4. Absorption et diffusion

La transmission

La loi de Lambert est appliquée sous cette forme en physique et en biologie, ainsi qu'en sciences de l'environnement et en géosciences :

Les chimistes reformulent la loi pour en déduire la loi de Lambert-Beer, qui leur permet de mesurer la concentration des substances absorbantes.

La transparence ou transmission T sur le chemin de 0 à $x$ est donnée par :

Elle prend des valeurs allant de 0 pour les matériaux opaques à 1 pour les matériaux totalement transparents, et peut également être indiquée en %.

La valeur maximale $T=1$ n'existe pratiquement pas. Les fenêtres en verre d'une cuvette d'échantillonnage reflètent environ 10 % de la lumière à incidence verticale. La transmission de la fenêtre ne dépasse donc pas 90 %. En outre, le rayonnement est toujours diffusé par les atomes et les molécules de la matière dans une certaine mesure. Le diagramme suivant montre l'importance de la diffusion et de l'absorption pour la transmission de l'atmosphère. Il est le résultat d'un modèle de calcul dans lequel on a supposé que la lumière traverse l'atmosphère verticalement (c'est-à-dire sur la distance la plus courte possible) un jour où la vue est parfaite et où les concentrations de gaz à effet de serre sont typiques.

Transmission de l'atmosphère sur les longueurs d'onde de 200 nm à 70 μm sur une échelle logarithmique. La diminution croissante de la transmission de VIS à UV est causée par la diffusion de Rayleigh des molécules de gaz et par l'absorption de l'ozone (O₃). Les baisses dans la gamme rouge et dans l'IR sont principalement dues à l'absorption par les gaz à effet de serre et, dans une moindre mesure, par l'oxygène (O₂) et l'ozone. Dans le paragraphe suivant, nous étudierons plus en détail l'absorption des gaz dans l'atmosphère.
Source: Wikimedia, modifié

Le diagramme montre que $T=0$ se trouve en de nombreux points du spectre. L'ozone nous protège des UV dangereux d'une part et les gaz à effet de serre évoquent l'absence de transmission dans plusieurs bandes d'absorption dans l'IR d'autre part. Dans ces domaines spectraux, l'atmosphère est un corps noir. Dans les plages spectrales à transmission variable, elle est un corps coloré. Dans l'un des paragraphes suivants, il est indiqué quels gaz sont à l'origine de cette absorption.

Les valeurs de transmission élevées dans le spectre visible font que l'atmosphère devient transparente pour la lumière du soleil. Il en va de même pour le rayonnement de température 10 μm émis par la surface de la terre. Ces plages spectrales sont les fenêtres atmosphériques qui sont importantes pour le bilan radiatif et, par conséquent, pour les températures sur terre.

La plupart du temps, la transmission de l'atmosphère est de loin inférieure à celle indiquée dans le diagramme de gauche. La photo suivante, prise depuis l'espace, montre comment la poussière, la brume et surtout les nuages empêchent de voir clairement la surface de la terre. Non seulement ils diminuent la transparence dans le spectre visible, mais ils ferment également la fenêtre optique dans l'infrarouge en raison de la forte absorption de l'eau. Outre les autres gaz à effet de serre, l'eau présente dans l'atmosphère joue donc un rôle important en ce qui concerne le temps et le climat.

Photo de l'océan Pacifique prise depuis la station spatiale internationale ISS. Éclairée par le soleil, la photo montre de nombreuses structures nuageuses qui empêchent de voir la surface de la terre. L'océan Pacifique n'est perceptible qu'au centre de la photo, grâce à la lumière du soleil reflétée par l'eau. Les couches d'air supérieures apparaissent comme un fin ruban bleu brillant à l'horizon.
Source: NASA - Johnson Space Center

Les pages suivantes illustrent comment les données de transmission et les coefficients d'absorption peuvent être déterminés expérimentalement. Nous devrons restreindre l'atmosphère et ne traiter que des échantillons liquides.