Absorption spectrale du rayonnement solaire

La figure ci-dessous illustre un exemple de conditions atmosphériques pour lesquelles sont représentées :

• le rayonnement énergétique spectral normal incident sur l’atmosphère terrestre E_esno(λ).
• les rayonnements énergétiques spectraux normaux au niveau de la mer sous un ciel sans nuage, l’un ne tenant compte que de la diffusion des éléments atmosphériques E1(λ) et l’autre tenant compte de tous les phénomènes d’atténuation E2(λ).



La zone ombrée entre E1 et E2 correspond donc aux bandes d’absorption spectrales au travers de l’atmosphère.



Le phénomène d’absorption résulte d’une perte d’énergie par une molécule pour passer d’un état énergétique à un autre. Ce processus n’affecte que les rayons d’une énergie spécifique (donc de longueur d’onde donnée), ce qui génère une absorption spectrale très sélective. Lorsque de nombreuses longueurs d’onde proches sont affectées, on peut alors parler de bande d’absorption et les utiliser sous cette forme continue ; toutefois, l’absorption dans cette bande n’est pas constante et n’est qu’un moyen de simplification du phénomène réel.

Parmi les molécules d’air sec, les plus absorbantes sont CO₂, O₃, N₂O, CO, O₂, CH₄ et N₂. Les absorbeurs mineurs sont les oxydes d’azote NO₂, N₂O₄, N₂O₅, les combinaisons d’hydrocarbone C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈ et le gaz sulfurique H₂S. L’eau et l’ensemble des éléments venant d’être mentionnés ont une action dans le domaine du visible et celui des infrarouges. En revanche, les gaz mono-atomiques comme l’oxygène O et l’azote N affectent les ultraviolets.

Sur les 3 graphes suivants sont présentés des exemples de taux de transmission spectraux relatifs à divers constituants atmosphériques.

=> Pour l'ozone, τ_o(λ) = exp(-a_o(λ)×l_o×m_o)

Avec :

• a_o(λ) est le coefficient d’atténuation spectrale de l’ozone,
• l_o est l’épaisseur réduite d’ozone
• m₀ est la masse d’air optique relative au niveau de la mer

=> Pour les gaz permanents, τ_g(λ) = exp[(-1.41×a_g(λ)×m)/(1+118.93×a_g(λ)×m)]

Avec :

• a_g(λ) est le coefficient d’atténuation spectrale des gaz permanents,
• m est la masse d’air optique relative

=> Pour la vapeur d’eau, τ_w(λ) = exp[(-0.2385×a_w(λ)×m₀)/(1+20.07×a_w(λ)×m₀)]

Avec :

• a_w(λ) est le coefficient d’atténuation spectrale de la vapeur d’eau,
• m₀ est la masse d’air optique relative au niveau de la mer

Récapitulons les absorptions dans les divers domaines électromagnétiques auxquels nous nous intéressons. La figure I.23 illustre les bandes d’absorption.

1) Dans l’ultraviolet, l’absorption est due essentiellement à l’ozone, arrêtant la quasitotalité des longueurs d’onde comprises entre 210 et 290 nm.

Les gaz monoatomiques d’oxygène et d’azote (O et N) absorbent les rayonnements de longueurs d’onde comprises entre celle des rayons X et 85 nm. Étant situé dans la couche la plus haute de l’atmosphère (où ils sont produits par dissociation des molécules bi-atomiques), ils constituent un véritable bouclier aux faibles longueurs d’onde. Les gaz 0₂ et N₂ absorbent les rayonnements de bandes spectrales inférieures à 200 nm. Puisque l’atmosphère (supérieure et inférieure) est principalement constituée de l’ensemble de ces quatre gaz (N, O, O₂, N₂), aucun rayonnement inférieur à 200 nm n’atteint la surface terrestre. Ce sont également ces domaines de longueur d’onde qui sont les plus nocifs non seulement pour les matériaux et leurs couleurs mais également pour la biologie humaine. L’ozone (O₃) filtre une partie des ultraviolets avec quelques zones en dessous de 200 nm (mais comme nous venons de le constater cette portion est totalement absorbée avant d’atteindre le sol terrestre), une bande de forte absorption entre 200 et 300 nm, quelques-unes moins importantes entre 300 et 350 nm et enfin des bandes plus conséquentes sur le rayonnement du domaine visible.

2) Dans le visible,

l’ozone (O₃) et l’oxygène (O₂) sont les principaux responsables de la diminution énergétique du rayonnement solaire.

O₃ a un fort pouvoir absorbant dans le domaine qui s’étend de 450 à 770 nm (bande de Chapuis).

Les molécules d’O₂ filtrent le rayonnement visible dans trois bandes centrées sur 630, 690 et 760 nanomètres. Cette dernière est d’autant plus marquée qu’elle correspond à une région spectrale où le flux solaire est important.

L’eau (H₂0) possède deux légères bandes autour de 720 et 820 nm, peu déterminantes au regard de la lumière puisqu’à la limite de la perception visuelle, mais notable après la traversée de larges et denses couches nuageuses (aspect bleuté).

3) Dans l’infrarouge, l’absorption provient essentiellement de la vapeur d’eau (H₂O) et du dioxyde de carbone (CO₂)

H₂0 agit sur des bandes centrées autour de 820, 940, 1100, 1380, 1870, 2700, 3200 et 6300 nm. Cette dernière bande, très prononcée, a un impact direct sur l’apport thermique du solaire. Associée à sa diffusion bien plus importante, elle devient un constituant majeur dans l’atténuation du rayonnement lumineux et énergétique. Ceci d’autant plus si l’on s’intéresse aux nuages ; elle explique leur opacité, leur ombre sur la terre et ainsi la perte de lumière, d’énergie et la chute de température (due à la diminution de radiations infrarouges) qui en résultent au niveau du sol terrestre.

CO₂ est caractérisé par de nombreuses raies d’absorption dans le domaine infrarouge. Celles qui sont situées autour de 1450, 1600 et 2000 nm sont si faibles qu’elles peuvent être ignorées. En revanche, la bande centrée sur 2 700 nm est d’autant plus importante à considérer qu’elle se superpose avec celle de H₂O. Une dernière bande autour de 4300 nm est considérée sur le plan thermique mais négligeable sur le plan énergétique.

Notons que d’autres gaz absorbent une partie des rayons infrarouges (CO, CH₄, N₂O) mais leur effet est négligeable devant l’apport global d’énergie du rayonnement solaire sur la terre.