Le CO2 et le climat avec et sans effet de serre

De tous temps les hommes se sont intéressés au climat et ont tenté de prévoir son évolution. Dès l’Antiquité il était connu que des caractéristiques géographiques comme la latitude mais aussi l’altitude ou le voisinage de vastes étendues d’eau avaient une grande influence sur le climat. Sur cette base les climatologues ont été amenés à distinguer différents types de climats tels que tropical, désertique, tempéré, polaire, etc. Ensuite, il est progressivement apparu que le climat est un système extrêmement complexe qui dépend de l’activité solaire ainsi que de  la distance et de l’orientation de la Terre par rapport au Soleil, facteurs qui varient à des échelles de temps très différentes.

Mais depuis quelques dizaines d’années, et plus particulièrement depuis la création du GIEC en 1988 sous l’égide d’organisations internationales, le climat est envisagé globalement à l’échelle de la Terre entière sans tenir compte de particularités géographiques locales. De plus, des événements singuliers tels qu’ouragans, inondations ou sécheresses sont désormais imputés par certains climatologues à un changement climatique dont l’activité humaine serait responsable. Cette théorie du changement climatique d’origine anthropique qui a des conséquences politiques, économiques et sociales très importantes repose cependant sur une seule et fragile hypothèse : le CO2 renverrait vers la Terre une partie du rayonnement qui devrait s’échapper vers le vide interplanétaire et il en résulterait une élévation de la température « moyenne globale » à la surface de la Terre. Ce phénomène radiatif improprement appelé «effet de serre » a des défenseurs et des adversaires entre lesquels le débat est souvent impossible. Il semble cependant qu’un consensus pourrait se dégager si on pouvait donner une base quantitative à certains phénomènes sur lesquels il y a accord d’un point de vue qualitatif.

1.  A la recherche d’un consensus

On peut estimer que les scientifiques qui s’intéressent au climat, tant  partisans qu’adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique, s’accordent sur les points suivants :

  • Le climat peut changer comme il l’a toujours fait et continuera à le faire ;
  • Pour maintenir une température approximativement constante la Terre doit dissiper l’énergie reçue du Soleil et le bilan énergétique de la Terre doit tenir compte de différents mécanismes possibles ;
  • Une partie de l’énergie est dissipée par la Terre sous forme de rayonnement thermique aussi qualifié de rayonnement du « corps noir » ;
  • Certains gaz présents dans l’atmosphère, et notamment le CO2, peuvent absorber une fraction de ce rayonnement thermique.
  • Le CO2 ayant absorbé une fraction de ce rayonnement pourrait avoir une influence sur la température de la surface terrestre ou des basses couches atmosphériques.

Poser le problème en termes quantitatifs requiert la connaissance de quelques principes de physique et de plusieurs grandeurs qui sont mal connues et ne font l’objet que d’estimations souvent contestées. Pour progresser il est cependant indispensable d’accepter certaines estimations même incertaines. Nous les considérerons alors comme hypothèses de base communes aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.

a) Quantité d’énergie solaire reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère

Au niveau de l’orbite terrestre chaque mètre carré placé perpendiculairement au rayonnement solaire reçoit, en moyenne sur l’année, une puissance de 1368 W, c’est la « constante solaire ».  La valeur de 342 W m-2 au sommet de l’atmosphère est basée sur l’idée que chaque mètre carré de la surface terrestre reçoit en continu le quart de 1368 W car la Terre n’intercepte le rayonnement solaire que sur une surface égale à celle d’un disque de même rayon. Cette valeur n’est pas mesurée mais calculée en admettant une distribution uniforme de l’énergie sur toute la surface terrestre sans tenir compte ni d’un hémisphère non éclairé, ni d’une variation en fonction de la latitude. De ce fait, elle est certainement surestimée mais une valeur correcte tenant compte de la vitesse de rotation de la Terre et de l’inclinaison de son axe de rotation donnerait lieu à des difficultés de calcul insurmontables. En attribuant à la Terre un albédo de 0,3 impliquant non seulement  l’énergie réfléchie par la surface terrestre et par l’atmosphère mais aussi et principalement par les nuages, le rayonnement effectivement reçu par la surface terrestre serait alors réduit à 70 % de 342 W m-2 soit environ 240 W m-2. Acceptons cette valeur comme une première hypothèse de base commune aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.

b) Fraction d’énergie émise par la Terre sous forme de rayonnement thermique

Pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper l’énergie reçue du Soleil par différents mécanismes : convection, évaporation de l’eau des océans et rayonnement thermique. Il subsiste une grande incertitude concernant  l’importance relative de ces différents  mécanismes mais le modèle le plus généralement admis est celui proposé par la NASA (voir ici). Selon la NASA  21 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère seraient dissipés par rayonnement thermique, seul mécanisme susceptible de donner lieu à un « effet de serre ». L’évaporation de l’eau des océans et la convection de l’air interviendraient respectivement pour 23 % et 7 %. Ces proportions ne résultent pas de mesures mais d’estimations et surprennent car la convection est généralement le mécanisme prépondérant pour des objets à température et pression ambiantes tandis que le rayonnement thermique ne devient important qu’à haute température. Acceptons néanmoins le bilan thermique proposé par la NASA comme une deuxième hypothèse de base commune aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique. Notons cependant que pour Sorokhtin et collaborateurs [1] la convection interviendrait pour 34 %, l’évaporation de l’eau des océans pour 13 % et  le rayonnement thermique pour 4 % seulement. 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 car c’est le seul mécanisme d’évacuation de cette énergie hors de l’atmosphère terrestre. En haute altitude les satellites détectent effectivement un rayonnement  moyen de 240 W m-2, en accord avec le paragraphe 1a ci-dessus, mais les valeurs locales peuvent varier de 122 W m-2 au dessus de l’Antarctique à 265 W m-2 au dessus de la Basse Californie avec une différence de l’ordre de 50 W m-2 entre pôles et équateur. Ce rayonnement moyen provient essentiellement des couches supérieures de l’atmosphère à des températures beaucoup plus basses que la surface terrestre.  

c) Fraction du rayonnement thermique de la Terre absorbée par le CO2.

En admettant que la Terre se comporte comme un corps noir à la température de 288 K (15 ° C) l’équation de  Planck permet de calculer que 95 % du rayonnement thermique seraient compris entre 5 et 40 µm. Le CO2 présente une bande d’absorption dans l’infrarouge centrée à 15 µm et on trouve, en intégrant l’équation de Planck dans le domaine de 14 à 16 µm, que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cet intervalle de longueurs d’onde. On en déduit que, quel que soit son coefficient d’absorption, le CO2 ne pourrait absorber qu’un peu moins de 2 % (9,3 % de 21 %) de l’énergie totale reçue du Soleil  au sommet de l’atmosphère, soit environ 6 W m-2  (voir ici). Acceptons cette valeur comme une troisième hypothèse de base commune aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.  Remarquons cependant que les océans occupent 71 % de la surface terrestre et qu’il est difficile de les considérer comme corps noir puisque l’eau n’absorbe (et donc ne peut émettre) toutes les longueurs d’onde avec la même efficacité dans le domaine de 5 à 40 µm (250 à 2000 cm-1) comme l’indique la fig. 1.

d) Equilibre vibrationnel du CO2 dans les basses couches atmosphériques

A la pression d’une atmosphère et à la température de 15°C les molécules de l’air sont animées de mouvements de translation à des vitesses de l’ordre de 500 m par seconde. Dans ces conditions chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde (voir ici ). Si elles disposent de l’énergie suffisante elles peuvent aussi entrer en vibration avec variation rapide et périodique des longueurs ou des angles de leurs liaisons interatomiques. Les molécules biatomiques  N2 et O2 sont très rigides et ne vibrent pratiquement pas à 15°C. Par contre, les molécules triatomiques de CO2, linéaires à l’état fondamental O=C=O,  peuvent se  déformer facilement et devenir anguleuses en vibrant. L’énergie requise pour atteindre cet état de vibration peut être calculée à partir de la bande d’absorption détectée à 15 µm dans le spectre infrarouge du CO2  grâce  à la relation Ev = hc/λ (où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde du rayonnement absorbé, dans ce cas 15 µm). Cette valeur n’est que de 30 % supérieure à l’énergie cinétique moyenne des molécules environnantes N2 et O2 qui, d’après la théorie cinétique des gaz,  vaut Ec = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la  température en Kelvin). Or, beaucoup de molécules ont une énergie cinétique supérieure à cette valeur moyenne car les énergies cinétiques de translation Et = mv2/2 présentent une large distribution continue qui suit la statistique de Maxwell-Boltzmann. La fonction mathématique correspondante permet de calculer qu’à 15°C plus de 40 % des molécules N2 et O2 ont suffisamment d’énergie cinétique pour amener les molécules de CO2 à leur plus bas niveau de vibration lors d’une collision inélastique (sans conservation de l’énergie cinétique). On admet généralement que 0,001 % des collisions sont inélastiques (voir 2c ci-dessous) ce qui représente encore plusieurs dizaines de milliers par seconde. Dans ces conditions  il y a conversion d’une fraction ∆ de l’énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 en énergie de vibration du CO2 :

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

Cette conversion est réversible et les molécules de CO2 excitées se désactivent endéans quelques microsecondes pour retourner à l’état fondamental  lors de nouveaux chocs avec les molécules environnantes qui, de ce fait, acquièrent temporairement un surcroît d’énergie cinétique de translation. Il existe donc un équilibre dynamique résultant des très nombreuses collisions. Il ne dépend que de la température et de la pression (par le biais de la distribution des énergies et du nombre de chocs entre molécules). Quoique ce ne soient pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui vibrent la proportion de molécules en état de vibration reste constante à une température et une pression déterminées (40 % à 15°C et à la pression d’une atmosphère). Admettons le transfert d’énergie entre molécules de CO2 et molécules environnantes comme quatrième hypothèse de base commune aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.

A ce stade de la discussion si les quatre points ci-dessus font l’objet d’un large consensus entre partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique leur divergence d’opinion pourrait donner lieu un véritable débat scientifique. Cette divergence d’opinion se manifeste fondamentalement à propos du mécanisme de désactivation des molécules de CO2 excitées par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre. Envisageons successivement avec le maximum d’objectivité les arguments scientifiques présentés par les uns et les autres.

2. Influence du CO2 sur le climat

Les partisans de la théorie du  changement climatique d’origine anthropique  invoquent à l’appui de leur thèse l’existence d’un « effet de serre » alors que leurs adversaires contestent cette hypothèse. Avant toute discussion  il est essentiel d’en bien définir le sujet, en l’occurrence l’effet de serre.

a) Définition de l’effet de serre

Il existe un grand nombre de définitions de l’effet de serre. Gerlich et Tscheuschner en rappellent plus d’une demi-douzaine (voir paragraphe 3.3 ici) qui, pour la plupart, résultent d’une mauvaise compréhension du phénomène qui  intervient réellement dans une serre agricole. Certains média destinés au grand public font appel à une analogie naïve en prétendant que les gaz à effet de serre entourent la Terre « comme une couverture » et l’empêchent de perdre sa chaleur. La seule définition de l’effet de serre qui décrit clairement le phénomène envisagé et répond, de plus,  au critère de réfutabilité énoncé par Popper est la suivante :

« L’effet de serre est un phénomène radiatif causé par des gaz tels la vapeur d’eau ou le CO2 qui absorbent une fraction du rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémettent  ensuite dans toutes  les directions et notamment vers la surface terrestre dont la température serait, de ce fait, plus élevée qu’en l’absence de gaz absorbant l’infrarouge. Ces gaz sont dès lors qualifiés de  gaz « à effet de serre ».

Considérons cet énoncé comme une définition scientifique acceptable tant par les partisans que par les adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.

 b) Influence du CO2 sur le climat avec effet de serre.

L’argument le plus souvent avancé par les partisans de la théorie du  changement climatique d’origine anthropique est qu’en l’absence de gaz à effet de serre la température « globale moyenne » de la Terre serait de – 18°C au lieu de la température généralement admise de 15 °C. En réalité cette différence de 33 °C, parfois présentée même comme une définition de l’effet de serre, est basée sur un calcul incorrect. En effet, la température de – 18°C est obtenue en introduisant  dans la formule de Stefan-Boltzmann la valeur de 240 W m-2 mesurée par satellite (voir 1b ci-dessus). Or, la formule de Stefan-Boltzmann n’est valable que si le rayonnement thermique est le seul mécanisme d’échange énergétique (voir ici). Cette valeur de – 18°C correspondrait donc à une Terre sans atmosphère et non sans gaz à effet de serre. Mais sans atmosphère l’albédo de la Terre serait voisin de 0,1 (comme celui de la Lune) et non 0,3  valeur due largement à la présence de nuages (voir 1a ci-dessus). Avec un albédo de 0,1 la quantité d’énergie reçue par la Terre en provenance du Soleil puis réémise serait 308 W m-2 et non 240 W m-2. L’application,  justifiée cette fois, de la formule de Stefan-Boltzmann conduirait à une température de 271 K (soit – 2°C) pour une Terre sans atmosphère. La différence de 17°C entre cette valeur théorique et la température « moyenne  globale» de la Terre est due à la présence d’une atmosphère.

En effet, à  chaque niveau de la colonne d’air qui exerce une pression sur la surface terrestre l’énergie est la somme de l’énergie cinétique des molécules (premier terme qui dépend de la température T) et de leur énergie potentielle (second terme qui dépend de l’altitude h) :

E = (Cp . T) + (g . h)

Cp est la capacité calorifique massique de l’air et g l’accélération due à la pesanteur. En absence d’échange avec l’environnement cette énergie est constante et sa variation est nulle :

dE = Cp dT + g dh  = 0          d’où         dT = – g/Cp .dh

En intégrant on trouve :

T – T0  =  – (g /Cp) (h –ho)

Dans cette formule ho est une altitude de référence où la température vaut To. Le facteur g/Cp est appelé gradient adiabatique (« lapse rate » en anglais). Cette formule indique que la température diminue linéairement lorsque l’altitude augmente. Avec g = 9,8 m s-2 et Cp = 1005 J kg-1 K-1 pour l’air sec  on trouve un gradient adiabatique de 9,75 K/km, ordre de grandeur généralement admis en atmosphère sèche. La capacité calorifique massique de l’air humide étant plus élevée le gradient adiabatique  sera plus faible et dépendra de la température. Une valeur « environnementale moyenne » de 6,5 K/km est prise en compte par l’International Civil Aviation Organization (ICAO). Sur cette base en prenant la température de 15° C comme référence au niveau de la mer on calcule que la température souvent citée de – 18°C serait atteinte à une altitude de 5100 m. La différence de 33° C observée par rapport à 15° C est évidemment due à la pression atmosphérique et ne peut être considérée comme la manifestation d’un effet de serre.

Si les 2 % de l’énergie solaire absorbés par le CO2 à partir du rayonnement thermique de la Terre (voir 1c  ci-dessus) sont réémis dans toutes les directions il n’y  en aurait pas plus de la moitié qui atteindrait la surface terrestre soit environ 3 W m-2. Pour fixer un ordre de grandeur rappelons qu’un être humain au repos dissipe 60 à 100 W sous forme de chaleur. L’augmentation de température due à un éventuel effet de serre serait donc bien inférieure à celle résultant de la présence d’un être humain occupant une surface d’un mètre carré. Encore faudrait-il que la surface terrestre puisse réabsorber spécifiquement le rayonnement de longueur d’onde 15 µm d’abord émis par la surface terrestre puis absorbé par le CO2 et finalement réémis. Ce serait en contradiction avec l’hypothèse que la Terre se comporte comme un corps noir (ou gris) qui, à l’équilibre thermique, ne peut pas absorber plus d’énergie qu’il n’en émet (voir ici ). On pourrait objecter que les océans qui occupent 71 % de la surface terrestre ne se comportent pas comme un corps noir (ou gris). En effet, l’eau liquide présente une large bande d’absorption centrée à 14,8 µm (675 cm-1). Connaissant le coefficient d’absorption de cette bande (voir fig. 1) on peut calculer que l’absorption d’un rayonnement de longueur d’onde 15 µm serait pratiquement totale sur une épaisseur de 15 microns. L’absorption d’énergie par cette couche très superficielle ne pourrait évidemment contribuer au réchauffement des océans.

Fig. 1 Spectre d’absorption de l’eau liquide dans le domaine de l’infrarouge thermique

On peut en conclure que l’effet de serre, s’il existait, ne pourrait conduire à un réchauffement de la surface terrestre émergée mais seulement à un léger accroissement du mécanisme de dissipation de l’énergie par évaporation de l’eau des océans au détriment du rayonnement thermique.

c) Influence du CO2 sur le climat sans effet de serre

Le principal argument qui conduit à réfuter la théorie de l’effet de serre est que la probabilité de désactivation radiative du CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre est pratiquement nulle car l’équilibre vibrationnel mentionné en 1d ci-dessus ne dépend que de la température et de la pression. La fraction de molécules à l’état de vibration restera donc voisine de 40 % à des pressions voisines d’une atmosphère et à la température de 15 °C, quelle que  soit la quantité d’énergie absorbée à partir du rayonnement thermique de la Terre car cet apport d’énergie supplémentaire sera rapidement converti en énergie de translation des molécules environnantes.

La conversion d’énergie de vibration en énergie de translation (V → T) est un phénomène bien connu dont l’étude s’est développée grâce aux progrès de la technologie laser permettant d’obtenir sélectivement différents états de vibration [2]. En particulier la désactivation par collisions de molécules de CO2 à leur plus bas niveau énergétique de vibration ( notées CO2*a été bien étudiée et les constantes de vitesse de la  réaction :

CO2*   +   N2  (ou O2)   →  CO2   +   N2  (ou O2)

ont  été mesurées entre 300 et 140 K [3]. Elles  sont de l’ordre de 105 fois inférieures à ce que l’on aurait pu prévoir sur la base du nombre total de collisions (plusieurs milliards par seconde) car elles résultent seulement des collisions inélastiques qui ne représentent, en général, que 0,001 % du nombre total de collisions. D’autre part, la conversion inverse d’énergie de translation en énergie de vibration (T → V) a aussi été étudiée dans le cas du CO2.  A des altitudes de l’ordre de 100 km l’énergie de translation d’atomes d’oxygène peut être transférée à des molécules de CO2 et convertie en énergie de vibration [4] :

O   +   CO2     →    O   +   CO2*

A cette altitude la pression est si faible que le nombre de collisions entre molécules n’est plus que de l’ordre de 1000 par seconde et une fraction  des molécules de CO2* peuvent alors se désactiver avec émission d’un rayonnement de longueur d’onde λ =15 µm:

CO2*    →      CO2   +    Ev ( = hc/λ)

On attribue à cette réaction un effet de refroidissement de l’atmosphère  par conversion d’énergie cinétique en rayonnement [5].

Ces exemples  confirment qu’à 15° C et à des pressions voisines d’une atmosphère les molécules de CO2 en état de vibration se désactiveront par collisions avec les molécules environnantes comme  mentionné au paragraphe 1d ci-dessus.  Dans ces conditions régnant à la surface de la Terre l’effet de serre ne peut avoir lieu. La désactivation radiative d’un état excité ne peut entrer en compétition avec la désactivation par collisions que pour des états excités de très courte durée de vie (10-9 à 10-7s) qui peuvent émettre un rayonnement avant qu’une collision inélastique ne se produise. C’est le cas de nombreuses molécules organiques complexes dont la fluorescence est observée en solution. La désactivation radiative est aussi possible si la fréquence des collisions intermoléculaires est très faible (en milieu gazeux à très faible pression comme dans l’exemple ci-dessus ou en milieu vitreux rigide). Ces résultats permettent de conclure que les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactiveront selon le mécanisme mentionné au paragraphe 1d ci-dessus et l’apport d’énergie supplémentaire sera rapidement converti en énergie de translation des molécules environnantes ce qui aura pour effet d’augmenter les mouvements de convection qui contribuent à dissiper l’énergie solaire absorbée par la surface terrestre.

3. Conclusion

De cet exposé on peut conclure que l’effet de serre, tel que défini en 2a ci-dessus, n’existe pas au niveau des basses couches atmosphériques et que, même s’il existait, l’apport d’énergie résultant de l’absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre serait rapidement converti en évaporation de l’eau des océans. Par contre, en l’absence d’effet de serre ce  sont les mouvements de convection de l’air qui sont légèrement accentués. Dans l’un et l’autre cas le bilan énergétique global de la Terre ne sera pas modifié puisque finalement toute l’énergie dissipée par la surface terrestre, quel que soit le mécanisme, est convertie en rayonnement dans les couches supérieures de l’atmosphère car c’est le seul mécanisme d’évacuation de cette énergie hors de l’atmosphère terrestre (voir 1b ci-dessus). L’improbable débat entre partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique pourrait donc être  rapidement clôturé puisque le CO2 ne peut contribuer en aucune manière à un réchauffement de la surface terrestre.

[1] O.G. Sorokhtin, G.V. Chilingar et L.F. Khilyuk « Global Warming and Global Cooling » ed. Elsevier Science (2007)

[2] G.W. Flynn, C.S. Parmenter, A.M. Wodtke, J.Phys.Chem. 100, 12817 (1996)

[3] R.M. Siddles, G.J. Wilson, C.J.S.M Simpson, Chem.Phys. 189, 779 (1994)

[4] K.J. Castle, K.M. Kleissas, J.M. Rhinehart, E.S. Hwang, J.A.Dodd, J.Geophys. Research 111, A09303 (2006)

[5] K.J. Castle, L.A. Black, M.W. Simione, J.A. Dodd, J.Geophys. Research 117, A04310 (2012)

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33 réflexions au sujet de « Le CO2 et le climat avec et sans effet de serre »

  1. Monsieur,

    J’ai lu avec intérêt votre article dont j’espère avoir compris l’essentiel malgré des connaissances de physique déjà anciennes. Avez-vous publié votre article dans une revue scientifique ?
    Merci.

    Jean Mermillon

    1. Non, je n’ai pas publié ce texte dans une revue scientifique car je n’ai fait qu’appliquer certains principes de base de chimie et de physique à des données déjà publiées par d’autres auteurs. Cela me permet de conclure que les prévisions alarmistes du GIEC quant au prétendu changement climatique d’origine anthropique ne sont pas fondées.

  2. Bonsoir
    Merci pour cet article très intéressant sur la quantification de l’effet de serre sur le climat. Pouvez vous m’éclairer en me disant pourquoi la communauté scientifique internationale ne partage pas la même conviction ; une démonstration scientifique en est une ou n’est pas. Je ne comprends pas qu’au 21eme siècle on puisse en être là! Alors que sur beaucoup de sujets scientifiques complexes on arrive à un consensus majoritaire. Comment le GIEC et les scientifiques des presque 300 pays de la COP peuvent ils soutenir qu’il y a bien un effet de serre du CO2 !!
    Un grand merci à vous si vous pouvez me répondre .
    J’attends votre réponse avec interet et impatience.
    Bien cordialement
    Jean-Claude Courty

    1. Une très large fraction de l’opinion scientifique internationale s’oppose aux déclarations alarmistes du GIEC. L’opposition se manifeste moins en Europe qu’aux Etats-Unis car la plupart des gouvernements européens ont adopté la théorie du changement (jadis réchauffement) climatique d’origine anthropique, soutenus par différents groupes de pression aux intérêts parfois divergents. Le problème est désormais devenu politique et la science peine à se faire entendre.

  3. Bonjour,
    bravo et merci pour cette analyse, très claire pour ceux qui connaissent “un peu” la physique.
    J’ai toujours été surpris de constater qu’en climatologie, les auteurs pouvaient s’affranchir d’un certain nombres de règles de bons sens et de rigueur qui sont indispensables à la pratique scientifique. Cela remet les pendules à l’heure.
    Malheureusement, ce n’est pas à partir d’une poignée de petits articles que l’on sortira de cette hystérie environnementaliste.
    Cdlt

    1. Merci pour votre commentaire. Le climat est un système extrêmement complexe qui rend toute prévision à long terme impossible (voir les théories du chaos). Peu de gens le comprennent mais les médias raffolent du sujet au point d’influencer le public (et les décideurs politiques) plus efficacement que les scientifiques. Ne perdons pas l’espoir : l’histoire des sciences regorge de théories absurdes qui ont mis des années et parfois des siècles avant de s’effondrer.

  4. Monsieur, pourquoi ne faites vous aucune allusion au fait que la vapeur d’eau, presente dans l’atmosphere en quantites largement superieures au CO2, absorbe la radiation de chaleur dans les memes longueurs d’ondes que le CO2, et prive le CO2 de l’essentiel de la possibilite description? Est ce que cette assertion est exacte?

    1. Vous avez raison de dire que de tous les constituants atmosphériques susceptibles d’absorber le rayonnement thermique de la Terre la vapeur d’eau est le plus important à la fois par sa concentration plus élevée et par son pouvoir d’absorption plus important. Sa contribution à cette absorption varie entre 65 et 95 % selon les conditions locales. Vous signalez aussi que l’absorption due à la vapeur d’eau interfère avec l’absorption due au CO2. Il est difficile, en effet, de déterminer la contribution de ce dernier. C’est pourquoi je précise (au paragraphe 1c de l’article) que le CO2, quel que soit son coefficient d’absorption (et en l’absence d’interférence avec d’autres constituants atmosphériques), ne pourra absorber au maximum que 2 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère. Les molécules H2O amenée à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre ne peuvent pas plus donner lieu à un effet de serre que les molécules de CO2. Comme ces dernières elles ne se désactivent PAS avec émission d’un rayonnement mais par collisions avec conversion de leur énergie de vibration en énergie de translation des molécules environnantes (principalement N2 et O2). L’eau à la fois sous les états solide, liquide et gazeux a une influence considérable sur le climat mais cet aspect du problème n’a rien à voir avec l’effet de serre.

  5. Bonjour,
    Merci pour ces explications très instructives, en particulier pour ce qui est de la transformation d’énergie vibratoire en énergie cinétique et vice-versa, point essentiel et jamais abordé par les apôtres du catastrophisme climatique.
    Le centre de tout modèle me paraît devoir être la façon dont la Terre réémet l’énergie absorbée dans ses divers composants (surface, atmosphère et nuages), en particulier lorsque la concentration de CO2 augmente.
    Vous démontrez que l’altitude de réémission se situe aux environs de 100 km, en fonction du temps de désactivation de la molécule de CO2. En toute logique, l’augmentation du taux de CO2 devrait augmenter l’émission d’infrarouges à ce niveau.
    Les modèles validés du GIEC situent beaucoup plus bas l’altitude d’émission, en fonction de la possibilité du rayonnement infrarouge de s’échapper vers l’espace sans être intercepté par les gaz à effet de serre. Dès lors que la concentration en gaz “à effet de serre” augmente, ladite altitude s’élève, ce qui, du fait du gradient de température atmosphérique, freine l’émission infrarouge.
    Bref, en tenant compte du délai de désactivation du CO2, on devrait conclure que l’augmentation de sa concentration accélère l’émission d’infrarouges vers l’espace, alors que si on n’en tient pas compte, l’augmentation de sa concentration devrait freiner l’émission d’infrarouges vers l’espace.

    1. La fluorescence du CO2 a été observée à des altitudes de l’ordre de 100 km et l’augmentation de sa concentration devrait effectivement accentuer le phénomène mais le CO2 ne peut absorber au maximum que 1,3 à 7 W/m2 (selon les auteurs) de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère. Il ne pourrait donc contribuer que pour 0,5 à 3 % au 240 W/m2 détectés par satellites à des altitudes de l’ordre de 800 km. Le fonds du problème reste de comprendre comment (même en l’absence de CO2) l’énergie dissipée initialement par convection et évaporation de l’eau des océans est convertie en rayonnement dans les hautes couches atmosphériques. Jusqu’à présent la seule explication proposée est que l’ensemble des constituants atmosphériques émettent un rayonnement thermique conforme à la courbe de Planck à des niveaux caractéristiques d’émission situés entre 10 et 20 km d’altitude.

      1. Il me parait certain (cf Kirchoff 1856) que les gaz ne peuvent émettre ou absorber un rayonnement que selon un spectre de raies et en aucune façon selon un spectre continu type Planck.
        Le seul corps, dans l’atmosphère, qui peut émettre selon un spectre continu est l’eau liquide, c’est à dire les nuages.
        Vous mentionné une fluorescence du CO2, de quoi s’agit-il ?
        Sur les spectres de rayonnement de la terre relevés par satellites, on voit clairement l’absorption du CO², mais on ne voit jamais de raies démission !
        JM

        1. Merci pour votre commentaire.
          On appelle fluorescence le rayonnement émis lors de la désactivation radiative d’un état excité. Selon la définition couramment admise de l’effet de serre (rappelée dans la note) le CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique émis par la Terre se désactiverait avec émission d’un rayonnement de longueur d’onde centrée à 15 µm : ce serait, par définition, de la fluorescence. Cependant je montre que cela ne se produit pas dans les basses couches atmosphériques. Comme vous le précisez d’ailleurs “Sur les spectres de rayonnement de la terre relevés par satellites, on voit clairement l’absorption du CO2, mais on ne voit jamais de raies d’émission”. Vous avez raison aussi d’écrire “que les gaz ne peuvent émettre ou absorber un rayonnement que selon un spectre de raies et en aucune façon selon un spectre continu type Planck”.

  6. Il me semble qu’il y a une incohérence dans la partie 2b. Si l’atmosphère possède bien une énergie Ea correspondant à la différence entre la température théorique de la terre-corps-noir et la température effective de la terre, elle ne devrait permettre à la Terre-corps-noir de se réchauffer qu’en lui *transmettant* cette énergie. Pour toute augmentation d’1 °C de la terre respectant la loi Q=cm\deltaT, il faut que l’atmosphère perde une énergie Ea-Ea’ = Q, par conservation de l’énergie, non ?

    1. Dans le paragraphe 2b auquel vous faites allusion je veux montrer que si l’effet de serre existait (mais cette hypothèse est réfutée dans le paragraphe 2c) il ne pourrait avoir une influence significative sur la température de la surface terrestre ou des basses couches atmosphériques. En effet, en admettant que les parties émergées de la Terre se comportent comme un corps noir elles ne pourraient absorber le rayonnement de longueur d’onde 15 µm qui serait réémis par le CO2 puisqu’à l’équilibre thermique un corps noir ne peut absorber plus d’énergie qu’il n’en émet. L’absorption de ce rayonnement ne serait possible que par les océans. Connaissant le coefficient d’absorption de l’eau on peut calculer que l’absorption d’un rayonnement de longueur d’onde 15 µm serait pratiquement totale sur une épaisseur de 15 microns. Cela ne pourrait évidemment contribuer de manière significative au réchauffement de la planète. C’est pourquoi les partisans d’un réchauffement climatique d’origine anthropique font appel à des rétroactions positives pour amplifier cet effet. On peut faire intervenir, par exemple, la vapeur d’eau, autre gaz à « effet de serre », dont la concentration augmenterait suite à l’élévation de température ou la fonte de la banquise et la diminution des surfaces enneigées qui auraient pour effet de diminuer l’albédo de la Terre et donc la fraction d’énergie solaire réfléchie. Il est évident que l’intervention de multiples rétroactions permet l’introduction de nombreux paramètres ajustables dans différents modèles climatiques globaux pour aboutir au résultat recherché. Voir http://www.science-climat-energie.be/2018/04/10/forcage-radiatif-sensibilite-climatique-et-retroactions-positives/

      1. oui, tout ça y est effectivement expliqué. Je reviendrai sur “… puisqu’à l’équilibre thermique un corps noir ne peut absorber plus d’énergie qu’il n’en émet” parce que ça me semble contre-intuitif, mais je dois relire un peu la théorie d’abord. Malheureusement, tout ça n’éclaire en rien le dilemme sur l’utilisation de l’énergie de l’atmosphère pour combler les watts manquant pour atteindre les 15°C de température moyenne pour la planète.

        1. Si, comme on le suppose, les parties émergées de la Terre se comportent comme un corps noir, à l’équilibre thermique elles doivent réémettre tout rayonnement absorbé (voir http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/ ) et ne peuvent donc réabsorber la fraction du rayonnement thermique d’abord absorbé qui serait ensuite réémis par le CO2 (si l’effet de serre existait).

          La température à la surface de la Terre est la somme de deux contributions :
          1° L’apport d’énergie en provenance du Soleil est la contribution prépondérante puisque en son absence la température à la surface de la Terre serait 3 K, température du vide interstellaire.
          2° La pression atmosphérique apporte également une contribution puisque en son absence la température à la surface de la Terre, bien que réchauffée par le Soleil, ne serait que 271 K (soit – 2°C). La différence de 17°C entre cette valeur théorique et la température « moyenne globale» de la Terre est due à la présence d’une atmosphère.
          La formule T – To = – 6,5 K/km (h –ho) donnée dans le texte permet de calculer qu’avec To = – 56,5 °C pour ho = 11 km (valeur expérimentale à la limite de la troposphère) la température à la surface la Terre serait bien 15°C.

  7. Ce modèle conduit effectivement à une température de 15°C pour *l’atmosphère* à la surface, mais la surface, elle, sera toujours à une température de -2°C en moyenne. Par leur contact, j’imagine que l’atmosphère devrait donc se refroidir tandis que la planète se réchauffe jusqu’à ce que Tatmosphère = Tplanète. Or les valeurs de coéfficient calorifique de l’air et des roches — ainsi que la masse d’atmosphère chaude et de planète froide dans ce scénario — semble en très nette défaveur pour l’atmosphère. Merci d’avoir pris le temps de tout reparcourir, mais on dirait bien que l’incohérence persiste.

    Il y a un deuxième soucis à ce modèle, en tout cas si j’ai bien raison de penser que la troposphère contient environ 98% de la masse totale de l’atmosphère: comment expliquer que la température à 11000km soit de -56°? Il n’y a plus assez de masse de gaz au-dessus d’elle pour l’élever aussi fort au-dessus des 3°K du vide spatial, et elle est essentiellement transparente à la majorité du spectre solaire — donc j’imagine incapable d’être chauffée directement par le rayonnement solaire.

    1. J’essaye de répondre brièvement à vos commentaires.
      1° La température théorique de -2°C n’a évidemment jamais été mesurée. Elle est basée sur des approximations et des estimations introduites dans le bilan énergétique de la Terre et ne sert qu’à fixer un ordre de grandeur.
      2° On admet que la température « globale moyenne » à l’interface Terre-atmosphère est +15°C. Lorsque l’altitude augmente la pression diminue (effet de la force gravitationnelle) et la température aussi (l’énergie cinétique des molécules diminue) jusqu’à la tropopause puis elle augmente à nouveau suite à différentes réactions chimiques dans la stratosphère (qui n’est pas transparente au rayonnement solaire). Pour plus d’informations sur la structure de l’atmosphère voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A8re_terrestre avec de sérieuses réserves concernant l’évolution du taux de CO2.
      3° Les basses couches atmosphériques (plus froides) ne peuvent transférer de la chaleur à la Terre (plus chaude) car ce serait contraire au second principe de la thermodynamique universellement admis depuis 200 ans.

      1. ça me semblerait en effet beaucoup plus cohérent avec le reste de mes connaissances: la Terre qui chauffe l’atmosphère qui l’entoure et lui confère de ce fait une énergie calorifique potentielle, et l’atmosphère qui a un effet “isolant” par rapport au vide spatial et réduit la vitesse avec laquelle la Terre peut dissiper sa chaleur par rayonnement.

        Le gradient de température de l’atmosphère étant du coup le résultat de la diminution de pression avec l’altitude (éventuellement combiné à une réduction de l’intensité des radiations infra-rouge au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la surface).

          1. cependant, le point 3 de http://www.science-climat-energie.be/2018/08/06/le-co2-et-le-climat-avec-et-sans-effet-de-serre/#comment-1624 (“l’atmosphère ne peut réchauffer la terre”) me semble toujours en contradiction directe avec le point 2 de http://www.science-climat-energie.be/2018/08/06/le-co2-et-le-climat-avec-et-sans-effet-de-serre/#comment-1624 (“La pression atmosphérique apporte également une contribution puisque en son absence la température à la surface de la Terre”)

          2. La température théorique « globale moyenne » de -2°C qu’aurait la Terre en l’absence d’atmosphère est calculée, par application de la formule de Stefan-Boltzmann, sur la base du modèle simpliste (mais généralement admis) envisageant une répartition constante et uniforme de l’énergie solaire sur la surface de la Terre. En réalité, en l’absence d’atmosphère, la température de la surface terrestre serait bien plus élevée pendant le jour et bien plus basse pendant la nuit. Cet effet est encore plus marqué sur la Lune dont la période de révolution est env. 27 fois plus longue que celle de la Terre.
            On admet que la température « globale moyenne » de la surface terrestre est de +15°C comme la température des basses couches atmosphériques à son contact. Le gradient thermique moyen de 6,5 K/km (dû à la force gravitationnelle) fait de la convection le principal mécanisme de dissipation par la Terre de l’énergie reçue du Soleil.

  8. Bonjour Monsieur,

    J’étais à la recherche d’articles d’auteurs qui auraient tenté de démontrer la présence (en cas d'”effet de serre”) ou l’absence (selon votre écrit) de fluorescence à 15µm dans l’atmosphère. Je n’ai malheureusement plus accès à la littérature scientifique, et c’est un peu compliqué. Je suis néanmoins tombé sur cet article : https://ams.confex.com/ams/Annual2006/techprogram/paper_100737.htm (l’article complet est le lien indiqué vers un PDF).
    Les auteurs, qui ont orienté un spectro IR vers le ciel, observent bien une émission à 15µm… Quoique la partie expérimentale me semble un peu floue, ce résultat interpelle. Serait-il possible, vu que l’installation ne me semble pas très sophistiquée, que le rayonnement observé provienne de la haute atmosphère, à 100 km ? Il me semble dommage que les auteurs n’aient pas, par exemple, placé une plaque refroidie à l’azote liquide, 1 ou 2 mètres au dessus du détecteur. Qu’en pensez-vous ? Existe-t-il d’autres références expérimentales en la matière ?

    Merci d’avance pour votre réponse.

    1. Merci pour votre commentaire et la référence que je ne connaissais pas. Les résultats me surprennent beaucoup car, d’après le tableau 2 de cet article, l’intensité du rayonnement « downward » attribué au CO2 serait de 26 W/m2 et même, d’après le tableau 3a, de 34,7 W/m2. Selon l’estimation la plus favorable basée sur le bilan de la NASA, le CO2 ne pourrait absorber au maximum, quel que soit son coefficient d’absorption, plus de 7 W/m2 en provenance de la Terre. Comment pourrait-il émettre plus qu’il n’a absorbé ? Je suis surpris également par le fait que ce rayonnement n’ait pas été absorbé par le CO2 des basses couches atmosphérique puisque l’absorption devrait être pratiquement totale sur une épaisseur de 10 m environ. Je n’ai pas d’explication à ces résultats et je n’en connais pas d’autres obtenus dans des conditions semblables.

      1. Merci pour votre réponse. La valeur m’a également semblé fort élevée. J’ai l’impression (mais ce n’est qu’une impression) que la méthode manque de validation, notamment l’absence de l’enregistrement d’un blanc, même s’ils mentionnent quelque chose d’approchant, sans trop le montrer. Je déplore le fait que votre approche manque de confirmation expérimentale, qui ne devrait pas être insurmontable à faire, me semble-t-il. S’il est toujours plus compliqué de prouver l’absence de quelque chose, il me semble que les tenants du réchauffement anthropique devraient être intéressés par une confirmation expérimentale de leur effet de serre. Ou alors, comme ils n’ont rien vu, ils préfèrent ne rien publier ? Je continue à chercher.

        1. Vous écrivez “Je déplore le fait que votre approche manque de confirmation expérimentale” et ensuite vous précisez “il est toujours compliqué de prouver l’absence de quelque chose”. Il me semble que mes arguments sont basés sur des théories scientifiques bien établies et que ce serait aux partisans de l’hypothèse de l’effet de serre de proposer une confirmation expérimentale.

  9. Merci Monsieur pour cet excellent article. C’est très convaincant. Mais je ne suis ni physicien ni météorologiste et je reste un statisticien perplexe par tant de divergences d’opinions à ce sujet.
    Dans son livre « Global Warming Skepticism For Busy People » (Kindle, 2018), le météorologiste Américain Roy W. Spencer développe tout un chapitre sur les GES et soumet le résultat d’une simple (simpliste ?) expérience pour prouver l’existence de ces GES. Vous écrivez « certains médias destinés au grand public font appel à une analogie naïve en prétendant que les gaz à effet de serre entourent la Terre « comme une couverture » et l’empêchent de perdre sa chaleur ». C’est exactement la position de Spencer qui loin d’être un média lambda est un climatologue renommé et de surplus climatosceptique.
    A l’aide d’un thermomètre à IR, il démontre qu’en pointant le thermomètre verticalement une journée (ou nuit) claire, le résultat affiché est bien plus froid que s’il pointe cet instrument vers un nuage et/ou obliquement, augmentant dans ce dernier cas la longueur de pénétration dans l’atmosphère, ce qui revient d’après lui à augmenter la quantité de gas à effet des serres, (et l’indication de T°). Le 2eme principe de thermodynamique n’est pas violé car le net du rayonnement thermique reste de la surface vers le haut (du plus chaud au plus froid). Il va plus loin dans son raisonnement en théorisant que les GES déstabilisent l’atmosphère en rendant la surface plus chaude et la partie supérieure de l’atmosphère plus froide, créant la météo (nuages, précipitations, H/L pression et les vents). Sa conclusion est que sans les GES, la terre serait trop froide pour supporter la vie et la météo comme nous la connaissons n’existerait pas.
    Qui faut-il croire dans cette grande religion du climat ?

    1. Merci pour vos commentaires auxquels je tiens à apporter quelques précisions.

      1° Le transfert de CHALEUR (=agitation moléculaire) d’un corps froid vers un corps chaud est contraire au 2ème principe de la thermodynamique mais PAS le transfert d’ENERGIE sous forme d’un rayonnement pour peu que le rayonnement émis permette le passage du récepteur à un état excité. C’est pourquoi il n’est pas absurde d’imaginer que la couche superficielle des océans puisse absorber un rayonnement qui serait réémis par le CO2 (voir paragraphe 2b de la note). C’est ce qui est envisagé dans l’hypothèse de l’effet de serre.

      2° L’hypothèse de l’effet de serre est cependant à REJETER car, dans les basses couches atmosphériques, le CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre subit des milliards de collisions avant qu’un rayonnement puisse être émis. Le CO2 excité à l’état de vibration se désactivera donc par transfert d’énergie aux molécules environnantes.

      3° Le météorologiste Spencer croit à l’effet de serre, comme le météorologiste Lindzen tout aussi éminent dans son domaine. Je n’essayerai pas de résumer ici leur raisonnement. Ce sont des réchauffistes « tièdes » en ce sens qu’ils refusent de pousser jusqu’au catastrophisme le raisonnement des partisans purs et durs du réchauffement climatique d’origine anthropique. Pour ma part (et pour des milliers de scientifiques), je ne crois pas à l’effet de serre, hypothèse de base de la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique. Voir aussi ma note http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique/

      4° L’effet des nuages n’est pas le même la nuit et le jour. Chacun sait que le jour il fait plus frais sous les nuages qu’en plein soleil : les nuages jouent le rôle d’écran, comme un parasol. Par contre la nuit il fait plus frais quand le ciel est clair que quand il y a des nuages : les nuages limitent les courants de convection vers le haut qui refroidissent la surface terrestre, comme les vitres d’une serre. Ni dans un cas, ni dans l’autre il ne s’agit de l’effet de serre défini comme un phénomène radiatif etc… (voir définition dans ma note).

      5° Quant à la différence de 33°C entre la température « globale moyenne » de la Terre (+15°C) et la température « théorique » en l’absence de GES (-18°C) je l‘explique dans ma note : elle est due à l’effet de la pression atmosphérique (et à une erreur concernant l’albédo).

      6° Les divergences d’opinion à propos d’un hypothétique « effet de serre » proviennent d’un manque de connaissance des principes de base de la chimie et de la physique chez beaucoup de climatologues autoproclamés

  10. Un tout grand merci pour votre réponse.

    Dans son livre « l’innocence du carbone – l’effet de serre remis en question », François Gervais finalement ne remet pas du tout l’effet de serre en question, certainement pas quand il couvre le méthane et la vapeur d’eau. Quant au CO2, il postule l’influence de la T° sur sa concentration atmosphérique, et pas l’inverse, ce qui est élégant comme approche mais là le statisticien peut facilement trouver des failles.

    Votre analyse a le grand mérite de déduire une position claire et radicale. Ce devrait avoir l’effet d’un missile exterminant toute la théorie du GIEC ; mais rien n’y fait jusqu’à présent et cette relation, en apparence, de la concentration de CO2 et de la T° globale de la terre continue à faire les beaux jours du mouvement réchauffiste. J’ai de bonnes notions de chimie, mais la physique n’a jamais été mon point fort. Je viens de découvrir votre site et il m’est donc difficile de me soumettre complètement à votre démonstration sans passer plus de temps à vous lire et relire beaucoup plus attentivement, et croiser avec d’autres analyses. C’est ce que je me propose de faire dans un avenir proche.

    A très bientôt j’espère.

    1. Dans le débat sur le climat il y a trois types d’intervenants :
      1- les partisans inconditionnels du GIEC : réchauffistes purs et durs, adeptes des modèles climatiques alarmistes avec intervention de multiples rétroactions positives
      2- les partisants d’un effet de serre “naturel” ou modéré : réchauffistes tièdes sans inquiétude climatique injustifiée
      3- les opposants à l’hypothèse de l’effet de l’effet de serre pour lesquels la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique n’a aucun fondement scientifique

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