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22.4 : Diffusion - Géosciences


22.4.1.1. Épaisseur optique

Graphique 22.42 La lumière incidente (longues flèches vers le bas) peut être diffusée (petites flèches dans toutes les directions) par des particules (points gris) qui se trouvent sur le trajet de la lumière. Les chemins avec peu de particules (a) diffusent moins de lumière et transmettent plus de lumière que les chemins avec beaucoup de particules (b).

La lumière peut se disperser sur les molécules d'air, les particules polluantes, la poussière et les gouttelettes de nuage. Plus de particules dans l'air provoquent une plus grande diffusion de la lumière (Fig. 22.42). Le rapport de transmis (jetrans , non dispersé) à incident (Io) la lumière peut être quantifiée à l'aide du optique épaisseur ou alors profondeur optique ( au) (sans dimension) dans la loi de Beer :

egin{align}frac{I_{t r a n}}{I_{o}}=e^{- au} ag{22.20}end{align}

Ainsi, la quantité relative de lumière diffusée (Iscat) est:

egin{align}frac{I_{ ext {scat}}}{I_{o}}=1-frac{I_{ ext {tran}}}{I_{o}}=1-e^{ - au} ag{22.21}end{align}

Une épaisseur optique nulle signifie qu'aucune lumière n'est diffusée, tandis que ( au) > 5 implique que pratiquement toute la lumière est diffusée. L'épaisseur optique augmente pour des trajets plus longs et pour des concentrations de particules plus élevées. Les exemples sont ( au) = 0,03 à 0,3 pour une atmosphère propre et sèche, et ( au) > 10 pour des nuages ​​épais.

Exemple d'application

Quelle fraction de lumière est diffusée pour ( au) = 2 ?

Trouve la réponse

Soit : ( au) = 2

Trouver : jescat/JEo = ?

Utilisez l'éq. (22.21) : jescat/JEo = 1 –e–2 = 0.865 = 86.5%

Vérifier: Unités OK. Les grandeurs s'accordent avec le texte.

Exposition: Une grande partie de la lumière est diffusée. Cette profondeur optique peut se produire dans un air pollué.

22.4.1.2. Polarisation

La lumière se propageant dans la direction x peut être considérée comme ayant des oscillations dans les directions y et z (Fig. 22.43). C'est de la lumière non polarisée. Les filtres polarisants éliminent les oscillations dans un sens (par exemple, la courbe ombrée) tout en laissant passer les autres oscillations. Ce qui reste est polarisé lumière, qui a la moitié de l'intensité du rayon non polarisé.

Graphique 22.43 La lumière non polarisée se compose de deux parties à polarisation croisée.

La lumière du soleil se polarise lorsqu'elle est diffusée par les molécules d'air. La quantité maximale de polarisation se produit le long d'un arc dans le ciel qui est à 90° du soleil, vu du sol (Fig. 22.44).

Graphique 22.44 Arc de polarisation maximale dans le ciel dû à la diffusion Rayleigh.

Si le ciel diffuse la lumière avec une seule polarité et qu'un filtre de caméra polarisant ou des lunettes de soleil polarisées sont tournés pour l'éliminer, alors pratiquement aucune lumière du ciel n'atteint la caméra ou l'observateur. Cela donne au ciel un aspect d'un bleu très profond, offrant un arrière-plan très frappant dans les photographies de nuages ​​ou d'autres objets. Si vous souhaitez maximiser cet effet, choisissez un angle de caméra tourné vers l'arc de 90 ° du soleil.

22.4.1.3. Types de diffusion

Le type et l'efficacité de la diffusion dépendent du rapport du diamètre de particule D à la longueur d'onde de la lumière. Le tableau 22-4 résume les types de diffusion. Les plages de tailles réelles des gouttelettes de nuages ​​et des aérosols sont plus larges que celles indiquées dans ce tableau.

Tableau 22-4. Diffusion de la lumière visible.

D = diamètre des particules. = longueur d'onde de la lumière.

La diffusion varie avec
D /ParticulesDiamètre, D (µm)TaperPhénomènesλDirectionPolarisation
< 1molécules d'air0,0001 à 0,001Rayleighciel bleu, couchers de soleil rougesXX
≈ 1aérosols (smog)0,01 à 1,0Miebrouillard brunXXX
> 1gouttelettes de nuage10 à 100géométriquenuages ​​blancsX

Les molécules d'air ont des tailles de D 0,0001 à 0,001 µm, qui sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière (λ = 0,4 à 0,7 µm). Ces particules provoquent Diffusion de Rayleigh. Le rapport de l'intensité diffusée du rayonnement Iscat à l'intensité du rayonnement incident Io est:

egin{align}frac{I_{ ext {scat}}}{I_{o}} approx 1-exp left[-frac{a cdotleft(n_{ ext {air}} -1 ight)^{2}}{ ho cdot lambda^{4}} cdot x ight] ag{22.22}end{align}

où a = 1,59x10–23 kg, est la densité de l'air, nair est l'indice de réfraction et x est la longueur du trajet de la lumière dans l'air.

Graphique 22.45 En haut : diffusion Rayleigh relative. Milieu : spectre de Planck pour le soleil. En bas : produit des deux courbes du haut, indiquant la quantité de lumière solaire diffusée dans l'air pur.

La figure 22.45a montre la quantité relative de diffusion par rapport à la longueur d'onde. À cause du–4 dépendance, les longueurs d'onde plus courtes telles que le bleu et le violet sont diffusées beaucoup plus (environ un facteur 10) que la lumière rouge, ce qui provoque notre ciel bleu Couleur. Pour la lumière brillant verticalement à travers une atmosphère propre et sèche, ( au) = 0,3 pour la lumière violette et 0,03 pour le rouge.

L'intensité de la lumière solaire varie selon la loi de Planck (Fig. 22.45b et le chapitre Rayonnement solaire et infrarouge). Le produit des 2 courbes du haut montre la quantité de lumière solaire diffusée dans l'atmosphère (Fig. 22.45c). Toutes les courbes ont été normalisées pour avoir un maximum de 1,0.

La courbe de la figure 22.45c culmine dans la partie ultraviolette du spectre. Bien que cela ne soit pas visible à l'œil nu, la lumière ultraviolette diffusée peut affecter les films photographiques pour produire une image qui semble plus floue que la vue à l'œil nu. Les filtres Haze sur les caméras peuvent filtrer cette lumière ultraviolette dispersée indésirable.

Exemple d'application

Quelle fraction de la lumière violette incidente est diffusée par les molécules d'air le long d'un trajet de rayon horizontal de 20 km près de la Terre ?

Trouve la réponse

Soit : x = 5x106 m, = 4x10–7 m pour violette

Trouver : jescat/JEo = ?

Supposons : = 1 kg·m–3 pour la simplicité

Utilisez l'éq. (22.22) : jescat/JEo =

( 1-exp left[-frac{left(1.59 imes 10^{-23} mathrm{kg} ight) cdot(0.0002817)^{2}}{left(1 mathrm{kg} cdot mathrm{m}^{-3} ight) cdotleft(4 imes 10^{-7} mathrm{m} ight)^{4}} cdotleft (2 imes 10^{4} mathrm{m} ight) ight]
=underline{f{0.627}}=62.7 \% ext { dispersé })

Vérifier: Unités OK. Physique OK.

Exposition: En regardant vers l'horizon, les objets éloignés sont difficiles à voir car une partie de la lumière est perdue. Les rayons verticaux sont moins diffusés, car la densité de l'air diminue avec l'altitude.

Gustov Mie a proposé une théorie complète qui décrit la réflexion, la diffusion, la polarisation, l'absorption et d'autres processus pour les particules de toutes tailles. La théorie se réduit à la diffusion Rayleigh pour les particules plus petites que la longueur d'onde de la lumière, et à la diffusion géométrique pour les particules plus grosses. Les particules d'aérosol ont une taille intermédiaire, donc aucune simplification de la théorie de Mie n'est possible.

Graphique 22.46 Efficacité de diffusion Mie et couleur dominante diffusée en lumière blanche pour différents diamètres de particules.

La figure 22.46 montre que les aérosols d'un diamètre supérieur à environ 0,1 µm sont des diffuseurs de lumière 10 à 1000 fois plus efficaces que les molécules d'air, ce qui explique pourquoi l'air pollué semble trouble et a une faible visibilité. Les particules de smog en aérosol uniformes peuvent produire des couleurs bleuâtres ou brun rougeâtre, selon le diamètre dominant de l'aérosol.

La plupart des particules d'aérosol ont des diamètres inférieurs à 1 µm. La figure 22.46 montre que ces aérosols diffusent toujours plus de lumière bleue que rouge, provoquant une brume bleue. Lorsque le soleil est bas dans le ciel, les rayons lumineux traversent un très long trajet d'air en route vers l'observateur. Pour cette situation, tant de lumière bleue est dispersée (ce qui rend notre ciel bleu) par ces petits aérosols et molécules d'air qu'il laisse plus rouge dans le faisceau direct restant — donnant une belle soleil rouge au lever ou au coucher du soleil (Fig. 22.47a).

Graphique 22.47 Diffusion de la lumière du soleil lorsqu'elle parcourt un long chemin dans l'atmosphère. (a) Ciel dégagé. (b) L'air est brumeux en raison de minuscules gouttelettes d'aérosol d'acide sulfurique en suspension dans la stratosphère après une éruption volcanique.

Cependant, certains aérosols de gouttelettes acides ont un diamètre d'environ 1,5 µm, qui diffuse plus de rouge que de bleu. Dans certaines régions polluées où les processus de combustion émettent du SO2 et non2 dans l'air, ces polluants peuvent réagir avec l'eau de l'air pour former de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique. La diffusion dans cette condition crée un nuage brun brume.

Une autre source d'aérosols acides de 1,5 µm de diamètre sont les éruptions volcaniques, où les émissions de soufre se transforment en gouttelettes d'acide sulfurique dans la stratosphère. Quand le soleil est bas dans le ciel, tant de lumière rouge est dispersée que belle ciel coucher de soleil cramoisi sont souvent observées après des éruptions volcaniques (Fig. 22.47b). En outre, cela laisse le faisceau de lumière directe restant dans le soleil couchant légèrement bleu, ce qui est difficile à voir car il est si brillant. Cependant, le clair de lune direct d'une lune montante ou couchée peut souvent être bleu - provoquant un lune bleue après une éruption volcanique.

Pour les aérosols, la diffusion vers l'avant est généralement plus importante que la rétrodiffusion. La diffusion peut être polarisée.


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