Le CO2 dans les basses couches atmosphériques (partie 2)

La présence de CO2 dans les basses couches atmosphériques peut-elle avoir une influence sur le climat en modifiant le bilan énergétique global de la Terre ? Le bilan énergétique doit tenir compte du fait que pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper l’énergie reçue du Soleil et que différents mécanismes de dissipation sont possibles. Le modèle le plus complet est celui proposé par la NASA (fig. 1).

Fig. 1  Bilan énergétique de la Terre selon la NASA

D’après ce bilan 30 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère seraient réfléchis par les nuages, l’atmosphère et la surface terrestre : c’est l’albédo de la  Terre. L’atmosphère et les nuages absorberaient en plus 19 % du rayonnement solaire transmis et finalement  51 %  seulement seraient absorbés par les continents et les océans. Cette énergie serait dissipée ensuite par trois mécanismes distincts : évaporation de l’eau des océans (23 %), convection de l’air (7 %) et rayonnement thermique (21 %). Remarquons sur la fig. 1 qu’une petite fraction seulement de l’énergie détectée au sommet de l’atmosphère sous forme de rayonnement provient directement de la surface terrestre (fine flèche rouge à droite). Finalement toute l’énergie dissipée par la surface terrestre (quel que soit le mécanisme) ou absorbée directement par l’atmosphère et les nuages est convertie en rayonnement dans les couches supérieures de l’atmosphère (large flèche rouge) car c’est le seul mécanisme d’évacuation de cette énergie hors de l’atmosphère terrestre. Le rayonnement détecté par satellite à haute altitude (70 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère) provient donc essentiellement des couches supérieures de l’atmosphère à des températures beaucoup plus froides que la surface terrestre.

Si on considère la Terre comme un corps noir à 15°C l’équation de  Planck (fig. 1 ici ) permet de calculer que 95 % du spectre d’émission sera compris entre 5 et 40 µm et la loi de Wien prévoit que le rayonnement émis devrait présenter un maximum d’intensité à 10 µm. D’après le bilan proposé par la NASA 15 % du rayonnement thermique émis par la Terre sont absorbés par divers constituants atmosphériques. La fig. 2 montre qu’il s’agit principalement de la vapeur d’eau mais aussi du CO2.

Fig. 2 Transmittance de l’atmosphère

Des zones de transparence atmosphérique apparaissent  (en  bleu sur la figure), notamment entre 8 à 13 µm. En intégrant l’équation de Planck dans cet intervalle de longueurs d’onde on trouve que 30 % du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cette zone de transparence atmosphérique soit env. 6 %  de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère (30 % de 21 %).  Ce résultat est en accord avec le bilan de la NASA (fig. 1) qui fait effectivement état de 6 % d’énergie rayonnée directement vers l’atmosphère.

Le CO2 présente une bande d’absorption dans le domaine du rayonnement thermique de la Terre. Elle est présentée sur la fig. 3 pour une teneur en CO2 de 357 ppm (0,0357 %) en présence de 2,6 % en vapeur d’eau, conditions correspondant à la composition atmosphérique en 1993 (date d’enregistrement du spectre).

Fig. 3  Spectre d’absorption du CO2

Cette bande d’absorption centrée à 15 µm (branche Q) permet l’excitation de la molécule à un état de vibration impliquant sa déformation angulaire. Les branches P et R sont dues à l’existence de sous-niveaux de rotation pour chaque niveau de vibration (fondamental et excité). En intégrant l’équation de Planck cette fois dans le domaine de 14 à 16 µm, domaine d’absorption du CO2, on calcule que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cet intervalle de longueurs d’onde. En fin de compte le CO2 , quel que soit son coefficient d’absorption, ne pourrait absorber au maximum que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre (représentant 21 % de l’énergie totale reçue du Soleil) soit un peu moins de 2 % de l’énergie totale reçue du Soleil  au sommet de l’atmosphère.

Les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre ont une durée de vie limitée. Elles se désactivent endéans quelques microsecondes par collisions avec les molécules environnantes (voir ici ), principalement N2 et O2. Dans ces conditions  il y a conversion d’une fraction ∆ de l’énergie de vibration du CO2 en énergie cinétique de translation des molécules N2 (ou O2) :

∆Ev (vibration) de CO2   +    N2           ∆Ec (translation) de N2    +    CO2

Bien que l’absorption du rayonnement thermique de la Terre entre 14 et 16 µm soit sélective par les molécules de  CO2 (fig. 2 et 3) cet excédent d’énergie se répartit sur l’ensemble des molécules environnantes suite aux multiples collisions. Au total 2 %  de l’énergie reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère terrestre seront convertis en mouvements de convection au détriment de l’intensité du rayonnement thermique.

En conclusion la présence de CO2 dans l’atmosphère ne modifie pas le bilan énergétique global de la Terre mais seulement l’importance relative des différents mécanismes de dissipation de l’énergie reçue du Soleil. Ceci ne peut avoir aucune influence sur la température globale moyenne de la surface terrestre.

 

 

 

 

(Visited 180 times, 1 visits today)

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *