Du transfert radiatif au "pressure broadening"

Bon, mes recherches sont un peu parties dans toutes les directions, ce mois-ci, ce qui rend plus difficile d'en faire un compte-rendu. Je voulais tirer au clair les interactions entre les molécules et les rayonnement infra-rouge avant de continuer plus loin. De mon cours de physique, j'avais retenu qu'un atome peut emmagasiner de l'énergie reçue d'un photon (et passer dans un état "excité") pour le restituer plus tard. C'est la base des phénomènes de fluorescence et de phosphorescence.

Une autre interaction importante est celle de l'émission stimulée, qui est elle à la base du LASER: un photon de passage dans le voisinage d'un atome excité peut -- si il a la bonne fréquence -- provoquer la libération d'un autre photon par la dés-excitation de l'atome. C'est contre-intuitif, mais ça se produit bel et bien. (( introduire une référence sur les coefficient A-Einstein à ce sujet et se souvenir de ce qu'ils veulent dire )).

Par contre, j'avais appris tout ça avec des électrons qui passent sur des orbitales plus ou moins éloignées du noyau, mais ça, ça ne marche qu'avec des photons transportant assez d'énergie -- de la lumière visible ou des ultra-violets légers. La longeur d'onde des infra-rouges, en revanche, entre en résonnance avec les vibrations des molécules. Tout ça est loin d'être simple. Chaque molécule a ses modes de résonnances propres, lié aux distances et aux angles que font ses atomes, et peut prendre un photon de fréquence A pour passer d'un état peu excité M0 à un état excité MA ou un autre photon de fréquence B pour passer du même état M0 à un autre état MB...

Tout ça est rassemblé depuis des monceaux de résultats de recherches dans une grande base de données nommée "HITRAN" dans ce qu'on appelle des descriptions de "lignes" parce que dans un gaz suffisamment dans le vide, chaque absorption se traduit par un 'trou' de la largeur d'une ligne dans l'arc-en-ciel (promis, la prochaine fois, je dis directement 'le spectre') de la lumière qu'on essaie de faire passer à travers le gaz.

Cette histoire de ligne m'ennuyait. Parce que si une molécule telle que le CO2 ne peut absorber que photons faisant 700 cycles par cm, on aurait absolument aucune chance qu'elles puissent réchauffer quoi que ce soit, vu que la puissance rayonnée par la Terre, elle, s'étale continument et ne se concentre pas sur des "raies" de ce genre. Il y avait des indices sur des mécanismes prouvant que les "lignes" n'expliquent pas tout ça et là dans les articles autour de HITRAN, mais ce n'est qu'en découvrant le terme de "broadening" que j'ai commencé à trouver des réponses. On pourrait traduire ça par "étalement de spectre" en Français (la team PremierDegré range ses costumes de ghostbusters, merci): une série de phénomènes physiques qui font qu'une molécule au milieu de l'atmosphère ne se comporte pas toujours comme son modèle idéal quand elle passe de l'état M0 à MA et peut le faire en absorbant des photons allant d'une fréquence A-d à A+d.

Le premier de ces mécanismes que j'ai découvert est lié à l'effet Doppler (qu'on devrait renommer officiellement "effet de l'ambulance de Doppler"): si la molécule vient à la rencontre du photon (elle se déplace quand-même à pas loin de 500m/s, confirmés par une 3eme source indépendante), une fréquence plus lente peut entrer en résonnance. Si elle va dans le sens du photon, une fréquence plus rapide pourra réagir. Mais bon, 500m/s, on est encore très loin des 300,000 km/s du photon: l'effet n'est pas terrible, même si il a le bon goût d'être intuitif à expliquer et à comprendre pour qui a un peu lu sur les étoiles dont on mesure les vitesses d'éloignement.

La bonne nouvelle, c'est qu'avec le nom cet effet-là (baptisé aussi temperature broadening, parce que la vitesse des molécules dans le gaz dépend directement de sa température), on trouve assez facilement le nom de l'autre, celui qui marche vraiment dans l'atmosphère terrestre et qui fait que le spectre d'absorption du CO2 nous apparaît comme continu entre 13 et 17µm, c'est l'étalement de spectre liés aux collisions entre molécules de gaz: le pressure broadening. Celui-là est beaucoup moins évident à expliquer et je n'ai pas encore rencontré la publication qui permette de le comprendre sans avoir d'abord fait de la physique quantique, donc je vais utiliser une analogie de mon crû: si une molécule peut jouer le rôle d'antenne pour un photon à 700 cycles quand elle est dans des conditions normales (ses atomes sont à une distance habituelle les uns des autres, en équilibre avec leurs forces attractives et répulsives), on peut parfaitement imaginer qu'une collision avec une autre molécule à 500+500m/s la déforme l'espace d'un instant, un peu comme si on faisait une partie de billard avec des machins à ressort. Et pendant qu'elle est déformée, elle pourrait réagir à 690 cycles, puis à 695 pendant qu'elle se redresse, etc.

Par contre, ces phénomènes-là sont déjà à l'oeuvre sur les graphiques où l'on voit la toute petite fenêtre d'infra-rouges avec lesquels le CO2 sait interagir et le large spectre que la Terre rayonne.

Petite remarque: la plupart des références tournant autour de HITRAN ne nous parleront pas des fréquences d'infra-rouges en Herz, ni en longueur d'ondes classiques (autour de 14-15µm), mais avec des 'wave numbers' exprimés en 'par centimètres'. Je pense qu'il faut interpréter ça comme "nombre de cycles sur un centimètre", ce qu'on peut alors convertir en une longeur d'onde. Nos 700 cycles/cm (wavenumber = 700) se 14.2 microns.

Pour la suite, il faudra que je comprenne les implications de tout ça. https://www.youtube.com/watch?v=S5KJeUVL8aw a l'air mieux construit que la digression sur "sceptical science".