Modélisation d'un réchauffement par absorption d'infra-rouges

Benoît Urgelli

ENS Lyon.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/07/2001

Résumé

Modélisation permettant de mettre en évidence le rayonnement Infra-rouge et son absorption.


Proposé par Michel Petit et Jean-Louis Dufresne (Laboratoire de Météorologie Dynamique, Jussieu).

Objectif

Cette manipulation extrêmement simple ne traite pas de l'effet de serre en tant que tel, mais plutôt de l'existence du rayonnement infrarouge et du fait que certains matériaux absorbent ce rayonnement, comme certains gaz de l'atmosphère terrestre, d'autres non. C'est une étape nécessaire vers la compréhension de l'effet de serre.

Matériel et montage

Liste du matériel pour le montage :

  • Réchaud électrique
  • Détecteur infrarouge de présence
  • Des matériaux écrans qui couvrent toute la combinatoire transparent/opaque dans les domaines du visible et de l'infrarouge. Cela permettra de faire passer l'idée que les propriétés optiques dans les deux domaines du spectre ne sont pas liées :

    • un matériau peut être transparent au visible et opaque à l'IR : matériau « effet de serre »,
    • un autre au contraire opaque au visible et transparent à l'IR : matériau « anti-effet de serre ».

Écrans

Transparent dans le visible

Transparent dans l'infrarouge

la plupart des matériaux transparents (verre, plexiglas...)

oui

non

certaines matières plastiques

oui

oui

matériaux opaques classiques (bois, métal....)

non

non

certaines matières plastiques (sacs poubelles notamment...)

non

oui

Manipulations et interprétations

On prend un réchaud électrique qu'on allume. Il s'agit de faire passer rapidement entre le réchaud et la main différents écrans, plus ou moins opaques à l'IR. L'avantage d'utiliser la main est de faire directement sentir l'énergie rayonnée, l'inconvénient est qu'il faut une source assez chaude, avec des risques de brûlures pour les élèves... D'où l'intérêt d'un détecteur infrarouge de présence...

  1. En approchant sa main (ou le détecteur de présence...) au-dessus, on sent la chaleur....
  2. On prend un écran absorbant peu l'infrarouge et on l'interpose.... On constate pas ou peu de changement.
  3. Ensuite, on met un écran absorbant l'infrarouge (analogue de l'atmosphère) : on constate qu'on ne sent plus la chaleur.
  4. En posant sa main sur l'écran absorbant l'infrarouge (analogue de l'atmosphère), on ne devrait rien sentir au début, puis progressivement la surface supérieure de l'écran devrait chauffer : le rayonnement est absorbé par l'écran et le réchauffe.

Discussions sur la modélisation

Pour éviter le transfert de chaleur par convection, il serait peut-être plus judicieux de mettre le réchaud quasi vertical, et de faire passer rapidement entre le réchaud et la main différents écrans, plus ou moins opaques à l'IR. Mais la transposition ultérieure à l'atmosphère, analogie de la plaque de verre absorbant l'infrarouge sera sans doute plus délicate, puisque, pour nos élèves, l'atmosphère est à l'horizontale au-dessus de nous.

L'avantage du détecteur de présence est de ne pas nécessiter de source très chaude ; par contre l'inconvénient est que la modélisation est plus abstraite.