Aérosols, changement climatique et échec dramatique de la loi de Planck

En 1991, l'éruption du mont Pinatubo aux Philippines a libéré quelque 20 millions de tonnes de dioxyde de soufre dans la haute atmosphère. Le dioxyde de soufre réagit avec d'autres substances pour produire des nanoparticules en suspension dans l'air appelées aérosols de sulfate, qui ont tendance à réfléchir la lumière du soleil.

Par conséquent, au cours des deux années qui ont suivi l'éruption, la température mondiale a chuté d'environ un demi-degré.

L'effet des aérosols sur le climat de la Terre est extrêmement important mais incroyablement complexe. En plus de refroidir la Terre, certains aérosols, comme la suie, ont tendance à absorber la lumière du soleil et ainsi à réchauffer l'atmosphère.

Une énorme question en suspens dans la science du climat est de savoir comment ces processus d'absorption et de réflexion de la chaleur s'équilibrent.

Une partie du problème est que personne ne comprend comment les nanoparticules absorbent et émettent de la chaleur. En théorie, ce processus est régi par la loi de Planck, qui décrit la quantité de rayonnement électromagnétique émis par un corps noir parfait à une température donnée.

Mais en pratique, les objets réels n'émettent pas parfaitement de chaleur, les physiciens doivent donc appliquer un facteur de correction appelé émissivité spectrale. Cela dépend des propriétés de la surface de l'objet - son matériau et sa rugosité, par exemple.

Ces dernières années, cependant, des preuves alléchantes sont apparues indiquant que la forme et le volume d'un objet peuvent également jouer un rôle dans ce processus.

Aujourd'hui, Christian Wuttke et Arno Rauschenbeutel de l'Université de technologie de Vienne en Autriche montrent pour la première fois comment et pourquoi cela est vrai.

Ils soulignent que lorsqu'un objet est grand par rapport à la longueur d'onde du rayonnement qu'il émet, alors les effets de surface dominent. Mais lorsqu'un objet est petit par rapport à la longueur d'onde, alors le rayonnement peut être émis à partir de n'importe quel point dans son volume. Dans ce cas, la géométrie de la particule doit jouer un rôle.

Pour le prouver, ils ont mesuré la chaleur rayonnée par une nanofibre de silicium d'un diamètre de 500 nm, ce qui est beaucoup plus petit que la longueur d'onde du rayonnement thermique.

Ils montrent que cette émission de chaleur ne peut pas être décrite par la loi de Planck, même lorsqu'un facteur de correction est appliqué.

Au lieu de cela, Wuttke et Rauschenbeutel modélisent avec précision la sortie en utilisant une autre théorie appelée électrodynamique fluctuante, qui prend en compte la géométrie de l'expérience.

En effet, ils montrent que l'électrodynamique fluctuante peut modéliser avec précision les caractéristiques d'absorption et d'émission de chaleur des nano-objets, la première fois que cela a été possible.

Cela aura des implications importantes pour la fabrication de dispositifs émetteurs de chaleur tels que les lampes à incandescence, qui pourraient être rendus beaucoup plus économes en énergie si leur émission de chaleur était mieux contrôlée.

Mais le plus grand impact est susceptible d'être dans la science du climat. Ces résultats pourraient également conduire à une meilleure compréhension de l'impact des particules, telles que les aérosols de poussière minérale provenant de l'érosion des sols et de la suie provenant de sources de combustion, sur le système climatique via l'absorption et l'émission de rayonnement solaire et thermique, selon Wuttke et Rauschenbeutel.

Cette nouvelle approche signifie qu'il devrait être possible de déterminer les propriétés thermiques des nanoparticules individuelles à partir de principes premiers.

Ce sera un processus long et complexe, mais cela devrait être un élément crucial dans les futurs modèles de la façon dont les aérosols influencent le climat.

Réf : arxiv.org/abs/1209.0536 : Sonder la loi de Planck pour un objet plus mince que la longueur d'onde thermique

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