Glossaire

diffusion

  Curieux  

La notion de diffusion est très générale : elle suppose d'abord la définition d'une grandeur que l'on associe à une matière, une énergie ou une information et que l'on peut mesurer ou repérer dans le temps et l'espace ; puis, l'existence d'une source qui émet cette grandeur dans un milieu donné ; enfin, à partir de cette source, la propagation de cette grandeur au sein de ce milieu suivant une direction ou un ensemble de directions qui en recouvre une région connue.

Ainsi, la diffusion d'informations consiste en une propagation et une dissémination d'informations détenues en un ou plusieurs points initiaux, s'effectuant depuis ce ou ces points par quelque média que ce soit, et en particulier, comme c'est souvent le cas pour les données et produits météorologiques, par télécommunication. Le mode technique, la chronologie et l'étendue de la diffusion de ces informations en météorologie opérationnelle sont organisés aux échelles supranationales par des accords entre pays ou groupes de pays membres de l'OMM dans le cadre du Système mondial de télécommunications de la VMM.

Les sciences physiques, quant à elles, étudient comment s'effectue au sein d'un fluide la diffusion d'une grandeur conservative, c'est-à-dire la propagation d'une grandeur dont une valeur est attribuable à chaque parcelle de ce fluide et reste constante lors des mouvements de cette parcelle. Les grandeurs alors étudiées sont généralement, soit des caractéristiques du fluide en mouvement (par exemple la quantité de mouvement — produit de la masse par la vitesse — , la quantité de chaleur...), soit des grandeurs caractérisant la quantité de matière ou la masse d'un corps matériel étranger — lui-même fluide et continu, ou bien corpusculaire — qui, par suite de ce mouvement, s'infiltre et se répand au sein du fluide considéré. En météorologie, un thème d'application particulièrement important de la diffusion des corps matériels dans l'air est bien entendu l'étude de la pollution atmosphérique.

Une autre domaine essentiel d'application de la notion de diffusion réside dans la propagation dans toutes les directions d'un rayonnement initialement unidirectionnel, sans perte de l'énergie qu'il transporte, après qu'il a pénétré dans un milieu pouvant être considéré comme constitué de particules avec lesquelles il interagit. Ce phénomène de rayonnement diffus s'applique tout particulièrement aux rayonnements électromagnétiques, parmi lesquels figure le rayonnement solaire ainsi que les rayonnements infrarouges émis par la surface et l'atmosphère terrestres. Dans ce cas, un rayon de lumière traversant l'atmosphère subit généralement une multiplicité de diffusions successives. Lors de chacune d'entre elles, il peut soit continuer son trajet dans une direction assez proche de celle qu'il maintenait (c'est la diffusion vers l'avant), soit être repoussé dans une direction plus ou moins proche de celle d'où il venait (c'est la diffusion vers l'arrière ou rétrodiffusion) ; ce dernier cas équivaut en fait à une réflexion contre la particule rencontrée, qui cependant ne s'opère pas dans une direction déterminée univoquement par l'angle d'incidence sur la surface de la particule, à la différence de la réflexion contre un miroir ou réflexion spéculaire : aussi ce processus est-il encore appelé une réflexion diffuse. Seule la résultante globale de ces parcours successifs décide de la destination finale d'un rayonnement solaire traversant l'atmosphère sans y avoir été absorbé ni directement réfléchi : globalement, sa diffusion vers le bas lui permet ainsi d'atteindre la surface terrestre où il sera soit réfléchi, soit absorbé, tandis que sa diffusion vers le haut équivaut à une réflexion vers l'espace d'où il provient ; une partie de ce rayonnement, toutefois, parviendra directement jusqu'à la surface terrestre sans avoir subi de diffusion.


  Initié  

La diffusion des propriétés de l'atmosphère

Une propriété d'un fluide peut se caractériser par une grandeur conservative se répartissant au sein de ce fluide suivant une certaine densité. Quand la valeur prise par cette densité s'accroît au cours du temps en un point fixe M traversé par le fluide, la vitesse de sa croissance est d'autant plus forte qu'un certain coefficient positif, la diffusivité du fluide en M (indépendante de la nature de la propriété considérée), admet une valeur plus élevée ; ce coefficient est a priori fonction de la position de M et de la nature du fluide, mais aussi de l'échelle spatio-temporelle à laquelle le mouvement de celui-ci peut être observé.

Dans l'atmosphère, la diffusivité associée à la turbulence et à la convection est beaucoup plus importante que celle qui est produite par les mouvements des molécules d'air ; d'autre part, l'amplitude qu'y prend en un point M la diffusion reste la même quelle que soit la direction permise par le contenant de l'air autour de M : on dit que c'est une diffusion fickienne (du nom du physiologiste allemand Adolph Fick [1829-1901]). Le processus de diffusion atmosphérique permet le mélange des composants de l'air entre eux ou celui de l'air avec toute substance émise par un milieu contigu (par exemple l'eau évaporée de la surface de l'océan) ; il assure l'homogénéité chimique de l'atmosphère jusqu'à une altitude d'une centaine de km : c'est le domaine de l'homosphère, au-dessus duquel la proportion volumique des composants les plus légers s'accroît de plus en plus aux dépens des gaz plus lourds à mesure que l'on s'élève dans le domaine de l'hétérosphère.


Diffusion du rayonnement solaire et taille des particules atmosphériques

Les vibrations des molécules diatomiques d'oxygène et d'azote interagissent avec le rayonnement solaire pénétrant dans l'atmosphère sans capter l'énergie de rayonnement de celui-ci, mais en le dispersant dans toutes les directions ; cette dispersion est d'autant plus accentuée que les longueurs d'onde des rayons incidents sont plus petites, ce qui explique la dominante bleue de la couleur du ciel : il s'agit d'une diffusion de Rayleigh — d'après le nom du physicien anglais John William Strutt, lord Rayleigh (1842-1919) — , dans laquelle les particules dispersives ont des dimensions d'un ordre de grandeur tout au plus égal au dixième de la longueur d'onde du rayonnement incident (un autre exemple de diffusion de Rayleigh est fourni par l'interaction entre les ondes qu'émettent les radars météorologiques et les particules liquides ou solides des précipitations). Les aérosols de très petite dimension flottant dans l'atmosphère contribuent eux aussi à une diffusion de Rayleigh du rayonnement solaire, mais avec une sélection différente des longueurs d'onde.

Les gouttelettes et les cristaux de glace, qui sont de taille nettement supérieure à celle des molécules d'air et de ces aérosols, interagissent également sans perte d'énergie avec la lumière qui pénètre dans les nuages. Ils le font toutefois selon un tout autre processus physique, indépendant de la longueur d'onde des rayons incidents : il s'agit d'une diffusion de Mie — du nom du physicien allemand Gustav Mie (1868-1957) —, qui caractérise les milieux corpusculaires dont les particules ont un rapport de dimension se situant entre 0,1 et 50 environ en comparaison de la longueur d'onde du rayonnement traversant ces milieux ; de cette insensibilité à la longueur d'onde vient la couleur normalement blanche ou grisâtre des nuages.