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.

 

 

 

 

7 réflexions au sujet de « Le CO2 dans les basses couches atmosphériques (partie 2) »

  1. Bonjour,
    Curieusement, dans les exposés, on ne tient jamais compte de la capacité thermique des éléments. Un calcul simple montre que le rapport de stockage entre l’élément CO2 et l’élément H2O présents dans l’atmosphère est de 1/70. En clair la quantité de chaleur stockée dans le CO2 se trouvant dans l’atmosphère (0.04%) est tout juste du pipi de chat. C’est comme si on prétendait vouloir chauffer une maison en craquant une allumette.
    La température étant un potentiel, la mesure locale de celle-ci nous informe exclusivement sur la quantité de chaleur contenu dans le milieu. Connaissant la capacité thermique, nous pouvons en déduire la quantité d’énergie stockée. Le stockage de l’énergie étant limité par la saturation il est surprenant que nulle part dans les théories sur le climat apparait cette particularité non linéaire pourtant bien réelle. Dès lors qu’un élément est saturé, il devient transparent par rapport à l’énergie qui circule, c’est comme s’il n’existait plus. Nulle part on trouve les niveaux énergétiques de saturation du CO2.

    1. Les capacités thermiques de CO2 et H2O n’ont aucune influence sur le climat car il n’y a de « chaleur stockée » dans aucun de ces constituants atmosphériques. Ce qui importe c’est leur capacité à absorber le rayonnement thermique de la Terre (émis dans le domaine spectral de 5 à 40 µm) pour donner lieu à un éventuel effet de serre. La fig.2 montre que la vapeur d’eau absorbe ce rayonnement (notamment entre 5,5 et 7,5 µm) bien plus efficacement que le CO2 (à 15 µm) mais c’est sur ce dernier que porte le débat sur le réchauffement climatique d’origine anthropique. A ce sujet je vous suggère de lire mon dernier article http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique/. Concernant le « niveau de saturation » du CO2 auquel vous faite allusion vous verrez au paragraphe 3 qu’en utilisant la relation de Beer-Lambert log Io/I = A C L (avec Io = intensité incidente et I = intensité transmise à 15 µm) on trouve pour 0,04 % de CO2 en volume que log Io/I vaut 3 (99,9 % d’absorption) pour une épaisseur atmosphérique L = 8 m.

  2. Bonjour,
    Pourriez vous me donner le lien vers le site de la NASA? J’ai été voir et je ne trouve pas le graphique de la fig.1. Dans les graphiques que je trouve, la NASA indique un flux de 398 W/m2 “emitted by surface” et un flux de 340 W/m2 vers la terre de “back radiation” venant de “grenhouse gazes”. Je suis d’accord que cela ne correspond à rien mais bon, c’est sur le site de la NASA.

    1. Le graphique se trouvait sur le site http://www.nasa.gov mais il a disparu (censuré ?) probablement parce qu’il ne montrait pas de “back radiation”. Vous trouverez une remarque à ce sujet sur http://climateilluminated.com/climate/climate_science/19_orig_NASA_Energy_budget.html
      Vous pouvez aussi retrouver le graphique original de la NASA en tapant Earth’s energy budget sur Google. Ce graphique avait été repris dans de nombreux articles.

  3. Merci beaucoup. J’ai lu et même décortiqué les articles de ce site. C’est simplement ahurissant. Si c’est vrai (et je n’ai pas de raisons d’en douter), c’est la plus grosse fakenews de l’histoire contemporaine, et qui plus est venant de la NASA ??!! Remplacer un graphe qui semble correct par ce graphe avec des affirmations non fondées et qui vont à l’encontre de lois thermodynamiques solides ( je parle des flux d’émission et de back radiation )…. c’est incompréhensible! Cependant c’est ce même schéma qui est repris par le GIEC, le CEA … et pas mal d’autres pour démontrer l’effet de serre. JM Bonnamy démontre avec beaucoup de bon sens et d’humour pourquoi et comment ces flux d’émission et de back radiation ne correspondent à rien.
    Si c’est la NASA qui est à l’origine de ce tour de passe passe, c’est grave.

    1. Merci pour cet avis que je partage entièrement. La théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique constitue une des plus grande manipulation de l’histoire. A ce propos je vous recommande la lecture du livre de Christian Gérondeau “Le CO2 est bon pour la planète. Climat, la grande manipulation” (en livre de poche)

  4. La NASA n’en n’est pas à son premier tour de passe passe! En terme de manipulations ils ne pourront jamais faire mieux que l homme sur la Lune! Le coup de l intégralité des videos effacées pour re-enregistrer par dessus, officiellement pour des raisons budgétaires, je ne m en suis jamais remis!

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