Le réchauffement climatique d’origine anthropique

Le climat peut changer, comme il l’a toujours fait et continuera à le faire sous l’action de variables naturelles. Les activités humaines peuvent-elles avoir une influence comme le prétend la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique ? Cette théorie est basée sur l’existence d’un hypothétique effet de serre défini comme 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. L’effet de serre résulterait donc essentiellement de l’émission par les molécules de CO2 d’un rayonnement  de fluorescence  dans le domaine infrarouge [1]. Cette définition est claire et scientifiquement valable car conforme au principe de réfutabilité défini par Karl Popper. Nous l’examinerons à la lumière de théories physiques bien établies et de faits expérimentaux connus.

1. Le CO2 dans les basses couches atmosphériques

Oublions tout d’abord le climat et envisageons une boîte opaque contenant, à l’abri de tout rayonnement extérieur, une certaine quantité d’air sec à 15°C et à la pression d’une atmosphère. Dans cette boîte 78 % des molécules sont des molécules d’azote N2  et 21 % sont des molécules d’oxygène O2. Le  troisième constituant par ordre d’abondance est l’argon Ar (environ 1 % des molécules). Les molécules de CO2 n’interviennent que pour environ 0,04 %. Toutes ces molécules n’ont pratiquement pas d’interaction entre elles, si ce n’est qu’étant en constante agitation elles entrent en collisions les unes avec les autres lors de chocs dont la plupart sont élastiques (avec conservation de l’énergie cinétique).

1a) Energie de translation

La théorie cinétique des gaz permet de calculer qu’à la température de 15°C les molécules de l’air sont  animées de vitesses de translation de l’ordre de 500 m par seconde et qu’à la pression d’une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde. Ces molécules présentent une large distribution de vitesses qui est fonction de la température  en accord avec la loi de Maxwell-Boltzmann (fig.1). L’énergie cinétique moyenne  des molécules biatomiques N2 et O2 peut être calculée et vaut Em = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la  température en Kelvin).

Fig. 1  Loi de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann

1b) Energie de vibration

Les molécules de l’air ne sont pas seulement animées de mouvements de translation. 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. A chaque fréquence de vibration est associée une énergie et la théorie quantique nous enseigne que toutes les fréquences de vibration ne sont pas permises. Seuls certains niveaux énergétiques existent dont l’énergie peut être déterminée expérimentalement par spectroscopie d’absorption dans le domaine infrarouge ou Raman. Ainsi l’énergie associée à la vibration de déformation du CO2 peut être calculée à partir de la bande d’absorption détectée à 15 µm dans le spectre infrarouge de la molécule 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 Em l’énergie cinétique moyenne des molécules environnantes N2 et O2 mentionnée dans le paragraphe précédent. Or, beaucoup de ces molécules ont une vitesse supérieure à la moyenne comme l’indique la fig. 1 (la vitesse moyenne est très proche du maximum de la courbe de distribution des vitesses) et donc aussi une énergie cinétique Ec supérieure à la moyenne.

1c) Conversion d’énergie de translation en énergie de vibration et inversement

En l’absence d’une source extérieure de rayonnement l’énergie nécessaire pour exciter la vibration de CO2  ne peut provenir que de l’agitation thermique du milieu ambiant. La quantification de l’énergie n’intervient pas au niveau des mouvements de translation et les énergies cinétiques de translation Ec = mv2/2 présentent une large distribution continue semblable à celle illustrée sur la fig. 1. La fonction mathématique correspondant à ces courbes permet de calculer qu’à 15°C plus de 40 % des molécules N2 et O2 ont une énergie cinétique Ec supérieure à l’énergie Ev du plus bas niveau de vibration des molécules de CO2. Elles peuvent donc l’amener à ce niveau lors d’une collision inélastique (sans conservation de l’énergie cinétique). 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 d’une fraction des molécules de CO2 :

∆Ec (translation) de N2   +   CO2  →  ∆Ev (vibration) de CO2   +   N2      (1)

Ce ne sont évidemment pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui sont en état de vibration car cette conversion est réversible et les molécules 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 :

∆Ev (vibration) de CO2  +   N2  →   ∆Ec (translation) de N2   +   CO2      (2)

Il existe donc un équilibre dynamique associé aux réactions (1) et (2) qui sont l’inverse l’une de l’autre. Cet équilibre 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 (environ 40 % à 15°C à la pression d’une atmosphère). Cet équilibre ne sera pas modifié si, en plus, certaines molécules de CO2 sont excitées par absorption d’une fraction du rayonnement  infrarouge émis par la Terre. On peut donc en conclure que la désactivation des molécules de CO2 ne se fera pas avec émission d’un rayonnement. La raison en est qu’à des pressions voisines d’une atmosphère la fluorescence ne pourrait  entrer en compétition avec la désactivation par collisions que pour des états excités de très courte durée de vie (10-9 à 10-7 s) qui pourraient se désactiver par fluorescence  avant qu’un nombre suffisant de collisions avec les molécules environnantes n’intervienne. Or, la durée de vie du plus bas état excité de CO2 étant 0,64 s [2] des millions de collisions interviendront  avant que l’émission d’un rayonnement ne puisse avoir lieu. L’hypothèse de l’effet de serre est donc sans fondement théorique.

Note complémentaire basée sur des résultats expérimentaux

La conversion d’énergie de vibration en énergie de translation (V  → T) et  d’ énergie de translation en énergie de vibration (T  → V)  comme dans les réactions (1) et (2) 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 [3]. En particulier, la conversion d’énergie de vibration en énergie de translation (V  → T) a été étudiée dans le cas de molécules de CO2 excitées par laser au plus bas état de vibration. Les constantes de vitesse de la  réaction :

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

ont  été mesurées entre 300 et 140 K [4]. Elles  sont de l’ordre de 105 fois inférieures à celles prévues sur la base du nombre de collisions (plusieurs milliards par seconde) car elles résultent seulement des collisions inélastiques qui ne représentent que 0,001 % du nombre total de collisions.  D’autre part, la conversion 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 cinétique de translation d’atomes d’oxygène peut être transférée à des molécules de CO2 et convertie en énergie de vibration [5] :

O   +   CO2    →    O   +   CO2*

Le phénomène a été mis en évidence en détectant la fluorescence (désactivation radiative) des  molécules de CO2 avec émission d’un rayonnement de longueur d’onde λ = 15 µm :

CO2*  →    CO2   +    hc / λ 

A ces altitudes la pression atmosphérique est si faible que le nombre total de collisions entre molécules n’est plus que de l’ordre de 1000 par seconde. Une fraction des molécules de CO2 excitées peut alors se désactiver avec émission d’un rayonnement avant qu’une collision inélastique ne se produise avec les molécules environnantes. Ce n’est pas le cas dans les basses couches atmosphériques où l’émission d’un rayonnement de fluorescence du CO2 n’a jamais été observée. L’hypothèse de l’effet de serre invoquée par les partisans d’un réchauffement climatique d’origine anthropique n’a donc aucune justification ni théorique, ni expérimentale.

2. Le bilan énergétique de la Terre

Pour estimer la fraction du rayonnement thermique de la Terre qui pourrait être absorbée par le CO2 il faut envisager le bilan énergétique de la Terre qui est basé sur l’idée que pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper par différents mécanismes l’énergie reçue du Soleil. Le modèle le plus souvent cité est celui proposé par la NASA (fig. 2).

Fig. 2  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 en accord avec un albédo de 0,3. 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 tout d’abord que le bilan présenté sur la fig.2 ne fait apparaître aucune « back radiation » associée à un éventuel effet de serre.  Une petite fraction seulement du rayonnement  détecté par satellite provient directement de la surface terrestre (fine flèche rouge à droite sur la fig. 2) car émise dans la zone de transparence atmosphérique entre 8 à 13 µm (fig.3). Le reste du rayonnement thermique émis par la Terre est absorbé par divers constituants atmosphériques (fig. 3) principalement la vapeur d’eau mais aussi le CO2 . Quel que soit le mécanisme de dissipation de l’énergie au niveau de la surface terrestre, en altitude toute cette énergie doit être convertie en rayonnement car c’est le seul mécanisme permettant de l’évacuer hors du système terrestre (large flèche rouge sur la fig.2)

Fig. 3 Transmission du rayonnement  infrarouge à travers l’atmosphère terrestre          (les zones de transparence apparaissent en bleu, notamment entre 8 à 13 µm)

Les proportions mentionnées dans le bilan énergétique de la NASA ne résultent le plus souvent que d’estimations. Elles sont d’ailleurs assez surprenantes 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. Dans cette optique Sorokhtin et collaborateurs [5] considèrent que la convection serait effectivement le mécanisme prépondérant  intervenant pour 34 % tandis que le rayonnement thermique interviendrait seulement pour 4 % et l’évaporation de l’eau des océans pour 13 %. Il subsiste donc une très grande incertitude concernant l’importance relative de ces trois mécanismes.

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  moyenne 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. De plus, si la distribution de l’énergie était  uniforme il n’y aurait ni saisons, ni courants marins ou aériens qui sont cependant des éléments déterminants du climat. Néanmoins,  cette valeur approximative est généralement adoptée car 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. Ensuite, 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 réduit à 70 % de 342 W m-2 soit environ 240 W m-2.  En haute altitude les satellites détectent effectivement un rayonnement  moyen de 240 W m-2 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 celle de la surface terrestre et on ne peut en déduire, sur base de la formule de Stefan-Boltzmann, que la surface terrestre devrait avoir la température de – 18° C (voir ici).

Si on considère la Terre comme un corps noir à 15°C l’équation de  Planck (voir 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. Le CO2 présente une bande d’absorption dans le domaine du rayonnement thermique de la Terre. Elle est présentée sur la fig. 4 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.

Fig. 4  Spectre d’absorption infrarouge du CO2

La bande d’absorption centrée à 15 µm permet l’excitation de la molécule à son plus bas niveau de vibration impliquant une 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 de 14 à 16 µm, domaine d’absorption du CO2, on calcule que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre sont 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, selon la NASA, 21 % de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère) soit un peu moins de 2 % de 342 W m-2 donc environ 7 W m-2 . Pour Sorokhtin et collaborateurs [5], le rayonnement thermique de la Terre représentant seulement 4 % de l’énergie totale reçue du Soleil, le CO2 n’absorberait donc au maximum qu’un peu moins de 0,4 % de 342 W m-2 soit environ 1,3 W m-2.

Les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent endéans quelques microsecondes par collisions avec les molécules environnantes, principalement N2 et O2. Dans  ces conditions, il y a conversion  de l’énergie de vibration du CO2 en énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 selon la réaction (2) mentionnée au paragraphe 1c. Bien que l’absorption du rayonnement thermique de la Terre entre 14 et 16 µm soit sélective par les molécules de  CO2 cet excédent d’énergie se répartira sur l’ensemble des molécules environnantes suite aux multiples collisions. Au total, selon les auteurs 0,4 % ou 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 dont une fraction est absorbée par le CO2. La présence de CO2 dans l’atmosphère ne modifie donc pas le bilan énergétique global de la Terre mais seulement l’importance relative des différents mécanismes de dissipation de l’énergie reçue du Soleil. Cela ne peut avoir aucune influence sur la température « globale moyenne » de la surface terrestre.

3. Influence du CO2

En l’absence d’effet de serre la conversion de l’énergie de vibration du CO2 en énergie cinétique de translation des molécules de N2 et O2 pourrait-elle avoir un effet sur la température des basses couches atmosphériques ? Pour estimer l’importance d’un tel effet il faudrait connaître le volume d’air dans lequel cette énergie sera dissipée. En utilisant la relation de Beer-Lambert avec Io = intensité incidente et I = intensité transmise :

log Io/I  =  A C L

et en y introduisant  des valeur  A = 20,2 m2/mol pour le coefficient d’absorption molaire du CO2 [7] et C = 1,78 10-2 mol m-3 (pour 0,04 % de CO2 en volume) on trouve que log Io/I vaut 3 (99,9 % d’absorption) pour une épaisseur atmosphérique L = 8 m. Connaissant le nombre de molécules dans une colonne d’air de 8 m de hauteur et de 8 m3 de volume dans lequel seront dissipés 1,3 ou 7 W (selon les auteurs) on trouve que l’énergie cinétique moyenne Em des molécules N2 et  O2, calculée au paragraphe 1a, n’augmenterait en une seconde que d’environ 0,0001 % . Cette valeur ne sert qu’à fixer un ordre de grandeur car il n’y a évidemment pas d’accumulation d’énergie cinétique au cours du temps puisqu’un important courant de convection existe déjà. Le gradient de température existant déjà dans les basses couches atmosphériques ne sera donc pas affecté par la présence  de CO2.

Le coefficient d’absorption molaire utilisé correspond seulement à la branche Q, la plus importante du spectre d’absorption (fig.4). Pour les branches P et R qui présentent des coefficients d’absorption environ 10 fois moindres  l’absorption de 99,9 % du rayonnement thermique de la Terre nécessiterait  une épaisseur atmosphérique environ 10 fois plus importante et le transfert d’énergie se fera sur un nombre de molécules environ 10 fois plus grand avec un effet réduit proportionnellement. Notons encore que ces conclusions s’appliquent à la totalité du CO2 présent dans l’atmosphère (0,04 %) qu’il soit d’origine naturelle ou humaine. Or, de nombreux travaux récents montrent que la teneur en CO2 d’origine anthropique ne serait que d’environ 5 % (voir ici)

4. Conclusion

De cet exposé on peut conclure que :

1° L’effet de serre, qui résulterait de la désactivation radiative (fluorescence) de molécules ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre, ne  peut exister au niveau des basses couches atmosphériques.

2° Au niveau des basses couches atmosphériques, les molécules ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par collisions avec les molécules environnantes principalement N2 et O2.

3° La conversion d’énergie de vibration des molécules de CO2 en énergie de translation des molécules environnantes ne modifie pas le bilan énergétique global de la Terre.

4° Le CO2 ne peut contribuer en aucune manière à un réchauffement ni de la surface terrestre ni des basses couches atmosphériques.

5° La théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique basée sur l’existence d’un effet de serre n’a aucune justification ni théorique ni expérimentale.

Références

[1] Le terme de fluorescence est rarement utilisé pour caractériser l’effet de serre et quelques mots d’explication peuvent être utiles. L’énergie interne d’une molécule ne varie pas de manière continue.  On distingue des niveaux d’énergie électronique qui sont subdivisés en niveaux d’énergie de vibration, eux-mêmes subdivisés en niveaux d’énergie de rotation. Une molécule peut être excitée, le plus souvent par absorption d’un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde appropriée, et passer d’un niveau énergétique déterminé à un niveau d’énergie supérieure. Le phénomène inverse peut également se produire soit par émission d’un rayonnement électromagnétique appelée fluorescence, soit par transfert d’énergie aux molécules environnantes lors de collisions. En solution, la fluorescence de nombreuses molécules organiques est observée lors de transition entre niveaux d’énergie électronique mais aucun exemple n’est connu dans le cas de transitions entre niveaux d’énergie de vibration. La raison en est la compétition entre les deux mécanismes de désactivation mentionnés ci-dessus. En solution (ou en phase gazeuse à des pressions supérieures à 10 Pa) la désactivation radiative par  fluorescence ne sera possible que pour des états excités de très courte durée de vie (10-9 à 10-7 s) qui peuvent se désactiver avec émission d’un rayonnement avant qu’un nombre suffisant de collisions avec les molécules environnantes n’intervienne. La  fluorescence d’états excités de plus longue durée de vie ne peut être observée qu’en milieu rigide ou en phase gazeuse à des pressions si faibles que le nombre de collisions entre molécules devient insignifiant.

[2] B.M.Smirnov,  J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 214004 (2018)

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

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

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

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

[7] https://www.john-daly.com/artifact.htm

 

 

 

 

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27 réflexions au sujet de « Le réchauffement climatique d’origine anthropique »

  1. Cher Monsieur Geuskens.
    J’avais ete tres impressionne par la premiere version de cet article. il me semble que vous avez evolue. Si vous etes fidele a votre conclusion, claire et categorique, il faut le dire, avez vous chnge de raisonnement, de motivations? Excusez moi, je suis tres loin de mes cours de thermo et de chimie d’e mes vingt ans.

    Merci en tous cas pour avoir le courage d’affronter les Dragons.

    1. Merci pour votre commentaire.
      Dans ma note précédente http://www.science-climat-energie.be/2018/08/06/le-co2-et-le-climat-avec-et-sans-effet-de-serre/ j’avais tenté d’amorcer un débat en mettant en évidence tous les points pouvant être considérés comme des hypothèses communes aux partisans et adversaires du réchauffement climatique d’origine anthropique pour en arriver à l’hypothèse de l’effet de serre et montrer que, même si elle se vérifiait, le CO2 ne pourrait avoir aucune influence significative sur le climat. Aucun débat n’a été possible avec des commentateurs, s’exprimant sous couvert d’un pseudonyme, qui n’ont d’autre argument que de mettre en doute la compétence de l’auteur.
      Dans la nouvelle note l’argumentation n’a pas changé mais il m’est apparu que minimiser les conséquences de l’effet de serre en supposant (preuve par l’absurde) qu’il puisse exister pouvait prêter à confusion. Dans cette nouvelle note j’ai voulu être plus explicite en montrant que l’hypothèse de l’effet de serre, invoquée comme base de la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique n’avait aucune justification ni théorique, ni expérimentale.

  2. Pour ma compréhension, CO2 se désactive par collisions avec N2 et O2, mais comment ces 2 compères se désactivent-ils?
    Je ne comprends pas non plus “pas d’accumulation d’énergie cinétique au cours du temps puisqu’un important courant de convection existe déjà” pourriez-vous m’éclairer svp.
    Merci pour votre article et plus généralement votre site.

    1. Merci pour votre commentaire.
      Il faut distinguer « énergies de vibration » et « énergies de translation ». Les énergies de vibrations ne peuvent pas prendre n’importe quelle valeur. Il existe des niveaux d’énergie de vibration bien déterminés : on dit qu’ils sont
      « quantifiés ». Une molécule peut être excitée en passant d’un niveau d’énergie à un niveau d’énergie supérieure et se désactiver lors du processus inverse. Par contre les énergies de translation ne sont pas quantifiées. Lors d’une variation de température, par exemple, les énergies de translation peuvent augmenter ou diminuer d’une manière continue. Il n’est pas question, dans ce cas, d’excitation ou de désactivation.
      Les molécules de CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre sont excitées à leur plus bas niveau de vibration et se désactivent, endéans quelques microsecondes, par collisions avec les molécules environnantes N2 et O2. Ces dernières ne seront PAS, de ce fait, excitées à un niveau de vibration supérieur qui est bien trop élevé car elles sont très rigides. Elles acquièrent temporairement un léger surcroît d’énergie cinétique de translation (de l’ordre de 0,0001 %) mais il n’y a pas d’accumulation car, par suite des milliards de collisions par seconde, ce surcroît d’énergie de translation se répartit rapidement sur l’ensemble des molécules atmosphériques et s’ajoute au puissant courant de convection dû à la dissipation par la Terre d’une partie de l’énergie reçue du Soleil. Ce courant de convection, dont l’importance est estimée par la NASA à 12 W/m2 et par d’autres auteurs à 59 W/m2, ne sera pas appréciablement modifié par la conversion d’énergie de vibration du CO2 en énergie de translation des molécules N2 et O2.

      1. Bonjour et merci pour vos contributions si détaillées
        Les compléments que vous avez apportés à votre article sont passionants. Je me permets cette question pour essayer de bien comprendre : vous annoncez que du fait de la pression atmosphérique en basse altitude, la molécule de CO2 est desexcitee par des collisions avant d’avoir la possibilité d’émettre un rayonnement….qu’en est il a plus haute altitude, un rayonnement de type effet de serre ne peut il pas apparaître ?

        1. Merci pour votre commentaire.
          A des altitudes de l’ordre de 100 km la pression atmosphérique est si faible que le nombre de collisions entre molécules n’est plus que d’environ 1000 par seconde. Des molécules excitées (CO2 ou autres) par n’importe quel mécanisme peuvent alors se désactiver par émission d’un rayonnement avant qu’une collision inélastique ne se produise. Dans ces conditions, la fluorescence de molécules de CO2 à la longueur d’onde de 15 µm a été détectée, comme mentionné dans ma note. On ne peut cependant parler d’un effet de serre qui pourrait conduire au réchauffement de la surface terrestre car l’intensité du rayonnement émis décroît avec le carré de la distance qui est maintenant considérable.

      2. Mais il faut poursuivre le raisonnement pour comprendre ce qu’est l’effet de serre du à l’augmentation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère. Bien sur que le rayonnement IR réémis par la terre dans la bande d’absorption du CO2 est entièrement absorbé par l’atmosphère (enfin pas tout à fait, la raie d’absorption du CO2 située entre 14 et 17 µm n’est pas saturée sur ses ailes : l’absorption augmente donc faiblement avec la concentration du CO2).
        Mais l’essentiel du réchauffement résulte du rayonnement thermique. L’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique s’échappe vers l’espace augmente avec la concentration de CO2 en raison de l’épaississement de la couche opaque au sein de laquelle toute émission dans le spectre infrarouge du CO2 est réabsorbée ou diffusée. La température diminuant avec l’altitude, l’émission est plus faible, ce qui renforce le forçage radiatif de l’atmosphère.
        L’impact sur la température de surface de notre planète est faible, de l’ordre de 0.2 – 0.3 °C depuis 1970. Mais il y a des boucles de rétroaction positives qui amplifient le processus de réchauffement. Celles-ci sont très mal connues. Personnellement je mène des recherches dans ce domaine (https://www.mdpi.com/2077-1312/6/4/146). La distribution de l’augmentation de la température de surface d’origine anthropique, très variable en fonction du climat, semble démontrer l’influence du gradient thermique adiabatique (lapse rate en anglais) et des nuages d’altitude (voir climat actuel dans https://climatorealiste.com/).
        Bien cordialement

  3. Merci pour votre réponse.
    L’effet de serre ne peut donc pas exister au niveau des basses couches atmosphériques, mais qu’en est-il au niveau des hautes couches ou le CO2 peut se désactiver par rayonnement?

    1. A des altitudes de l’ordre de 100 km la pression atmosphérique est si faible que le nombre de collisions entre molécules n’est plus que d’environ 1000 par seconde. Des molécules excitées (CO2 ou autres) par n’importe quel mécanisme peuvent alors se désactiver par émission d’un rayonnement avant qu’une collision inélastique ne se produise. Dans ces conditions, la fluorescence de molécules de CO2 à la longueur d’onde de 15 µm a été détectée, comme mentionné dans ma note. On ne peut cependant parler d’un effet de serre qui pourrait conduire au réchauffement de la surface terrestre car l’intensité du rayonnement émis décroît avec le carré de la distance qui est maintenant considérable.

  4. Yves m’a devancé!
    Vous parlez de “back radiation” doit on comprendre “CO2 directement excité par le rayonnement solaire “? Dans le même ordre d’idée j’ai du mal à comprendre comment le CO2 peut être excité par rayonnement terrestre alors qu’il devrait déjà l’être “prioritairement” par le rayonnement solaire?
    Merci encore de nous accorder de votre temps.

    1. Le rayonnement solaire reçu par la Terre s’étend de 250 nm à 2500 nm (2,5 µm) environ et n’est que très faiblement absorbé par le CO2 à 4,26 µm dans la bande d’absorption correspondant la vibration d’allongement asymétrique. Le terme anglais de « back radiation » est utilisé, dans l’hypothèse de l’effet de serre, pour caractériser le rayonnement qui serait réémis vers la Terre par le CO2 à 15 µm après avoir absorbé une fraction du rayonnement thermique provenant de la Terre.

  5. Bonjour,
    Merci Professeur pour ces explications claires et détaillées.
    Ce qui m’intrigue, c’est l’évacuation de la chaleur absorbée dans le bas de la troposphère du fait de la captation par les gaz “à effet de serre” des infrarouge émis par la Terre.
    Une théorie veut qu’elle soit évacuée par radiation à partir d’une couche supérieure de l’atmosphère à une altitude appelée “niveau caractéristique d’émission”, qui s’élève à mesure que l’air se charge en gaz “à effet de serre”. Pour évacuer la même quantité de chaleur, cette couche devrait donc s’échauffer pour atteindre la température de celle où se trouvait précédemment le “niveau caractéristique d’émission”. Richard Lindzen du MIT développe ce modèle à partir de la page 3 de ce document: https://courses.seas.harvard.edu/climate/eli/Courses/global-change-debates/Sources/Mid-tropospheric-warming/more/old/Lindzen-2007-Taking-Greenhouse-warming-seriously.pdf
    Ses explications m’amènent aux remarques suivantes:
    1° Le “niveau caractéristique d’émission” qu’il cite (6-8 km aux tropiques) est de l’ordre de 15 fois inférieur à celui auquel la pression est suffisamment faible pour permettre aux molécules de CO2 de réémettre. Je suppose que les molécules de H2O ont un temps d’excitation proche de celui des molécules de CO2 et qu’il leur est donc aussi impossible d’émettre aux altitudes notées par R. Lindzen.
    2° Il me semble que l’émission de la couche où la fluorescence peut se produire doit être proportionnelle aux taux des “gaz à effet de serre” qui s’y trouvent et donc que l’accumulation de CO2 dans l’air devrait provoquer une hausse d’émission à ce niveau comme elle produit une hausse d’absorption dans les premiers mètres au-dessus de la surface.
    3° Une partie de cette chaleur absorbée dans les premiers mètres de la troposphère devrait logiquement être transférée par conduction (convection, advection) à la surface (eau, sol). On retombe alors, pour cette partie de la chaleur, dans le calcul ancien d’élévation de la température de surface qui lui permettra d’émettre plus en compensation de la chaleur ainsi absorbée.
    4° Une remarque d’ordre épistémologique : les simulations informatiques issues du modèle “élévation du niveau caractéristique d’émission”, présentées par R. Lindzen page 4 de son document, font des prédictions très caractéristiques, qui rendent cette théorie très falsifiable.
    Merci encore à vous et à toute l’équipe pour les articles de ce site.

    1. Réponse à Bernard Bachelart.

      A propos de vos points 1° et 2°
      La désactivation radiative (fluorescence) de quelque molécule excitée que ce soit (CO2, H2O, CH4) ne peut se produire aux pressions régnant dans la troposphère car la désactivation par collisions y est largement prédominante. C’est pourquoi Lindzen ne parle PAS de la fluorescence de GES en faisant allusion à des « niveaux caractéristiques d’émission » situés à des altitudes de l’ordre de 8 km. Il considère que c’est l’ensemble des constituants atmosphériques qui émettent un rayonnement thermique conforme à la courbe de Planck dont l’intensité est fonction de la longueur d’onde et de la température, donc de l’altitude. En fin de compte, ce rayonnement thermique de l’atmosphère permettrait l’élimination hors du système terrestre de l’énergie reçue du Soleil. Il est difficile d’admettre que l’atmosphère à de faibles pressions puisse se comporter comme un « corps noir ». Mais comment sinon convertir en rayonnement l’énergie dissipée initialement par convection et évaporation de l’eau des océans ? C’est une question fondamentale à laquelle je n’ai pas de réponse convaincante.

      A propos de votre point 3°
      De la chaleur qui serait libérée (par quel mécanisme ?) dans les premiers mètres de la troposphère ne pourrait être transférée à la surface terrestre car elle ne pourrait passer d’un corps froid à un corps chaud.

      A propos de votre point 4°
      Lindzen croit à un effet de serre limité. Il considère (conférence à Mannheim en 2014) que suite à l’absorption par le CO2 d‘une fraction du rayonnement thermique de la Terre le niveau caractéristique d’émission de l’atmosphère passera de 350 hPa (8 km) à 300 hPa (9 km) et donc à des températures plus basses (figures p.4 de votre référence). Sa conclusion est que « the new emission level is colder than the original emission level. This reduces the outgoing infrared radiative flux, which no longer balances the net incoming solar radiation ». Comme vous le dites « ces prédictions très caractéristiques rendent cette théorie très falsifiable ». Encore faudrait-il pouvoir vérifier l’existence de niveaux caractéristiques d’émission

  6. Bonsoir,
    Votre postulat de départ me parait bien exotique, à savoir que : ” L’effet de serre résulterait essentiellement de l’émission par les molécules de CO2 d’un rayonnement de fluorescence dans le domaine infrarouge”. Pourriez-vous donner une référence du GIEC (ou plus sérieuse) qui définirait ainsi l’effet de serre ?
    Je ne pense pas que le rayonnement infrarouge induit un phénomène de fluorescence sur la vitre d’une serre qui provoquerait le réchauffement interne de cette serre. Il s’agit d’un phénomène de réflexion des ondes (sans doute avec un système dissipatif, comme vous le préconisez), comme le ferait n’importe quel isolant thermique. C’est en tout cas ainsi que c’était enseigné à l’unif (il me semble).

    1. Réponse à Clara.

      La définition de l’effet de serre comme 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 » n’est pas un postulat exotique comme vous le supposez. C’est une définition très généralement admise car elle décrit clairement le phénomène envisagé et répond, de plus, au critère de réfutabilité énoncé par Popper.

      Quand vous déclarez « Je ne pense pas que le rayonnement infrarouge induit un phénomène de fluorescence sur la vitre d’une serre qui provoquerait le réchauffement interne de cette serre » je suis d’accord avec vous et je n’ai jamais évoqué une telle idée. Par contre, quand vous ajoutez « Il s’agit d’un phénomène de réflexion des ondes (sans doute avec un système dissipatif, comme vous le préconisez), comme le ferait n’importe quel isolant thermique » je ne suis plus d’accord avec vous et je ne préconise rien de ce genre à propos du mode d’action des serres agricoles.

      1. Mais le GIEC ne parle pas fluorescence infrarouge, mais de réflexion de l’onde infrarouge. C’était cela, mon allusion à la vitre d’une serre agricole.
        Pourquoi ne tenez-vous pas compte de la réflexion de l’onde infrarouge ?

        1. La désactivation radiative d’un état excité est appelée “fluorescence”. Dans les basses couches atmosphériques le CO2 se désactive par collisions avec les molécules environnantes. Il n’émet PAS de rayonnement infrarouge.

        2. Clara,
          Vous trouverez la définition de l’effet de serre par le GIEC dans la dernière mouture du rapport du groupe de travail 1, à la 1471e page http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_ALL_FINAL.pdf#page=1471 Il y est indiqué «the net amount emitted to space is normally less than would have been emitted in the absence of these absorbers because of the decline of temperature with altitude in the troposphere and the consequent weakening of emission. An increase in the concentration of greenhouse gases increases the magnitude of this effect; the difference is sometimes called the enhanced greenhouse effect. The change in a greenhouse gas concentration because of anthropogenic emissions contributes to an instantaneous radiative forcing. Surface temperature and troposphere warm in response to this forcing, gradually restoring the radiative balance at the top of the atmosphere.» Il y a donc lieu d’insérer les explications du professeur Gerkens dans le cadre de la discussion de cette théorie de “l’effet de serre étendu” et non pas dans celle de la “réflexion de l’onde infrarouge”, dépassée depuis le début des années 70.

  7. Monsieur le Professeur,
    Oups, mon précédent commentaire est parti sans remerciement, veuillez le considérer comme nul et non avenu.
    Bonjour,
    Je découvre votre article sur facebook (qui a du bon) et évidemment il m’intéresse mais aussi il m’interpelle. Vous dites en 1c que les molécules de CO2 peuvent passer un saut quantique lors de certaines collisions inélastiques dans l’atmosphère. Je croyais jusqu’à présent que le saut quantique ne pouvait pas se faire lors d’une collision inélastique dans l’atmosphère. Dont acte.
    Vous écrivez : 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, selon la NASA, 21 % de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère) soit un peu moins de 2 % de 342 W m-2 donc environ 7 W m-2 . Pour Sorokhtin et collaborateurs [5], le rayonnement thermique de la Terre représentant seulement 4 % de l’énergie totale reçue du Soleil, le CO2 n’absorberait donc au maximum qu’un peu moins de 0,4 % de 342 W m-2 soit environ 1,3 W m-2. Voilà des calculs que je ne comprends pas… Pourriez-vous être assez aimable pour me les expliciter ?
    Permettez-moi de vous poser quelques questions de candide. Quand on parle d’effet de serre, de quoi parle-t-on exactement, de la température moyenne de la terre ou celle de son atmosphère ? Parce que tout le monde semble s’inquiéter du climat alors que les calculs du GIEC semblent concerner l’équilibre radiatif de la terre.
    Dans l’attente du plaisir de vous lire je vous remercie pour ce site qui a le mérite d’expliquer de manière simple des choses compliquées. On voit là tout l’art d’un excellent professeur.
    Avec mes cordiales salutations.

    1. Merci pour vos questions auxquelles j’essaye de répondre brièvement.
      1° La conversion d’énergie de translation (non quantifiée) de certaines molécules en énergie de vibration (quantifiée) soit des mêmes, soit d’autres molécules (et inversement) lors de chocs inélastiques est maintenant bien documentée (quelques références dans la note).
      2° Si la Terre se comporte comme un corps noir à la température de 288 K l’équation de Planck (voir http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/) permet de calculer par intégration dans le domaine de 14 à 16 µm que le CO2 (qui présente une bande d’absorption dans ce domaine) pourra absorber 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre. Si le coefficient d’absorption du CO2 est élevé ces 9,3 % seront absorbés sur une faible épaisseur atmosphérique (par exemple quelques mètres), s’il est faible l’épaisseur atmosphérique sera plus importante (par exemple quelques centaines de mètres) mais le CO2 ne pourra jamais absorber plus de 9,3 % du rayonnement thermique émis par la Terre considérée comme un corps noir.
      3° L’énergie correspondant à ces 9,3 % du rayonnement thermique émis par la Terre dépend du bilan énergétique de la Terre à propos duquel subsiste beaucoup d’incertitude. Selon la NASA, 21 % de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère (qui serait 342 W m-2) est émise sous forme de rayonnement et 9,3 % de 21% = environ 2%. Selon Sorokhtin et collaborateurs, 4 % seulement de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère est émise sous forme de rayonnement et 9,3 % de 4 % = environ 0,4 %. Il s’agit de 0,4 ou 2 % de 342 W m-2.
      4° La définition la plus généralement admise est « 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.». Dans ma note je montre qu’un tel phénomène ne se produit pas dans les basses couches atmosphériques. Par conséquent la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique, basée sur l’hypothèse de l’effet de serre n’a aucun fondement scientifique.

  8. Merci Professeur Geuskens de répondre si rapidement à mes questions.
    Vos réponses toutefois suscitent d’autres questions …
    2° point : Donc le pourcentage d’énergie radiative de la terre susceptible d’être absorber par le CO2 n’est que de 9% soit environ 35 watts. J’ai une petite métaphore de mon cru pour illustrer la chose : Quand il y a pénurie de haricots (les 35 W sont interceptés) ce n’est pas en augmentant les magasins (le CO2) qu’il y aura plus de haricots…
    3° point Que vient faire le rayonnement radiatif du soleil absorbé par l’atmosphère (21 % soit 67 W) dans les échanges avec le CO2 ?
    4° point C’est assez étonnant qu’on fasse le bilan radiatif de la terre et pas le bilan thermique de l’atmosphère. Pour la météorologie ce sont quand même les échanges thermiques entre la terre et l’air (vent, pluie, conduction, convection) qui déterminent la température générale estimée et qui inquiète tant nos contemporains. Cette énergie thermique finit toujours par réchauffer la terre thermiquement et comme la terre est considérée comme un corps noir… L’énergie thermique se dégrade par conduction ou convection mais elle ne se perd pas.
    J’ai 68 ans, cela fait 20 ans que je suis climatosceptique et que je cherche une réponse à mon questionnement. (Cela me passionne au point que je me suis inscrit à une session de cours à l’ULB) Je dois vous féliciter parce que c’est la première fois que j’ai une réponse claire sur les échanges radiatifs entre le CO2 et l’atmosphère.
    Avec mes cordiales salutations.

    1. Merci pour votre intérêt pour ma note.

      Petite correction à votre dernier commentaire: le CO2 ne peut absorber au maximum que 9 % du rayonnement thermique émis par la Terre, PAS 9% du rayonnement solaire reçu au sommet de l’atmosphère. Cela représente 1,3 W/m2 ou 7 W/m2 selon les auteurs. L’absorption par le CO2 est pratiquement saturée sur une dizaine de mètres et augmenter la concentration en CO2 réduirait encore cette épaisseur atmosphérique.

      Le rayonnement absorbé ou diffusé par l’atmosphère est renvoyé vers l’espace interstellaire.

      A titre d’exemple (car c’est le plus complet) le bilan énergétique de la Terre proposé par la NASA est à la fois thermique ET radiatif.

      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.

  9. Cher Monsieur Geuskens,
    Merci pour votre approche simple et convaincante relative à l’inexistence de l’effet de serre dans la troposphère.
    Outre les arguments que vous présentez, ne pourrait-on ajouter que l’air de la troposphère est brassé de manière intense par la convection naturelle et que c’est cette dernière qui y contrôle la température de l’air au contraire des phénomènes radiatifs ?
    Pourquoi parle-t-on tellement d’effet de serre et quasi jamais (voir par exemple AR5-WG1) de la convection naturelle ?
    Bien cordialement,
    Jean

    1. Merci pour votre commentaire.
      Je suis d’accord avec vous : la convection est certainement le mécanisme prépondérant de dissipation par la Terre de l’énergie reçue du Soleil. Je n’ai trouvé aucun argument théorique ou expérimental en faveur de l’hypothèse de l’effet de serre.

  10. à Georges Geuskens,

    Merci vous votre article que j’ai particulièrement apprécié.

    J’ai compris que dans la basse troposphère, tout le rayonnement infrarouge dans les longueurs d’onde d’absorption du CO2 est absorbé, c’est-à-dire que la basse troposphère est opaque pour les infrarouges dans ces longueurs d’onde et qu’une augmentation du CO2 anthropique n’y changera rien (augmentation qu’il faut d’ailleurs relativiser, il s’agit de passer de 4 molécules de CO2 pour 10000 molécules d’air, à 5 ou 6…)

    J’ai compris que dans la basse troposphère, les molécules de CO2 à l’état excité, n’ont pas le temps de perdre leur énergie par fluorescence, vu les milliards de chocs qu’elles subissent, et donc qu’elle se désactivent en transmettant de l’énergie cinétique aux autres molécules de l’air (N2, O2, Ar, CO2…).

    Ma question : l’énergie est transmise de la basse troposphère à la haute troposphère par les chocs (énergie cinétique) entre les molécules de l’air.
    Dans la haute troposphère, les molécules de CO2 peuvent dissiper cette énergie par fluorescence (étant donné la raréfaction des molécules d’air) et donc participer au refroidissement de la terre si ce rayonnement infrarouge part dans l’espace.
    Si le taux de CO2 augmente dans cette région de la haute troposphère, peut-on conclure que la fluorescence va augmenter et qu’en conséquence la terre se refroidira davantage?

    Merci d’avance pour votre réponse.

    1. Merci pour votre commentaire.
      Certains scientifiques (école russe de Sorokhtin et collaborateurs) prétendent effectivement que l’augmentation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère conduira à un refroidissement de notre planète, comme vous le suggérez. Personnellement je crois que les mécanismes de dissipation ultime de l’énergie terrestre vers l’espace interstellaire sont encore mal compris.

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