On distingue différents types de diffusions selon la taille relative des cibles par rapport à la longueur d'onde de la radiation incidente. Comme nous le verrons dans la partie suivante, les radiations solaires situées dans l'Ultra-Violet sont absorbées dans la haute atmosphère si bien que l'on considère principalement les radiations visibles.

La diffusion Rayleigh est la diffusion par les molécules. Taille de la cible : 10 nanomètres. Sa contribution à l'albédo planétaire est de 20%. La diffusion par les particules les plus grosses (taille très grande devant la longueur d'onde), par exemple les gouttes nuageuses de quelques microns ou les cristaux de glace de quelques dizaines de microns, peut être expliquée par les lois de l'optique géométrique. La diffusion par les particules plus petites dont la taille est de l'ordre de la longueur d'onde est plus délicate à étudier. On parle de diffusion de Mie.

La diffusion Rayleigh
C'est la diffusion de la lumière solaire (dans notre cas d'étude) par les atomes ou molécules de l'atmosphère. Etudions un modèle simple constitué par un atome d'hydrogène (1 noyau et 1 électron) soumis à une radiation électromagnétique de longueur d'onde visible (0.6 micromètre par exemple). En l'absence de radiation, le nuage électronique est centré sur le noyau. Mais en présence de radiation, le nuage électronique est déformé et son barycentre ne coïncide plus avec le noyau.

Dans ces conditions, il y a apparition d'un dipôle électrique qui oscille proportionnellement à la distance noyau - barycentre des charges négatives. La taille de l'atome est très faible devant la longueur d'onde de la radiation si bien que les variations spatiales du champ électromagnétique peuvent être négligées à l'échelle du nuage électronique. L'atome est alors soumis à la force magnétique et la force électrique. La première est négligeable devant la seconde. D'autre part, le noyau étant beaucoup plus lourd que l'électron, son déplacement est négligé devant celui de l'électron. La distance Noyau-barycentre du nuage électronique oscille au cours du temps à la même pulsation que celle de l'onde incidente.

Le coucher de soleil
La couleur orange d'un coucher de soleil s'explique facilement. Lorsque le Soleil est bas sur l'horizon, les rayons solaires effectuent un trajet beaucoup plus long dans l'atmosphère que lorsque le soleil est au zénith. C'est pourquoi un photon provenant du Soleil à son point le plus bas sur l'horizon a une plus forte chance d'être diffusé qu'un photon provenant du soleil au zénith.
Or la théorie de la diffusion Rayleigh montre que les photons de courte longueur d'onde (bleu) sont plus diffusés que les photons de grande longueur d'onde (rouge-orange). Puisque les photons qui atteignent notre oeil lorsque l'on regarde un coucher de soleil sont majoritairement des photons non diffusés (notre oeil est dans l'axe du Soleil), ceux de courte longueur d'onde sont moins nombreux que ceux des grandes longueurs d'onde.
Ainsi, le Soleil est rouge-orange à son coucher.

Le bleu du ciel
La couleur bleue du ciel est due aux mêmes phénomènes que la couleur orange d'un coucher de soleil. Quand on regarde le ciel ailleurs que dans l'axe du Soleil, ne nous parviennent que des photons qui ont été diffusés. Or comme les photons bleus sont 16 fois plus diffusés que les photons rouges, le ciel a une couleur bleue.

La diffusion de Mie

La diffusion de Mie désigne la diffusion par des particules dont la rayon oscille entre 0.1 et 10 fois la longueur d'onde. Cette théorie est complexe et des résultats quantitatifs ne sont obtenus qu'avec des particules sphériques. La puissance diffusée est maximale lorsque la longueur d'onde est proche du rayon de la particule. Contrairement à la théorie de Rayleigh, la puissance rétro-diffusée est plus grande que la puissance diffusée dans la direction de l'onde incidente.

La diffusion selon les lois de l'optique géométrique
Lorsque la taille des particules cibles est très grande devant la longueur d'onde, les lois de l'optique géométrique sont applicables. On étudie par exemple la diffusion à travers une goutte d'eau précipitante (menant par exemple à un arc en ciel) en appliquant les lois de Snells Descartes au passage de dioptres sphériques séparant l'air et l'eau, 2 milieux d'indices différents.

II- L'absorption du rayonnement par les molécules de l'atmosphère :

Absorption moléculaire
Au cours de leur pénétration dans l'atmosphère, les photons solaires entrent en collision avec les molécules atmosphériques et sont progressivement absorbés. L'absorption du rayonnement par les molécules atmosphériques est intimement lié à leurs caractéristiques énergétiques. Une molécule possède des niveaux énergétiques discrets ou quantifiés associés à des états de rotation, de vibration ou de configuration électronique.

Un photon peut être absorbé lorsque son énergie correspond à une transition entre le niveau fondamental et un de ces états excités. D'autre part, une molécule peut être dissociée par des photons dépassant l'énergie d'ionisation de la molécule. Il y a alors un continuum énergétique d'absorption au delà de l'énergie d'ionisation.

Absorption dans l'ultraviolet (dissociation des molécules et recombinaisons)
L'absorption photonique suivie de la dissociation de la molécule a lieu quand une molécule reçoit une energie supérieure à celle quelle peut absorber. Si un photon plus énergétique est absorbé, l'excédent énergétique est transformé en énergie cinétique de l'un des produits de la réaction photochimique. Pour les molécules atmosphériques les niveaux seuils de dissociation se situent dans l'Ultra-Violet.

Les réactions photochimiques mettant en jeu l'absorption dans l'UV se manifestent par une action thermique sur le milieu atmosphérique. En effet, les photodissociations sont en général suivies de réactions chimiques de recombinaison qui libèrent de l'énergie sous forme de chaleur. Ce processus est capital dans la stratosphère (voir structure de l'atmosphère) qui est chauffée par les réactions de recombinaison de l'ozone et de l'oxygène moléculaire. Les radiations solaires dans le domaine de l'U.V. sont totalement absorbées :

Absorption dans l'infrarouge (vibration des molécules)
Les photons du domaine du visible ne sont pas absorbés par l'atmosphère (ou très légèrement par l'ozone) et sont donc uniquement diffusés. De plus dans le domaine de l'infrarouge lointain, les photons émis par le Soleil deviennent moins nombreux que ceux émis par la Terre. Dans ce domaine l'absorption des photons est due à la transition depuis l'état fondamental vers un niveau de vibration de la molécule. Ces niveaux dépendent de la molécule considérée, une même molécule peut donc avoir plusieurs bandes d'absorption correspondant à différents niveaux de vibration.

Comme dans le cas d'un ressort, il est moins coûteux en énergie de tordre la molécule que de l'étirer. C'est pourquoi la longueur d'onde des photons réalisant la transition entre l'état fondamental et l'état excité sera plus faible pour les modes d'étirement que de pliage.

Cependant, le mode A d'étirement n'induit pas de moment dipolaire électrique au sein de la molécule. En effet, les atomes d'oxygène (rouge) portent une légère charge négative alors que l'atome de carbone (bleu) porte une légère charge positive. Dans le mode A, le barycentre des charges reste fixe, alors que dans les 3 autres modes, le barycentre oscille. L'oscillation de ce moment dipolaire est une condition nécessaire à l'absorption d'un photon. Donc, parmi les 4 modes de vibration, seuls les modes B, C et D sont associés à des bandes d'absorption. Finalement, sur un diagramme énergétique, on devrait trouver une bande d'absorption associée au mode B et à une longueur d'onde plus élevée, une bande associée aux 2 modes C et D (ces 2 modes ayant la même énergie). Le spectre d'absorption du CO2.

De nombreux autres gaz absorbent dans le domaine de l'IR. Il s'agit principalement de CO2, H2O (bandes à 2,5 et 6,5 micromètres), le méthane (CH4), les CFC, N2O... Ces molécules sont appelées communément gaz à effet de serre car elles absorbent dans le domaine d'émission thermique de la Terre puis réemettent en se désexcitant un photon à la même longueur d'onde mais dont 1 sur 2 est dirigé vers la Terre et la réchauffe. Les molécules diatomiques majoritaires telles que l'azote et l'oxygène moléculaires ne possèdent pas de moment dipolaire oscillant responsable de l'absorption dans l'IR. Elles ne sont pas des gaz à effet de serre.

Absorption du rayonnement infra-rouge émis par la Terre

RESUME :

BILAN RADIATIF :

LES MOUVEMENTS DE L'ATMOSPHERE :

Les gaz et les nuages qui constituent l'atmosphère ne sont pas fixe, ils se déplacent perpétuellement parfois d'une manière peu sensible et parfois d'une manière violemment destructrice. Les mouvements de l'atmosphère sont intimement liés avec le phénomène de réchauffement décrit plus haut, dans la troposphère (qui concentre 80% des gaz de l'atmosphère) la chaleur vient du sol car le rayonnement solaire traverse ces gaz sans être absorbé. Nous avons vu dans le chapitre précédent les trois moyens dont la chaleur dispose pour se transmettre : la conduction, la convection et les rayonnements. Dans la troposphère la chaleur chauffe les gaz qui montent en rayonnant leur chaleur, qui retourne vers la surface et réchauffe les gaz de la couche supérieure, le cycle ne s'arrétant qu'avec la fuite des rayonnement vers l'espace quand plus rien ne les en empèche.

La théorie se trouve de plus compliquée par plusieurs choses :
- La Terre est inclinée sur son orbite, ce qui modifie les doses de radiations régulièrement et entraîne le phénomène des saisons.
- Les masses continentales et océaniques ne sont pas symétriques, les mouvements convectifs sont donc modifiés car l'océan n'absorbe pas les radiations de la même manière que le continent.
- Il se trouve sur les continent des chaines de montagnes parfois très élevées qui bloquent le passage d'importantes masses d'air chargée d'humidité, le versant dans les nuages est rendu très humide alors que le versant opposé se trouve asséché.

Les grandes tendances climatiques sont déterminées dans un premier temps par les mouvements convectifs au sein de la troposphère mais elles se trouvent complexifiées au niveau régional en fonction de nombreux paramètres.

http://13millennium.com/encyclo/frencyp25.htm