption de l'eau affiche une énorme gamme dynamique. De fortes raies qui sont totalement saturées (absorbant entièrement) dans l'atmosphère sont proches d'absorptions très faibles qui doivent également être prises en considération dans tout modèle atmosphérique complet. En effet, la dépendance individuelle de la longueur d'onde de la lumière de ces raies d'absorption forte est une question importante pour les modèles atmosphériques.

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Bientôt la troisième et dernière partie ….

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