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

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(Suite)

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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 O2 ne 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).

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.

@@@@@@

Bientôt la troisième et dernière partie ….

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13 Réponses to “Effets de la vapeur d’eau sur le climat. (Deuxième partie)”

  1. plombier Says:

    Bonjour ,hors sujet ,excusez-moi comme je ne suis pas un scientifique (ni plombier ) il m’est difficile de commenter certains articles .

    Après le « Climategate », le « Glaciergate » , « l’ Amazongate » , le »Nederlandgate  » nous apprenons qu’il y a  » l’Africagate  »

    http://eureferendum.blogspot.com/2010/02/and-now-for-africagate.html

  2. pecqror Says:

    Et peut etre aussi un australiagate. Quand on voit le rapport soit-disant soumis à un comité de lecture de 2000 « experts » et qui contient autant d’erreur.

  3. Murps Says:

    Article intéressant, mais…
    Quelles sont les conclusions donc de l’effet de la vapeur d’eau sur la thermodynamique d’une telle colonne d’air humide ?
    Il y a un modèle qui « marche » un peu ?
    En plus la pression de vapeur saturante de la vapeur d’eau change énormément avec la température, tout ça n’a rien de trivial.

    Et a-t-on eu l’idée de faire la même chose avec de l’air sec à 400 ppm de CO2, puis la même chose avec de l’air sec à 0 ppm de CO2 ?

    Juste des idées, comme ça…

  4. plombier Says:

    C’est pour ça que le gouvernement indien va créé son propre panel de surveillance des effets du réchauffement planétaire car elle « ne peut plus compter » sur le GIEC, dirigé par son propre leader scientifique, le Dr R.K. Pachauri.
    Source Telegraph, Dean Nelson, 4 février 2010
    Cette démarche est un important camouflet pour à la fois le GIEC et le Docteur Pachauri, au moment où il se bat pour défendre sa réputation après qu’il a été révélé que son tout dernier rapport sur le changement climatique est entaché de fausses allégations prétendant que la plupart des glaciers de l’Himalaya pourraient être fondus en 2035.
    Il réunira 125 établissements de recherche dans toute l’Inde, travaillera avec les organismes internationaux et fonctionnera comme une « sorte de GIEC indien, »
    Le nouvel Institut national de recherche en glaciologie himalayenne aura son siège à Dehradun dans l’Uttarakhand, et suivra l’évolution des glaces et comparera les résultats à ceux des glaciers du Pakistan, du Népal et du Bhoutan.

  5. Gilles des Landes Says:

    oui, effectivement, je suis très étonné que l’on se fonde sur de telles modélisations pour démonter (avec certitude!!!) un mécanisme naturel. Il me passe par la tête l’adiabatisme (phénomène de réchauffement ou de refroidissement des molécules d’air sans échange avec l’environnement) qui n’est pas pris en compte dans le modèle ci-dessus. Or, l’adiabatisme varie selon l’état de l’atmosphère et notamment la saturation…
    Et tant qu’on est dans les questions, je m’interroge toujours sur la composition de l’atmosphère : en est-on toujours à 78% d’azote, 21% d’oxygène, 1% de gaz « rares » dont GES???. Car avec l’augmentation du CO2 et autres GES, comment se fait-il que l’on soit toujours à 1% pour les gaz « rares ». Il est vrai que l’on parle en ppm et non pas en %, et que même passer de 200 à 400 ppm pour le COs, ça doit faire un % dérosoire ramené à la part volumique…mais quand même, je reste interrogatif….rien ne se perd, rien ne se crée!

  6. plombier Says:

    400 ppm représente 0,0400 %de l’atmosphère ,a ce pourcentage on peut encore parler de trace de gaz . Mais nous sommes qu’a 387ppm .

  7. Manu95 Says:

    « Car avec l’augmentation du CO2 et autres GES, comment se fait-il que l’on soit toujours à 1% pour les gaz « rares ».  »

    Parce que 100 ppm de CO2, c’est « peanuts » par rapport aux concentrations en N2, O2 et même Ar (argon).
    Les deux premières sont d’ailleurs données avec une précision de l’ordre de 100 ppm par la NASA (valeurs de Mai 2009)

    78.08% Nitrogen (N2), 780 800 (ppm)
    20.95% Oxygen (O2), 209 500
    Argon (Ar) – 9 340
    Carbon Dioxide (CO2) – 380
    Neon (Ne) – 18.18
    Helium (He) – 5.24
    CH4 – 1.70
    Krypton (Kr) – 1.14
    Hydrogen (H2) – 0.55

    Total = 1 000 046.81 ppm (et non 1 000 000, excès de 47 ppm dû aux arrondis et incertitudes)
    http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html (Last updated May 20, 2009)

    P.S. : Je suis curieux de voir comment ce tableau va s’afficher.

  8. MichelLN35 Says:

    Article intéressant sans doute mais plein d’incertitudes et je me pose quelques questions que je n’ai pu résoudre mais qui me semblent inmportantes.

    Les expériences invoquées se font dans des tubes d’air contenant de la vapeur d’eau, pas d’eau liquide ou alors j’ai mal suivi. Or, une colonne d’air contient souvent des gouttelettes qui forment ou non des nuages. Ces gouttelettes se forment et s’évaporent pour se reformerplus haut.
    Exemple la terre qui « fume » sous le soleil après un orage.

    Je voudrais savoir sous l’effet de quel rayonnement les gouttelettes se revaporisent, lumière solaire ou infrarouges ?

    Ces gouttelettes sont à une température assez basse, mettons quinze degrés, dissolvent elles le CO2 ? Et si oui, une fois dissous absorbe-t-il encore les infrarouges venant du sol ?

    N’ayant pas eu de réponse à mes questions précédentes, je ré-étale mon ignorance en sollicitant votre avis. Recevant 235W/m2 de lumière visible est-ce que la vapeur d’eau qui est obtenue sous forme de chaleur latente renvoie la part qu’elle a reçue sous forme de radiation infrarouges ? Ce serait nécessaire pour renvoyer 235W/m2 d’infrarouge, sinon il n’y a pas conservation selon le 1er prnicipe mais création.

    Merci de votre attention

  9. araucan Says:

    @Michel,

    oui, le tubes contiennent de la vapeur d’eau, c’est ce que j’ai compris aussi … Mais l’auteur évoque bien la difficulté à suivre l’eau dans l’atmosphère, vu qu’elle peut être présente sous trois phases.

    Quant à la capacité des goutelette d’eau à absorber du CO2 (qui devient alors HCO3-) certainement … Mais dans quelle proportion et cela a-t-il un effet ?

  10. Manu95 Says:

    « Mais dans quelle proportion et cela a-t-il un effet ? »

    Cela a un effet certain.

    La pluie lessive l’atmosphère en dissolvant principalement le CO2, le NO et le SO2. C’est ce qui explique le pH 5.6 (légèrement acide) de l’eau de pluie naturelle, non polluée.
    Aux States on enregistre dans certaines régions des pluies avec un pH 3 et même moins.
    Réf. : http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Water/FreshWater/acidrain.html

    Notez que l’on donne une concentration de CO2 de 355 ppm. Il s’agit ici de ppm en masse et non en volume.
    Et le document semble dater de 1998.

  11. Murps Says:

    L’évaluation du pH de l’eau pure est même un exercice extrêmement délicat.
    Il faut faire bouillir l’eau distillée pour la débarrasser de son CO2 en dégazant, puis effectuer la mesure rapidement après refroidissement car non seulement le pH dépend de la température (enfin ça dépend de l’instrument de mesure…) mais la « mise à l’air » de la solution provoque rapidement une dissolution du CO2 présent et celui-ci acidifie la solution.
    On a alors du mal à mettre en évidence le pH = 7 de l’eau pure bien connu des lycéens.

    D’autre part, ma question de l’autre jour était bien plus triviale : avant de traiter un système diphasé eau/vapeur d’eau + air avec son CO2, ça serait bien d’essayer simplement avec un système « air sec » sans CO2 puis « air sec avec CO2 » et regarder les différences de températures.
    Parce

  12. Murps Says:

    (erreur de manip avec l’éditeur…)
    Parce que, disais-je, les calculs prévisionnels de mécanique quantique pour prévoir les pics d’absorption, c’est très bien, mais ça ne fait pas avancer cette histoire d’effet de serre…

    Cordialement
    Murps

  13. araucan Says:

    @ murps, ben si : tout dépend qui absorbe et combien. Si la vapeur d’eau absorbe beaucoup plus que généralement admis, cela contribue à faire reculer l’hypothèse CO2 …
    (Sinon pas de pb sur l’expérience suggérée : ce serait juste du modèle pour du modèle, que l’on ne pourrait pas comparer à un système réel … l’intérêt des modèles, c’est de les comparer à la réalité -écart entre la représentation et le réel- pour voir si l’on a bien saisi les mécanismes en jeu …).

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