L’effet de serre et le bilan énergétique de la Terre

par Georges Geuskens, Professeur émérite de l’Université Libre de Bruxelles (ULB)

Dans presque toutes les sciences, les notions élémentaires sont les plus difficiles et elles sont parfois mal comprises. Par la suite, elles sont souvent  négligées car elles ne s’opposent pas à la publication d’articles dans des domaines spécialisés où les auteurs, à la recherche de notoriété ou de subsides, sont jugés par leurs pairs. La climatologie, science récente et pluridisciplinaire par essence, n’échappe pas à cette règle. C’est ainsi que beaucoup de climatologues, réputés tels ou simples amateurs, développent des théories dont les hypothèses sont contraires aux principes fondamentaux de la chimie et de la physique. Néanmoins,  sur la base de ces théories mal étayées, des modèles informatiques sont élaborés qui conduisent, avec une précision rassurante, à des prévisions alarmantes. Dans cette note nous rappellerons d’abord quelques notions élémentaires concernant l’émission et l’absorption de rayonnements par la Terre et par les gaz atmosphériques avant de revoir d’un point de vue critique les notions généralement admises à propos de l’effet de serre et du bilan énergétique de la Terre.

1. Deux types de rayonnement à ne pas confondre.

1.1. Émission de rayonnement thermique

Tout corps solide à une température supérieure au zéro absolu  émet un rayonnement qui apparaît dans le domaine visible pour des températures supérieures à 3000 K mais se limite principalement au domaine infrarouge pour des températures inférieures (fig. 1). Ce rayonnement qualifié de « thermique » se présente toujours sous forme d’un spectre continu avec une forte variation d’intensité du côté des courtes longueurs d’onde (hautes énergies), passage par un maximum à la longueur d’onde λmax qui se déplace en fonction de la température (comme indiqué sur la fig. 1) et perte progressive d’intensité du côté des grandes longueurs d’onde (faibles énergies). Il est dû à l’oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de  l’électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d’oscillation.

Fig. 1 Rayonnement thermique d’un corps solide à différentes températures

Dans la seconde moitié du 19ème siècle plusieurs physiciens ont tenté d’élaborer une théorie du « corps noir », objet idéal qui,  à l’équilibre thermique, absorbe et émet toutes les longueurs d’onde d’où la qualification de « noir ». Ce n’est qu’en 1900 que Planck proposa une équation introduisant l’idée, révolutionnaire pour l’époque, qu’à chaque longueur d’onde le rayonnement ne peut être émis que sous forme de « quanta » (c’est-à-dire de petits  paquets) dont l’énergie est hν = hc/λ (où ν et λ sont respectivement la fréquence et la longueur d’onde du rayonnement émis, c la vitesse de la lumière et h une nouvelle constante de la nature appelée désormais constante de Planck). Cette formule, ainsi que quelques limitations à son usage, est rappelée dans une note publiée sur ce site (http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/). L’intégration de l’équation de Planck sur tout le domaine de longueurs d’onde conduit à la formule de Stefan-Boltzmann qui lie l’émittance hémisphérique  (à 180°dans toutes les directions à partir d’une surface) E(T)  (en W m-2) à la température T (en K)  à la puissance  4 :

E (T) = σ T4 (σ = constante de Stefan = 5,67 x 10-8 W m-2 K-4)                (1)

La relation (1) fournit une mesure de l’aire sous les courbes de la fig. 1. Il faut remarquer que l’émittance hémisphérique  intervenant dans la relation (1) est fondamentalement différente du flux «  unidirectionnel »  (ascendant ou descendant) F(T) de la relation (2) qui est l’outil de travail par excellence des climatologues :

F (T) = σ T4                (2)

Cette dernière relation, bien que couramment utilisée, doit donc être considérée comme une approximation. La fig. 1 montre aussi que le maximum de la courbe d’émission  se déplace avec la température selon la loi de Wien :

λmax = C / T (C = 2,9 10-3 m K)                   (3)

L’intégration de l’équation de  Planck permet de calculer que 95 % de l’émission thermique d’un corps noir se situe dans le domaine de longueurs d’onde s’étendant de 0,5. λmax à 4. λmax

Les caractéristiques essentielles d’un rayonnement thermique sont que :

– le spectre d’émission est continu, son intensité dépend fortement de la température mais est indépendant de la nature de l’émetteur.

– le rayonnement thermique d’un corps chaud peut être absorbé par un corps froid mais PAS l’inverse.

1.2. Émission de rayonnement de fluorescence.

En accord avec les principes de la mécanique quantique l’énergie interne d’atomes et molécules ne peut varier d’une manière continue. Les niveaux énergétiques sont discrets : on dit qu’ils sont « quantifiés ». Un atome ou une molécule peut être excitée d’un niveau d’énergie bas à un niveau plus élevé par différents mécanismes dont l’absorption d’un rayonnement de longueur  correspondant précisément à la différence d’énergie entre les niveaux concernés. Un atome ou une molécule excitée, toujours de durée de vie limitée, peut se désactiver par différents mécanismes dont l’émission d’un rayonnement de fluorescence. Il va sans dire que la loi du rayonnement de Kirchhoff ne s’applique PAS au rayonnement de fluorescence. Cette loi, spécifique des corps noirs, précise qu’à l’équilibre thermique leur absorptivité doit être égale à  leur émissivité.

Les caractéristiques essentielles d’un rayonnement de fluorescence sont que :

– le spectre d’émission est discontinu, constitué de raies ou de bandes. Son intensité ne dépend PAS de la température et la relation de Stefan-Boltzmann (1) n’est PAS d’application. Le spectre de fluorescence dépend fortement de la nature de l’atome ou de la molécule et peut même servir à l’identifier.

– le rayonnement de fluorescence d’un corps froid peut être absorbé par un corps chaud sans violer le second principe de la thermodynamique car un rayonnement n’est PAS de la chaleur.

1.3. Absorption de rayonnement thermique.

Le rayonnement thermique d’un corps noir, par exemple le Soleil, peut être absorbé par un autre corps noir plus froid comme la Terre mais l’inverse n’est PAS possible. Par contre, certaines longueurs d’onde du rayonnement thermique d’un corps noir peuvent être absorbées sélectivement par des molécules individuelles à n’importe quelle température si une transition vers un niveau d’énergie plus élevée est possible. C’est le cas, par exemple, pour le rayonnement thermique du Soleil. La fig. 2 montre qu’au sommet de l’atmosphère le rayonnement thermique du Soleil correspond assez bien à celui calculé par l’équation de Planck pour un corps noir à 5250 °C avec un maximum à 500 nm. Comme mentionné ci-dessus, 95 % de l’émission se situe dans le domaine de longueurs d’onde s’étendant de 250 nm à 2000 nm (2 µm). Au niveau de la mer l‘intensité du rayonnement est réduite de 20 % car unefraction est absorbée par les gaz atmosphériques (essentiellement par la vapeur d’eau)dans les longueurs d’onde de 800 à 3000 nm (de 0,8 à 3 µm, modes de vibration de H2O apparaissant sur la fig. 6).

Fig. 2 Rayonnement thermique du Soleil

Le même type de phénomène intervient si on considère la Terre comme un corps noir à 288 K (15° C). La loi de Wien prévoit que le rayonnement émis devrait présenter un maximum d’intensité à 10 µm et l’équation de  Planck permet de calculer que 95 % du spectre d’émission sera compris entre 5 et 40 µm. Une fraction de ce rayonnement thermique peut être absorbée  principalement par la vapeur d’eau et, dans une moindre mesure, par le CO2 (voir paragraphes 2.2 et 2.3 ci-dessous).

2. Absorption et émission de rayonnement par les gaz atmosphériques.

2.1. Niveaux d’énergie.

Dans l’atmosphère terrestre 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 %.  L’énergie totale de ces  molécules est  la somme de  leur énergie de translation d’une part et de leurs énergies électronique, de vibration et de rotation d’autre part. L’énergie de translation n’est PAS quantifiée. Elle peut donc varier de manière continue dans une gamme de valeurs qui dépend de la température et qui obéit à la fonction de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann (voir fig.3).

Fig.3 Distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann (Probabilité de trouver une molécule de vitesse V à une température T, Vp = vitesse la plus probable,  V͞  = vitesse moyenne).

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 l’ordre de 500 m par seconde et qu’à cette température et à la pression d’une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde.

Les niveaux d’énergie électronique, de vibration et de rotation sont quantifiés.  Les transitions entre niveaux électroniques se manifestent dans le domaine spectral de l’ultra-violet et du visible et nous n’en discuterons pas ici. En plus des mouvements de translation, toutes les molécules polyatomiques, si elles disposent de l’énergie suffisante, peuvent aussi entrer en vibration avec variation rapide et périodique des longueurs ou des angles de leurs liaisons interatomiques. Cependant, certaines transitions seulement entre niveaux de vibration apparaissent dans l’infrarouge car, pour qu’un mouvement de vibration s’y manifeste (en émission ou absorption) il faut que la vibration implique une variation de moment dipolaire. C’est le cas pour certains modes de vibration de CO2 et H2O mais PAS pour N2 et O2 (ce qui ne les empêche pas de vibrer même si il n’y a pas de variation de moment dipolaire). Pour qu’un mouvement de rotation pure se manifeste (en émission ou absorption) dans l’infrarouge il faut que la molécule possède un moment dipolaire permanent. C’est le cas pour H2O mais PAS pour CO2, N2 ou O2 (ce qui ne les empêche pas d’avoir des mouvements de rotation même si elles n’ont pas de moment dipolaire permanent). Néanmoins, lors d’une vibration, des molécules comme CO2 et H2O peuvent se trouver dans différents  états (sous-niveaux)  de rotation. Des mouvements de rotation sont alors associés aux mouvements de vibration et les spectres sont qualifiés de spectres de vibration-rotation. Nous ne nous intéresserons  ici qu’au CO2 et à la vapeur d’eau car ce sont les principaux gaz atmosphériques susceptibles d’absorber une fraction des rayonnements thermiques du Soleil ainsi que de la Terre.

2.2. Le CO2.

Les molécules de CO2 possèdent trois modes de vibrations distincts notés :

ν1 (étirement symétrique) à 7,5 µm,

ν2 (déformation angulaire)  à 15 µm

ν3 (étirement asymétrique) à 4,3 µm

Les deux derniers sont actifs dans l’infrarouge mais seul  ν2 se situe dans le domaine du rayonnement thermique de la Terre (de 5 à 40 µm). La fig. 4 met en évidence, en plus des niveaux de vibration correspondant à la transition ν2, la présence de sous-niveaux de rotation caractérisés par diverses valeurs du nombre quantique J. Les transitions possibles d’après la mécanique quantique correspondent à des transitions entre niveaux de rotation  telles Δ J = – 1, Δ J = 0 et Δ J = + 1.

Fig. 4 Niveaux de vibration de CO2 et transitions entre sous-niveaux de rotation conduisant aux branches P, Q et R du spectre infrarouge présenté sur la fig. 5.

La combinaison de toutes les transitions possibles se manifeste dans le spectre de  vibration-rotation, reproduit à faible résolution sur la fig.5, par l’apparition de branches P, Q et R par ordre d’énergie croissante.

Fig.5 Spectre d’absorption infrarouge du CO2

En admettant que la Terre se comporte comme un corps noir à la température de 288 K (15 ° C) et en intégrant l’équation de Planck dans le domaine  d’absorption du CO2 de 14 à 16 µm (voir fig. 5) on trouve que 10 % seulement de l’énergie du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cet intervalle de longueurs d’onde.  Le CO2, quelle que soit son abondance, ne pourrait donc absorber plus que cette fraction.

2.3. La vapeur d’eau.

De tous les gaz atmosphériques susceptibles d’absorber une fraction du rayonnement thermique de la Terre la vapeur d’eau est le plus efficace parce que c’est le plus abondant  (en moyenne 2 % en volume) et aussi parce que son spectre infrarouge est le plus étendu. Les molécules d’eau possèdent trois modes de vibration notés :

ν1 (étirement symétrique) à 2,7 µm,

ν2 (déformation angulaire) à 6,3 µm  

ν3 (étirement asymétrique) à 2,7 µm

Les deux derniers seulement sont actifs dans l’infrarouge mais seul ν2 se situe dans le domaine du rayonnement thermique de la Terre (de 5 à 40  µm). Des combinaisons de ν1, ν2 et ν3 peuvent aussi être actives dans l’infrarouge comme le montre la fig. 6 (courbe verte). Elles sont hors du rayonnement thermique de la Terre mais PAS hors du rayonnement thermique du Soleil au sommet de l’atmosphère dont elles absorbent une fraction (voir fig.2). En admettant que la Terre se comporte comme un corps noir à la température de 288 K (15 ° C) l’intégration de l’équation de Planck de 5  à 8 µm, domaine de la large bande de vibration-rotation ν2 (fig.6) permet de calculer que 12 % de l’énergie du rayonnement thermique de la Terre pourraient être absorbés par la vapeur d’eau dans cet intervalle de longueurs d’onde. A cela s’ajoute l’absorption associée à la rotation pure des molécules d’eau qui,  cas particulier parmi les gaz atmosphériques, possèdent un moment dipolaire permanent. Les transitions entre niveaux de rotation pure, notées R sur la fig. 6, s’étendent de 20 µm à 300 µm et même au-delà (en dehors de l’échelle du graphique). L’intégration de l’équation de Planck dans le domaine de 20 à 300 µm permet de calculer que 48 % de l’énergie du rayonnement thermique de la Terre pourraient être absorbés par la vapeur d’eau dans cet intervalle de longueurs d’onde. Au total, la vapeur d’eau pourrait absorber 60 % du rayonnement thermique de la Terre et, s’ajoutant aux  10 % du CO2(voir 2.2 ci-dessus)  il ne resterait au rayonnement thermique de la Terre qu’une zone de transparence (fenêtre optique) de 8 à 13 µm (voir fig.10) permettant le passage de 30 % environ de ce rayonnement. Cette dernière valeur est confirmée en intégrant l’équation de Planck dans ce domaine de longueurs d’onde. Toutes ces valeurs seront utilisées pour établir le bilan énergétique de la Terre (voir paragraphe 4 ci-dessous).

Fig. 6 Spectre d’absorption infrarouge de l’eau à l’état solide (bleu), liquide (rouge) et gazeux (vert).

2.4. Vibration et rotation de CO2 et H2O dans les basses couches atmosphériques.

L’importance des mouvements de translation des  molécules atmosphériques dépend de la température comme indiqué plus haut (fig. 3).  Il en est de même pour leurs mouvements de vibration et de rotation. Toutes  ces molécules peuvent  subir, à des degrés divers, des mouvements de vibration et de rotation si elles disposent de l’énergie suffisante. En l’absence de rayonnement extérieur, par exemple dans une boîte opaque, cette énergie  provient du milieu ambiant  sous  l’action des nombreuses collisions  qui sont un moyen d’échange énergétique. On peut calculer 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) les énergies requises pour provoquer les transitions de vibration de CO2 à 15 µm et de H20 à 6,3 µm ainsi que de rotation de H20 entre 20 et 300 µm. D’autre part, on peut calculer par la relation Et = mv2/2 quelles devraient être les vitesses des molécules N2 à 15° C pour atteindre ces énergies c’est-à-dire pour que Et = Ev. On trouve respectivement environ 700 m/s pour exciter la vibration de CO2 et 1100 m/s pour exciter la vibration de H2O.  L’intégration de la fonction de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann (fig. 3) montre qu’à 15 °C 20 % des molécules N2 ont une vitesse supérieure à 700 m/s et 1 % une vitesse supérieure à 1100 m/s. En fonction du principe d’équipartition  des énergies on en déduit qu’à 15° C statistiquement 20 % des molécules CO2 seraient en état de vibration mais seulement 1 % des molécules H2O. Par contre, pratiquement toutes les molécules H20 seraient en état de rotation. Ce passage des molécules CO2 et H2O à leur plus bas niveau de vibration  résulte seulement des collisions inélastiques (sans conservation de l’énergie cinétique) qui ne représentent que 0,001 % des collisions  mais 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 des molécules CO2 ou H2O

∆Ec (translation) de N2  + CO2  (ou H20)  ↔  ∆Ev (vibration de CO2 ou H20)  + N2   (4)

Cette conversion est réversible et les molécules se désactivent endéans quelques millisecondes pour retourner à l’état fondamental  lors de nouveaux chocs avec les molécules environnantes. 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 qui sont en état de vibration la proportion de molécules CO2 ou H2O dans ces états reste constante à une température et une pression déterminées. Cet équilibre ne sera PAS modifié si, en plus, certaines molécules sont excitées par absorption d’une fraction du rayonnement  infrarouge émis par la Terre. Dans ces conditions, les molécules excitées supplémentaires de CO2 et H2O joueront, en se désactivant par collisions, le rôle de convertisseur de ce rayonnement absorbé en énergie de translation des molécules environnantes principalement N2 et O2.

3. Effet de serre radiatif.

La théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique est basée sur une seule et fragile hypothèse : l’existence d’un effet de serre qui n’a jamais été mis en évidence expérimentalement. Il existe un grand nombre de définitions parfois fantaisistes de l’effet de serre. Dans un article paru en 2009(1) G.Gerlich et R.D.Tscheuschner en relèvent 14 différentes provenant de sources aussi variées que l’Organisation Météorologique Mondiale ou l’Encyclopedia Britannica. La plupart de ces définitions résultent d’une mauvaise compréhension du phénomène qui intervient réellement dans une serre agricole mais souvent  aussi d’une méconnaissance des lois fondamentales de la physique. Plus récemment M. Hertzberg, A. Siddons et H. Schreuder(2) ont examiné six définitions parmi les plus souvent citées et démontré qu’aucune ne résiste à un examen scientifique critique. Sans revenir sur ces énumérations mentionnons seulement  l’affirmation de certains climatologues selon laquelle une preuve, si pas une définition, de l’effet de serre serait qu’en l’absence de gaz dits « à effet de serre » la température « moyenne globale » de la Terre ne serait pas + 15° C mais – 18° C. Cette dernière température (parfois qualifiée de température « effective ») est calculée en appliquant la formule de Stefan-Boltzmann (voir 1.1 ci-dessus) au flux énergétique moyen de 240 W m-2 mesuré par satellites à 800 km d’altitude. Ce type de calcul n’aurait de  sens  que  pour une Terre sans atmosphère car la formule de Stefan-Boltzmann ne peut s’appliquer qu’en l’absence d’autres mécanismes de dissipation de l’énergie que le rayonnement thermique (voir http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/). Ce calcul serait quand même erroné car, en l’absence d’atmosphère, une partie de l’énergie reçue du Soleil ne serait pas réfléchie par les nuages. Les satellites devraient alors mesurer  un flux supérieur à  240 W m-2. La différence, souvent mentionnée, de 33° C entre  +15 °C et – 18° C n’a donc aucun sens physique et ne peut PAS être considérée comme la manifestation d’un effet de serre. La température de –18° C, mesurée à une altitude de 5100 m environ, n’a aucun intérêt particulier et résulte simplement de l’existence d’un gradient thermique dans l’atmosphère. Ajoutons encore que l’introduction dans des modèles informatiques de rétroactions positives ou négatives a permis de qualifier le réchauffement  climatique de changement climatique car l’introduction de paramètres supplémentaires dans les modèles informatiques permet  de justifier n’importe quelle variation du climat (voir http://www.science-climat-energie.be/2018/04/10/forcage-radiatif-sensibilite-climatique-et-retroactions-positives/). Finalement les médias ont contribué à la propagation de l’expression plus alarmante encore de dérèglement climatique laissant entendre que le climat aurait toujours été prévisible avant qu’il ne soit perturbé par l’action de l’homme.

La seule définition de l’effet de serre décrivant clairement le phénomène envisagé par le GIEC (IPCC 2012, Glossary of terms) et répondant, de plus,  au critère de réfutabilité énoncé par  l’épistémologue Karl 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 ».

Sans reprendre en détails les arguments déjà présentés pour réfuter l’hypothèse de l’effet de serre radiatif (voir paragraphe 2.4 ci-dessus et http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique/) nous rappellerons simplement  que dans les basses couches atmosphériques le CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactive par collisions (plusieurs milliards par seconde) avec les molécules environnantes et PAS par émission d’un rayonnement de fluorescence. On peut en conclure que l’effet de serre radiatif n’existe PAS et que les rétroactions imaginées pour amplifier son effet n’ont aucune justification. La désactivation radiative du CO2  ne peut être observée qu’à des altitudes de l’ordre de 80 – 100 km lorsque la pression atmosphérique est suffisamment faible pour que le nombre de collisions soit réduit à environ 1000/s. Le rayonnement émis dans toutes les directions à cette distance de la surface terrestre ne peut évidemment avoir d’influence sur la température de la Terre ou des basses couches atmosphériques.

4. Le bilan énergétique de la Terre

Le bilan énergétique envisagé est celui du système Terre-atmosphère et pas celui du globe terrestre isolé. Il est basé sur l’idée que pour maintenir une température constante la Terre (donc le système Terre-atmosphère) doit dissiper par différents mécanismes  l’énergie reçue du Soleil : évaporation de l’eau des océans, convection de l’air et rayonnement thermique. De nombreux auteurs ont traité ce sujet mais certains font intervenir un phénomène de «back radiation» associé à un hypothétique effet de serre qui n’existe PAS et leurs conclusions sont dès lors contestables. Nous essayerons ci-dessous d’établir un bilan critique en distinguant ce qui peut être mesuré ou calculé et ce qui résulte seulement d’estimations ou d’hypothèses.

4.1. Énergie absorbée par la Terre

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.  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 estimée en admettant une distribution uniforme de l’énergie sur toute la surface terrestre sans tenir compte d’une variation en fonction de la latitude. En réalité la distribution de l’énergie est loin d’être uniforme comme le montrent les valeurs mesurées par les satellites  CERES (Cloud and Earth Radiant Energy System) à des altitudes de l’ordre de 800 km. Elles  varient entre 20 et 440 W m-2 en fonction de la latitude (fig.7 en haut). La valeur de 342 W m-2 mesurée aux environs des latitudes 37°N et 37°S  est généralement acceptée comme valeur moyenne  pour des raisons explicitées au paragraphe suivant.

Fig.7 En haut : énergie solaire incidente au sommet de l’atmosphère (mesurée par satellites CERES). En bas : énergie émise par la Terre sous forme de rayonnement infrarouge (mesurée par satellites ERBE).

La bonne compréhension de la discussion qui suit implique d’examiner simultanément la fig. 8 qui en résume les conclusions.

Fig. 8 Bilan énergétique de la Terre (énergie solaire au sommet de l’atmosphère  100 = 342 W m-2).

En attribuant à la Terre un albédo moyen de 0,3 impliquant 30 % d’énergie réfléchie ou diffusée par la surface terrestre, l’atmosphère et les nuages (valeur mentionnée sur la fig.8 et flèche jaune ascendante) le rayonnement effectivement absorbé par le système Terre-atmosphère serait alors réduit à 70 % de 342 W m-2, soit 240 W m-2 . L’atmosphère (principalement la vapeur d’eau) absorberait 20 % de 342 W m-2 (voir fig. 2 ci-dessus et grande flèche orange sur la fig. 8). Finalement n’arriveraient à la surface terrestre que 50 % de 342 W m-2 (large flèche jaune descendante sur la fig. 8)

4.2. Énergie dissipée par la surface terrestre.

Au niveau de la surface terrestre trois mécanismes permettent la dissipation de l’énergie reçue du Soleil : évaporation de l’eau des océans, convection de l’air et rayonnement thermique. Je remercie un lecteur d’une de mes précédentes notes d’avoir attiré mon attention sur le fait que la Terre reçoit chaque année sous forme de précipitations 5,05 105 km3 d’eau qui se répartissent sur la surface totale de 5,1 108 km2. Tenant compte de la chaleur de vaporisation de l’eau (2454 kJ/kg) et du nombre de secondes dans une année on peut calculer que 78 W m-2 seraient requis en continu pour évaporer cette quantité d’eau, ce qui représente environ 23 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère (valeur notée sur la fig. 8).

La convection ascendante est généralement estimée à 7 % de l’énergie reçue au sommet de l’atmosphère (valeur notée sur la fig. 8). Le couplage de la convection et de l’évaporation de l’eau des océans constituerait donc, à raison de 30 %, le principal mécanisme de dissipation de l’énergie absorbée par la surface terrestre. Ces 7 % ne sont qu’une estimation mais, si on accepte cette valeur, on en déduit qu’environ 20 % de l’énergie reçue au sommet de l’atmosphère, resteraient à éliminer par rayonnement thermique (valeur notée sur la fig. 8). On peut calculer (voir 2.3) que 30 % de ce rayonnement pourraient être éliminés directement via la fenêtre optique (30 % de 20 % = 6 % de l’énergie reçue au sommet de l’atmosphère, mince flèche rouge en haut à droite sur la fig. 8) mais le reste serait absorbé principalement par la vapeur d’eau (à raison de 60 % voir 2.3) et aussi par le CO2 (à raison de 10 % voir 2.2) totalisant ainsi 70 % de 20 % et donc environ 14 % de l’énergie reçue au sommet de l’atmosphère (petite flèche orange à droite sur la fig. 8). L’ensemble de tous les pourcentages mentionnés en caractères gras ci-dessus est présenté sur la fig. 8.

Des mesures du rayonnement infrarouge émis par la Terre effectuées par les satellites ERBE (Earth Radiation Budget Experiments) à des altitudes de l’ordre de 800 km s’échelonnent entre 135 et 300 W m-2 selon la latitude (fig.7 en bas) et la valeur de 240 W m-2 est mesurée aux environs des  latitudes 37°N et 37°S. La comparaison des deux cartes reproduites sur la fig. 7 est intéressante car elle indique que :

Fig.7 en haut : aux  latitudes de 37 °N et 37 °S  la Terre reçoit du Soleil au sommet de l’atmosphère 342 W m-2 (mesurés par les satellites CERES) mais l’albédo en réfléchit 30 % (fig. 8) et donc seulement 240 W m-2 sont absorbés au niveau de la surface terrestre.

Fig.7 en bas : aux  latitudes de 37 °N et 37 °S  la Terre émet sous forme de rayonnement infrarouge 240 W m-2 (mesurés par les satellites ERBE).

Au niveau des latitudes 37 °N et 37 °S  il y aurait donc équilibre entre les flux radiatifs entrant et sortant du système Terre-atmosphère. Cela est explicité  schématiquement sur la fig. 8 bis. Pour cette raison la valeur de 240 W m-2 mesurée à ces latitudes est généralement acceptée comme valeur moyenne des flux radiatifs entrant et sortant.  Dans les régions proches de l’équateur la Terre reçoit du Soleil  un excédent d’énergie par rapport à cette  moyenne et dans les régions proches des pôles l’apport d’énergie est déficitaire par rapport à cette moyenne (fig.7 en haut). Lors de la dissipation  radiative de l’énergie absorbée par la Terre,  l’émission n’est PAS uniforme (fig.7 en bas) mais le déséquilibre est partiellement compensé par les transferts de chaleur dus au courants marins et aériens (fig.8bis). La correspondance des 240 W m-2 mesurés par les satellites ERBE avec l’énergie absorbée par le système Terre-atmosphère (70 % de 342 W m-2 = 240 W m-2)implique que, quel que soit le mécanisme initial de dissipation, l’énergie est finalement évacuée vers l’espace sous forme de rayonnement (large et mince flèches rouges en haut de la fig. 8).

Fig.8bis Déséquilibres radiatifs locaux dans le système Terre-atmosphère.

Ce bilan global est basé sur le modèle d’un système Terre-atmosphère en équilibre radiatif constant (sans accumulation ou libération temporaires d’énergie). Peu de grandeurs ont été réellement mesurées mais l’ensemble est cohérent et compatible avec les calculs rappelés dans les paragraphes 2.2 et 2.3. Son principal mérite est de mettre en évidence l’importance de la vapeur d’eau dans l’absorption d’une fraction des rayonnements thermiques du Soleil et de la Terre (flèches orange sur la fig. 8). Par voie de conséquence, la vapeur d’eau doit donc aussi avoir un rôle important dans la dissipation de cette énergie. Or, le bilan présenté ci-dessus n’apporte pas de réponse au problème posé par la conversion finale en rayonnement de l’énergie dissipée initialement par différents mécanismes (large flèche rouge ascendante sur la fig. 8). C’est à ce dernier aspect qu’est consacré le paragraphe suivant.

4.3. Origine du rayonnement détecté par satellites.

Les principales sources d’information dont nous disposons proviennent des satellites NIMBUS 3 (1) et NIMBUS 4 (2). Mis en orbite à une altitude de l’ordre de 1100 km, ils étaient équipés d’un interféromètre IRIS (InfraRed Interferometer Spectrometer) permettant d’enregistrer les spectres infrarouges par transformée de Fourier. Un exemple de spectre enregistré par NIMBUS 4 près de l’équateur au dessus de l’océan Pacifique occidental est reproduit sur la fig.9.

Fig.9 Spectre infrarouge du rayonnement de la Terre détecté par le satellite NIMBUS 4.

La totalité de ce spectre ne peut PAS provenir directement de la surface terrestre car seule la fenêtre optique de 8 à 13 µm permettrait au rayonnement thermique d’être évacué vers l’espace sans être absorbé dans les basses couches atmosphériques (principalement par la vapeur d’eau). Cela apparaît clairement sur la fig.10 qui superpose au spectre de transmission (inverse de l’absorption) des basses couches atmosphériques la courbe d’émission (en rouge) d’un corps noir à 288 K (15° C) comme le serait la Terre.

Fig. 10 Transmission de l’atmosphère (fenêtre optique de 8 à 13 µm) et spectre d’émission d’un corps noir à 288 K (15° C) (en rouge).

Sur la fig.9 apparaissent aussi en traits discontinus des courbes correspondant au rayonnement d’un corps noir aux températures mentionnées. Il semble qu’il y ait une tentative de faire correspondre chaque partie du spectre expérimental à une courbe d’émission « théorique » censée préciser la température à laquelle elle aurait été émise si elle provenait d’un corps noir. Cela pourrait éventuellement se justifier pour la partie du spectre  de 8 à 13  µm si ce rayonnement provenait exclusivement de la surface terrestre à la température de 288 K (15° C) ce qui ne semble PAS le cas (voir ci-dessous). Pour le reste de la courbe expérimentale une telle hypothèse est injustifiée car aucun constituant atmosphérique, quelle que soit l’altitude d’où proviendrait le rayonnement, ne peut être assimilé à un corps noir dont l’intensité d’émission  varierait en T4 (voir paragraphe 1 : deux types de rayonnement à ne pas confondre).

L’aire sous chaque partie du spectre de la fig.9 est proportionnelle au flux énergétique mesuré dans le domaine de longueur d’onde considéré. La portion la plus importante du spectre s’étend de 8 à 13 µm (correspondant à la fenêtre optique) mais elle n’a PAS l’allure attendue pour le rayonnement thermique de la Terre qui devrait présenter un maximum à 10 µm comme la courbe rouge de la fig. 10. De plus, la fig. 8 montre (fine flèche rouge à droite) que le rayonnement provenant directement de la surface terrestre à travers cette fenêtre optique ne représente que 6 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère soit 21 W m-2. On peut en déduire que les satellites NIMBUS ont enregistré plus de rayonnement que celui provenant directement de la surface terrestre mais beaucoup moins que les 240 W m-2 mesurés par les satellites ERBE (fig.7 en bas). La majeure partie du rayonnement pris en compte dans ces 240 W m-2 n’apparaît donc PAS sur le spectre de la fig. 9 car hors du domaine de mesure de l’appareillage utilisé. L’ozone, dont la concentration est la plus élevée vers 30 km d’altitude, absorbe à 9,6 µm une fraction du rayonnement thermique provenant de la Terre avant qu’il n’atteigne les satellites, en accord avec la fig. 10. Quant au CO2 il absorbe entre 14 et 16 µm une fraction d’un rayonnement qui ne provient PAS directement de la surface terrestre et dont l’origine est discutée ci-dessous.

Quels constituants atmosphériques sont susceptibles d’apporter sous forme de rayonnement l’appoint énergétique pour atteindre les 240 W m-2 mesurés par les satellites ERBE ?

L’hypothèse la plus probable est que ce soit  la vapeur d’eau car

1° de tous les constituants atmosphériques c’est le plus abondant de ceux  qui sont susceptibles d’émettre un rayonnement infrarouge et c’est celui dont le spectre de vibration-rotation est le plus étendu (fig. 6).

2° de tous les constituants atmosphériques c’est le seul qui, dans la troposphère, peut s’y trouver sous les états solide, liquide et gazeux et donc y subir des changements d’état.

3° les parties du spectre de la fig. 9 situées de part et d’autre de la fenêtre optique soit de 6 à 8 µm d’une part et de 13 à 25 µm d’autre part correspondent précisément aux domaines d’absorption (et donc aussi d’émission) de la vapeur d’eau mentionnés sur la fig. 10. La fig. 6 permet de préciser que dans le premier cas il s’agit de transitions de vibration et dans le second de transitions de rotation.

Par quel mécanisme la vapeur d’eau pourrait-elle évacuer sous forme de rayonnement l’énergie absorbée par le système Terre-atmosphère ?

Les molécules H2O de  l’atmosphère, excitées par absorption d’une fraction de l’énergie provenant du Soleil et de la surface terrestre (flèches orange sur la fig.8), ne peuvent PAS émettre de fluorescence, à quelque niveau que ce soit, car même à 12 km d’altitude, quand la vapeur d’eau est entièrement condensée (température et pression de l’ordre de – 60 °C et 200 hPa), la fréquence des collisions entre molécules (proportionnelle à P.T –1/2 ) n’est réduite que d’un facteur 4 par rapport aux basses couches atmosphériques et est encore de l’ordre de 109/s. Quelle que soit l’altitude, les molécules H2O individuelles se désactivent donc toujours par collisions avec les molécules environnantes N2 et O2 mais lors d’un changement d’état impliquant un grand nombre de molécules voisines la situation pourrait être différente.

La vapeur d’eau, entrainée par convection, se refroidit progressivement en s’élevant et se transforme en gouttelettes liquides qui, en présence de germes, peuvent partiellement cristalliser vers 4 km d’altitude à –10 °C. Lors de ces changements d’état les chaleurs  latentes de vaporisation et de fusion sont libérées et cédées au milieu ambiant par collisions avec les molécules environnantes. Par suite de ce transfert de chaleur la température de l’air humide est toujours supérieure à celle de l’air sec à une altitude donnée. Cependant, la troposphère n’étant PAS à  l’équilibre thermodynamique à  cause des courants de convection ascendants et descendants, l’eau peut rester partiellement à l’état surfondu  (c’est-à-dire liquide) à –10 °C alors qu’à l’équilibre elle devrait être solide. La vapeur d’eau  peut aussi  rester sursaturée  jusqu’à des altitudes voisines de 10 km et ne se condenser en cristaux qu’à  des températures de l’ordre de – 50 °C. Les états de liquide surfondu et de vapeur sursaturée sont des états métastables  qui peuvent revenir brusquement à des états liquide ou solide stables conformes au diagramme des phases.

Lors du brusque passage d’un état métastable à un état stable les interactions entre un grand nombre de molécules H2O voisines deviennent prépondérantes, réduisant automatiquement les collisions avec les molécules environnantes,  empêchant la libération d’énergie sous forme de chaleur et favorisant la libération sous forme de rayonnement. La condensation de la vapeur d’eau sursaturée en solide permettrait la libération de la chaleur latente de sublimation  (47 kJ/mol) sous forme de fluorescence vibrationnelle à λ = 6,3 µm par exemple (niveau d’énergie 19 kJ/mol) en n’impliquant la désactivation radiative que de quelques molécules d’eau (2,5 en moyenne). De la fluorescence rotationnelle pourrait aussi être émise de λ = 20 à 300 µm (niveaux d’énergie de 0,4 à 6 kJ/mol) mais un plus grand nombre de molécules  d’eau devraient intervenir pour atteindre  47 kJ/mol.

Quelques auteurs ont étudié l’émission de rayonnement infrarouge lors d’un changement de phase au départ d’un état métastable. Ce phénomène a été qualifié de « infrared characteristic radiation » (IRCR). Dans une brève revue(6) il est précisé que les mesures à partir d’états métastables sont délicates et que la caractérisation précise du rayonnement émis est difficile. Référence est faite cependant à des chercheurs russes qui auraient décelé l’émission d’un rayonnement infrarouge de 4 à 8 µm lors de la condensation de vapeur d’eau  sursaturée et d’un rayonnement de 28 à 40 µm lors de la cristallisation  de gouttelettes d’eau à l’état surfondu.  Ces  domaines de longueurs d’onde correspondent respectivement aux transitions de vibration et de rotation des molécules  H2O (fig. 6). D’autres auteurs(5) ont mis en doute la validité des mesures de 28 à 40 µm et n’ont enregistré, lors de la condensation de vapeur d’eau sursaturée, qu’une large émission s’étendant de 4 à 22 µm avec un maximum d’intensité à 13 µm qui coïncide avec celui de la fig. 9. En dehors des expériences de laboratoire l’émission IRCC provenant d’états métastables a aussi été mise en relation avec des phénomènes atmosphériques(7).  L’émission d’un rayonnement  infrarouge de 8 à 14 µm aurait été observée lors du contact de vapeur d’eau sursaturée, entraînée par un courant ascendant, avec la base de nuages cumulus à la température de –5 °C. Le satellite GOES 8 (Geostationary Operational Environmental Satellite) aurait aussi détecté au dessus des océans dans le canal de 6,7 µm l’émission de rayonnement infrarouge correspondant à la fluorescence vibrationnelle de l’eau. Par contraste des taches sombres apparaissent au dessus des zones arides. Signalons encore que l’émission d’un rayonnement  infrarouge de longueur d’onde non précisée a été mise en évidence lors de la cristallisation d’une goutte d’eau observée sous microscope(8).

Dans quelles conditions la vapeur d’eau pourrait-elle émettre de la fluorescence lors d’un changement d’état ?

La discussion et les résultats des paragraphes précédents montrent que, lors d’un changement d’état, la première condition pour que la libération des chaleurs latentes de vaporisation et/ou de fusion soit possible sous forme de rayonnement est qu’interviennent des états métastables (vapeur d’eau sursaturée ou eau liquide à l’état surfondu). Encore faut-il que la concentration locale en vapeur d’eau soit suffisamment faible pour que le rayonnement émis ne soit pas réabsorbé par les molécules d’eau individuelles puis converti  en chaleur par collisions avec les molécules environnantes N2 et O2.  Cette deuxième condition suggère que le phénomène ne pourrait se produire qu’à des altitudes voisines de 10 km où la teneur en vapeur d’eau n’est plus que de 0.01 % (fig. 11). A ce niveau, au sommet de la troposphère,  la convection ascendante de la vapeur d’eau sursaturée s’arrête puisque le gradient thermique s’annule. Comme il n’y a plus des gouttelettes d’eau à l’état métastable seule la condensation de la vapeur d’eau sursaturée en microcristaux de glace peut être envisagée.  Ce phénomène, inverse de la sublimation, est parfois qualifié en anglais de « desublimation » mais le terme correct en français est « condensation ».

Fig. 11 Teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère en fonction de l’altitude.

Ce changement d’état permettrait-il l’évacuation radiative de l’énergie provenant de la surface terrestre ?

Nous avons vu au paragraphe 4.2 et sur la fig. 8 que l’énergie absorbée par le système Terre-atmosphère ne peut être évacuée que sous forme de rayonnement : 6 %  directement par le rayonnement thermique de la Terre (21 W m-2) et 64 % (219 W m-2) après conversion en rayonnement de l’énergie résultant initialement de tous les autres  mécanismes. La condensation de vapeur d’eau sursaturée en microcristaux de glace entre 9 et 10 km d’altitude rend-elle cette conversion possible ? Un calcul simple pourrait nous en convaincre.

La dissipation en continu de 219 W m-2 par toute la surface du globe terrestre (dont la valeur est mentionnée au paragraphe 4.2) représente au total 1,12 1017 J/s. Envisageons ensuite une couche atmosphérique s’étendant de 9 à 10 km d’altitude autour du globe terrestre (température et pression moyennes 230 K et 275 hPa). L’équation des gaz parfait permet de calculer le nombre total de molécules qu’elle contient d’où le nombre de molécule H20 à l’état de vapeur sursaturée qui n’en représentent que 0,01 % soit 7,36 1014 mol. Lors de la condensation à l’état solide, ces molécules H2O pourraient  dissiper sous forme de rayonnement 47 kJ/mol soit au total 3,46 1019 J. Cette énergie émise quasi instantanément  sous forme de rayonnement est 310 fois supérieure à l’énergie à évacuer par seconde. Comparant les valeurs soulignées on voit que, même si le rendement de conversion en rayonnement n’était que de 0,3 %, il permettrait encore d’évacuer l’énergie dissipée chaque seconde par la surface terrestre.

Nous pouvons donc conclure que, sur les 240 W m-2 mesurés par les satellites ERBE,  9 % (21 W m-2) proviennent directement de la surface terrestre sous forme de rayonnement thermique et 91 % (219 W m-2) de l’émission de fluorescence associée à la condensation de la vapeur d’eau sursaturée au sommet de la troposphère.

Cette hypothèse nous permet de considérer la fig. 9 comme la superposition du rayonnement thermique de la Terre transmis directement à travers la fenêtre optique de 8 à 13 µm et d’un large spectre de fluorescence vibrationnelle et rotationnelle des molécules H2O qui pourrait s’étendre de 4 µm à plus de 100 µm (fig. 6) et donc bien au-delà des 25 µm qui constituent la limite de la fig.9.  Cela explique pourquoi les 240 W m-2 mesurés par satellites ERBE n’apparaissent que très partiellement sur la fig. 9. On comprend aussi qu’une fraction de la fluorescence rotationnelle puisse être absorbée par le CO2 entre 14 et 16 µm comme le montre la même figure.

Références

(1) G. Gerlich, R.D. Tscheuschner, International J. Modern Phys.B, 23, 275 (2009).

(2) M. Hertzberg, A. Siddons,  H. Schreuder, Energy & Environment 28, 530-539 (2017).

(3) B.J. Conrath, R.A. Hanel, V.G.Kunde, C.Prabhakara,  J. Geophys. Res. 75, 5831 (1970).

(4) R.A. Hanel, B.J. Conrath, V.G.Kunde, C.Prabhakara, I.Revah, V.V.Salomonson, G.Wolford, J. Geophys. Res.77, 69, (1972).

(5) V.A. Tatarchenko, P.V. Smirnov, Y. Wu, Optics and Photonics J. 3, 1-12 (2012).

(6) H. Xie, M. Shu, B. Zhang, X. Guan, Energy Procedia, 16, 997-1002 (2012).

(7) V.A. Tatarchenko, P.V. Smirnov, Earth Science Review 101, 24-28 (2010); (8) R. Stahlberg, H. Yoo, GH. Pollack,  Indian.J. Phys. 93, 221 (2019).

82 réflexions sur « L’effet de serre et le bilan énergétique de la Terre »

  1. Bonjour, Vous affirmez ceci : « La théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique est basée sur une seule et fragile hypothèse : l’existence d’un effet de serre qui n’a jamais été mis en évidence expérimentalement. » C’est faux. Le rayonnement de l’atmosphère vers la Terre est mesurable au sol depuis des décennies à l’aide de spectromètres, dans l’infra-rouge. Vous trouverez sur le site de l’Université du Wisconsin des exemples de stations de mesure de ce rayonnement : https://www.ssec.wisc.edu/aeri/ (AERI = Atmospheric Emitted Radiance Interferometer). Vous y trouverez aussi des spectres, qui montrent clairement le rôle joué par les gaz à effet de serre dans ce rayonnement. Cordialement

    1. Merci pour votre référence au rayonnement de l’atmosphère mesurable au sol. En pointant vers le ciel un interféromètre AERI on mesure effectivement, dans un domaine spectral assez limité et avec une faible résolution, un rayonnement infrarouge dont l’intensité dépend fortement de la saison et de la couverture nuageuse. On ne sait à quelle(s) altitude(s) il a été émis mais il est essentiellement dû à la fluorescence rotationnelle et vibrationnelle de la vapeur d’eau en accord avec le paragraphe 4.3 de ma note et avec les références citées. Comme mentionné au paragraphe 3 de la même note la fluorescence du CO2 n’a été observée (mais PAS à partir du sol) qu’à des altitudes de l’ordre de 80 – 100 km lorsque la pression atmosphérique est suffisamment faible pour que le nombre de collisions avec les molécules environnantes soit réduit à environ 1000/s. Le rayonnement émis à cette distance de la surface terrestre, même s’il était enregistré par un AERI, ne pourrait évidemment avoir d’influence sur la température de la Terre. Pour avoir une influence, l’hypothétique effet de serre radiatif envisagé par le GIEC-IPCC (IPCC 2012, Glossary of Terms) devrait se manifester au voisinage de la surface terrestre où un spectromètre bien moins sophistiqué qu’un AERI pourrait aisément le détecter, ce qui n’a jamais été fait. D’où ma conclusion que l’existence d’un effet de serre n’a jamais été mis en évidence expérimentalement.

  2. bonjour,
    Il me semble qu’il y a une erreur de calcul dans la comparaison entre la dissipation en continue de 1,12 10^17J/s qui correspond à un flux continue et la condensation de toutes les molécules en surfusion de la troposphère qui correspond à 3,46 10^19J. Car ce dernier nombre est une énergie, alors que le premier est une puissance. On ne peut donc pas les comparer. Une fois que toutes les molécules d’eau en surfusion ont congelé et émise leur rayonnement IR, elles n’émettent plus rien.

    1. Il ne faut évidemment pas confondre des watts (W = J/s = unité de puissance) et des joules (J = unité d’énergie). Il n’y a pas d’erreur de calcul dans mon texte mais l’explication n’est peut-être pas claire. Rappelons-en brièvement le principe. La Terre doit dissiper en continu sous forme de rayonnement 1,12 10^17 J/s provenant essentiellement de l’évaporation de l’eau des océans. Ma proposition est que ce serait possible par la condensation en microcristaux de la vapeur d’eau sursaturée au sommet de la troposphère. A ce niveau il y a un apport continu par convection de vapeur d’eau sursaturée qui ne peut être entraînée plus haut. Elle ne peut s’accumuler et la libération continue de 1,12 10^17 J/s sous forme de rayonnement nécessiterait la condensation de 2,38 10^12 mol/s de vapeur d’eau sursaturée à raison de 47 kJ/mol (chaleur latente de condensation). Or, il y en a 7,36 10^14 mol, donc 310 fois plus, dans la couche atmosphérique comprise entre 9 et 10 km d’altitude. Comme l’émission est quasi instantanée (durée de vie radiative des molécules d’eau excitées = 0,06 s) le mécanisme proposé reste possible même si la vitesse de condensation est 310 fois plus faible que la vitesse d’apport de vapeur d’eau sursaturée. On pourrait envisager aussi que son rendement ne soit que de 1/310 = env. 0,3 % pour tenir compte du fait que la chaleur latente de condensation pourrait n’être libérée que partiellement sous forme de rayonnement. Le mécanisme proposé est donc raisonnable et nous pouvons en conclure que, sur les 240 W m-2 détectés par les satellites ERBE, 9 % (21 W m-2) proviennent directement de la surface terrestre et 91 % (219 W m-2) de l’émission de fluorescence associée à la condensation de la vapeur d’eau sursaturée au sommet de la troposphère.

  3. La distinction que vous faites dans les sections 1.1 et 1.2 n’a pas lieu d’être. Tout rayonnement est constitué de photons et tous les photons sont issus de transitions entre des états quantiques des molécules. Pour justifier l’existence d’une émission de rayonnement thermique, qui serait selon vous différente de celle de la fluorescence, vous faites référence à ce processus : « Il est dû à l’oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de l’électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d’oscillation. » Le problème est que ce processus semble reposer sur un raisonnement classique, qui par ailleurs nécessite un champ électrique oscillant. Si on applique un champ électrique oscillant à un atome, le moment dipolaire est lui aussi quantifié.

    Vous terminez la section 1.1 par une affirmation surprenante :  » le rayonnement thermique d’un corps chaud peut être absorbé par un corps froid mais PAS l’inverse. » Ce qui amène naturellement la question suivante : Quelle loi de la physique empêcherait qu’un photon émis par une source l’empêche d’être aborbé par une source plus chaude ? Il existe d’ailleurs de nombreux contre-exemples qui invalident cette affirmation : four à micro-ondes, détection du rayonnement de fond cosmique à 3K, fonctionnement d’un récepteur radio, etc. Bien à vous.

    1. La confusion que vous faites entre rayonnement thermique et rayonnement de fluorescence est fréquente parmi les gens qui s’intéressent au climat, c’est pourquoi j’ai cru utile de résumer les caractéristiques essentielles de ces deux types de rayonnement dans les paragraphes 1.1 et 1.2 que je vous suggère de relire plus attentivement.

      Si vous doutez de mon affirmation selon laquelle « le rayonnement thermique d’un corps chaud peut être absorbé par un corps froid mais PAS l’inverse » vous pourriez faire l’expérience d’entrer, de préférence nu, avec la peau à la température de 32 °C dans une salle de bain dont les parois seraient à la température de 18 °C pour vérifier dans quel sens se fera l’échange énergétique. Mais il serait plus facile de lire ma note publiée sur ce site :
      http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/
      dans laquelle je précise que l’échange énergétique entre deux corps émettant un rayonnement thermique obéit à la relation :
      F (W m-2) = σ (Tc^4 – Tf^4)

      Dans cette formule Tc et Tf sont respectivement les températures des corps chaud et froid impliqués dans l’échange énergétique et F ne peut être négatif.

      Les exemples que vous citez impliquant notamment fours à micro-ondes ou récepteurs radio ne sont pas pertinents car la source du rayonnement n’est pas un corps noir ou gris susceptible d’émettre un rayonnement thermique.

      1. Le bilan des échanges énergétiques mène à un transfert *net* d’énergie de la source chaude vers la source froide. Ca ne veut pas dire qu’aucune énergie n’est transférée de la source froide vers la source chaude, juste que ces transferts sont plus faibles que ceux de la source chaude vers la source froide.

        Si ma peau cesse d’absorber tout rayonnement provenant de sources plus froides qu’elle, alors peu importe que les parois soient à 290K ou à 250K. (or dans la formule que vous donnez, ça fait clairement une différence)

        Et il reste alors la question de ce que devient ce rayonnement qui ne peut être absorbé. Il est réfléchi?

        1. Votre commentaire ne concerne pas directement ma note mais plutôt, semble-t-il, une réponse à un autre intervenant précisant que le rayonnement thermique d’un corps chaud peut être absorbé par un corps froid mais PAS l’inverse. En effet, l’échange énergétique entre deux corps émettant chacun un rayonnement thermique obéit à la relation : F (W m-2) = σ (Tc^4 – Tf^4) dans laquelle Tc et Tf sont respectivement les températures des corps chaud et froid. F ne peut PAS être négatif mais sera évidemment d’autant plus important que la différence entre les deux températures est grande. Il faut bien comprendre que le corps froid émet aussi un rayonnement thermique mais qu’il ne peut PAS être absorbé par le corps chaud. Il se perd dans l’atmosphère et son intensité diminue avec le carré de la distance. Il en est de même de divers rayonnements électromagnétiques qui nous inondent (ondes radio, par exemple) et que nous n’absorbons pas.

          1. Merci pour votre réponse.

            Je ne comprends pas comment le transfert pourrait devenir plus important si le rayonnement du corps froid n’est jamais absorbé par le corps chaud. Le rayonnement du corps chaud augmente en fonction de la température des corps autour de lui?

            Est-ce que la dispersion dans l’atmosphère ne devrait pas concerner aussi le rayonnement du corps chaud? Ne pourrait-on pas considérer les échanges radiatifs entre deux corps dans le vide afin de simplifier la discussion?

            Par quel mécanisme le rayonnement le corps chaud est empèché d’absorber le rayonnement du corps froid. Même avec la diminution en fonction du carré de la distance (qui ne me semble pas avoir beaucoup de sens pour un mur plan de salle de bain situé à un mètre de moi), le rayonnement ne sera pas nul en arrivant à la surface du corps chaud.

          2. Votre commentaire comporte plusieurs questions auxquelles je vais répondre successivement.

            Remarque préliminaire : un rayonnement (de quelque type que ce soit, de fluorescence ou thermique) n’est PAS de la chaleur. Il peut éventuellement produire de la chaleur (c’est-à-dire de l’agitation atomique ou moléculaire) s’il est absorbé.

            1° Le rayonnement thermique est dû à l’oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de l’électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d’oscillation (paragraphe 1.1 de ma note). Le rayonnement thermique d’un corps froid ne peut PAS exciter de nouveaux dipôles dans un corps chaud mais l’inverse est possible. On s’en rend compte en comparant, par exemple, les courbes d’émission des corps à 3000 K et à 6000 K sur la fig. 1 de ma note. La courbe de 6000 K recouvre entièrement la courbe à 3000 K : aucun nouveau dipôle (caractérisé par sa longueur d’onde d’émission) ne peut donc être excité dans le corps à 6000 K par le rayonnement du corps à 3000 K . On peut remarquer sur la même figure que l’inverse est possible dans la gamme de longueurs d’onde allant de 100 à 500 nm environ où le corps à 3000 K n’émet rien et peut donc absorber la rayonnement du corps à 6000 K.

            2° L’échange radiatif entre deux corps ne dépend NI de la température du milieu ambiant NI de sa nature sauf si ce milieu absorbe une fraction du rayonnement émis par le corps chaud. Exemple : dans l’atmosphère terrestre la vapeur d’eau et le CO2 absorbent une fraction du rayonnement thermique du Soleil avant qu’il n’atteigne la surface de la Terre (fig. 2 de ma note). Le rayonnement thermique d’un corps chaud n’est pas nécessairement absorbé totalement par un corps froid : cela dépend de la géométrie du système (ex. le rayonnement thermique du Soleil n’est pas totalement absorbé par la Terre).

            3° La relation F (W m-2) = σ (Tc^4 – Tf^4) montre que le flux radiatif d’un corps chaud vers un corps froid est d’autant plus important que la différence de température est grande entre les deux corps. Pour vous en convaincre placez un récipient à 100° C dans votre réfrigérateur dont les parois sont à 4° C et comparer avec l’effet d’un récipient à 20° C. D’un point de vue pratique ce n’est, en général, pas recommandé mais cela peut être utile dans le cas d’un surgélateur à dégivrer rapidement.

      2. Bonjour,

        « Les exemples que vous citez impliquant notamment fours à micro-ondes ou récepteurs radio ne sont pas pertinents car la source du rayonnement n’est pas un corps noir ou gris susceptible d’émettre un rayonnement thermique. »

        –> Pouvez-vous nous rappeler quels corps noirs existent dans la nature ?

        Je vous remercie,

        G

        1. Votre commentaire prête à confusion car la phrase que vous citez ne provient PAS de mon article mais d’une réponse faite à un précédent intervenant. Tout corps à une température supérieure à 0 K émet un rayonnement thermique dont le spectre a comme caractéristique essentielle d’être continu. Ce n’est PAS le cas des rayonnements intervenant dans un four à micro-ondes ou un émetteur radio. Cependant, parler de corps « noir » ou même de corps « gris » à propos des corps émettant un rayonnement thermique est souvent un abus de langage. D’une manière générale il faudrait parler «d’émetteurs de rayonnement thermique» et n’utiliser les termes corps « noir » ou «gris» qu’en fonction des valeurs de leur émissivité et de leur absorptivité si elles sont connues. Beaucoup d’émetteurs de rayonnement thermique ne sont d’ailleurs ni « noirs » ni «gris ». Vous trouverez plus de détails à ce sujet dans la note http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/. Il faut noter aussi que la conduction et la convection sont souvent associées au rayonnement thermique comme mécanismes de dissipation de l’énergie. Quelques exemples d’émetteurs de rayonnement thermique : les murs et les radiateurs de votre habitation, votre peau, la surface terrestre, le filament d’une lampe à incandescence mais PAS le rayonnement d’un tube fluorescent comme son nom même l’indique.

  4. Bonjour,
    Si je regarde le spectre AERI du lien donné par Stéphane, en ciel clair (spectre bleu) on voit parfaitement une bande à 667 cm-1 (15 µm) qui se superpose à la large bande de l’eau. Et cette bande correspond bien à la bande de vibration principale du CO2. On y voit d’ailleurs sur les côtés les bandes fines de rotation.
    En revanche, je ne sais pas interpréter les unités. Là on est en mW/m2.std.cm-1 alors que les spectres d’émission de la terre sont plutôt en W/m2.µm (l’angle solide ne change que de 2π). Si on intègre (à vue de nez) cette bande à 15µm, on trouve 13 W/m2.std. Ce qui n’est pas négligeable, mais très loin des 342 W/m2 qu’on voit souvent dans les schémas d’équilibre thermique de la terre.
    En revanche, on remarque que l’émission observée sous le ciel nuageux (en rouge) s’approche bien plus d’un spectre de corps noir, ce qui selon moi indiquerait que le phénomène dominant est de la réflexion (rétro-diffusion) sur les micro-cristaux ou gouttelettes du nuage. Alors que ceci n’est pas possible de la part d’un gaz. Si on intègre le spectre rouge (encore une fois à vue de nez) on obtient plutôt 78 W/m2.std soit 6 fois plus que la radiance du ciel clair qu’on pourrait attribuer au CO2 (mais je ne sais pas par quel mécanisme).

    1. L’interprétation, même qualitative, du spectre d’émission auquel vous faites allusion est très difficile car on ne sait pas à quelle(s) altitude(s) a été émis ce rayonnement. Il semble que la fluorescence de vibration-rotation de la vapeur d’eau soit prépondérante (émission ou réflexion ?) mais on ne peut attribuer au CO2 une émission à 667 cm-1. Il semble plutôt qu’intervient à ce niveau une absorption de la fluorescence de la vapeur d’eau dont la structure fine disparaît. Il est aussi surprenant qu’une émission provenant de couches supérieures de la troposphère parvienne au niveau du sol sans être absorbée par les « GES » des couches inférieures dont l’absorption est saturée sur quelques dizaines de mètres. Quant à la tentative d’interprétation quantitative que vous envisagez elle ne tient apparemment pas compte du fait que la radiance est exprimée en mW/m2 et pas en W/m2.

  5. Merci pour la réponse. Mais pourquoi ne peut-on attribuer au CO2 la bande à 667 cm-1, qui correspond parfaitement, en position, en forme, et avec les bandes fines de rotation latérales, à une bande du CO2 ?
    Je suis très embêté par cette bande, car je soutiens aussi qu’il ne peut y avoir de fluorescence du CO2 (ni de H2O d’ailleurs) à pression atmosphérique. Mais le fait est qu’on observe une bande… Si on avait absorption du signal de fluorescence de H2O (et pourquoi H2O pourrait fluorescer dans la basse atmosphère ?) on aurait un creux pas une bosse !
    Oui, la radiance est en mW /m2.std.cm-1. Mais quand on intègre sur une bande de largeur 200 cm-1 et de hauteur environ 65 mW/m2.std.cm-1, on obtient bien environ 13 000 mW/m2.std, soit environ 13 W/m2. std.
    En revanche je ne sais pas comparer au flux incident qui lui est souvent exprimé en W/m2.µm

    1. Je n’ai rien à ajouter à mes précédents commentaires à propos de ce spectre présenté sans référence à une publication bien documentée. Si vous êtes intéressé au sujet vous trouverez beaucoup d’informations en tapant « downwelling radiation » dans votre navigateur internet.

  6. Revenons aux fondamentaux. Nous vivons dans un air dont la température est en moyenne 288K. La physique nous apprend que tout corps dont la température est (nécessairement) supérieure au zéro absolu doit émettre un rayonnement. Appelons cela le rayonnement thermique.

    Un des premiers physiciens à s’être penché vraiment sur ce rayonnement du point de vue de la physique statistique et de la mécanique quantique, c’est Albert Einstein, avec son papier de 1917, « Zur Quantentheorie der Strahlung ». Il y imagine un gaz dont les molécules sont caractérisées par des états quantiques. Les transitions entre ces états ont lieu par émission ou par absorption de photons. Il existe donc un gaz de photons qui « baigne » les molécules. Einstein va dans un premier temps envisager séparément les molécules et la gaz de photons. Concernant les molécules, il va supposer qu’il y a équilibre entre les absorptions et les émissions, et qu’on peut donc décrire la distribution des états des molécules par la formule de Boltzmann. Concernant le gaz de photons, il va aussi considérer qu’il est à l’équilibre, et qu’on peut donc le décrire par la formule de Planck. Ensuite, il va étudier les processus qui assurent le couplage entre le gaz de photons et les molécules. Les seuls processus qui étaient connus à l’époque était l’émission spontanée et l’absorption. Il va associer à chacun de ces 2 processus un coefficient qui permet de calculer leur probabilité. En combinant ces deux processus avec la distribution de Boltzmann, il trouve une incompatibilité avec la formule de Planck. Ce qui l’amène à introduire un troisième processus, qui est le pendant exact de l’absorption : l’émission stimulée. L’introduction de ce nouveau processus permet donc de redériver la formule de Planck à partir de la distribution de Boltzmann. L’émission stimulée est à la base du fonctionnement des lasers.

    En résumé, il n’existe qu’un seul rayonnement, il n’y a pas lieu de distinguer un rayonnement thermique qui aurait des propriétés différentes du rayonnement de « florescence ». Et le spectre de ce rayonnement peut être discret, rien ne l’interdit. Dans le cas d’un gaz, ce spectre sera constitué de raies d’aborption dont les intensités seront données par la formule de Planck.

    En ce qui concerne notre atmosphère, l’analyse spectrale du rayonnement de l’atmosphère (appelé « DLR » pour Downward Longwave Radiation), mesuré au sol, fait clairement apparaître les raies spectrales du CO2 et de la vapeur d’eau. On peut trouver ce type de spectre dans le livre de Grant Petty, « A first course in atmospheric radiation », à la page 219 de la deuxième édition. Si vous ne possédez pas ce livre, voici un lien où vous pourrez consulter un tel spectre : https://scienceofdoom.com/2009/11/28/co2-an-insignificant-trace-gas-part-one/ (à la figure légendée « Fig. 3. Spectrum of zenith atmospheric… »). Une analyse spectrale n’est même pas nécessaire pour démontrer l’existence du « back radiation » de l’atmosphère, un simple pyrgéomètre suffit pour mesurer les quelques centaines de Watt par mètre carré de ce rayonnement. Sans la présence de ces gaz qui ont la capacité d’absorber le rayonnement infrarouge de la Terre via les modes roto-vibrationnels de leurs molécules, notre air serait incroyablement froid. L’effet de serre radiatif fait partie de ces évidences que nous avons sous le nez en permanence, à telle enseigne que nous finissons par ne plus réaliser qu’ils existent.

    1. Comme vous le rappelez l’article d’Einstein auquel vous vous référez concerne le rayonnement thermique. Il fournit une interprétation rationnelle de la formule « semi-empirique » proposée par Planck, dans un acte de désespoir comme il l’avait reconnu lui-même avec humour. Cet article ne concerne PAS les transitions entre niveaux d’énergie interne des molécules pouvant donner lieu à de la fluorescence ou à de la phosphorescence. Les caractéristiques bien distinctes des deux types de rayonnement, notamment l’influence de la température, sont rappelées dans les paragraphes 1.1 et 1.2 de ma note.
      Un simple pyrgéomètre permet, comme vous le dites, de mesurer un flux radiatif infrarouge, ce qui n’est en aucune manière une preuve de l’existence d’une « back radiation » attribuable à un effet de serre. Il y a déjà eu un large débat à ce sujet (voir notamment Claes Johnson on Mathematics and Science: Measuring Downwelling Longwave Radiation DLR?). Les pyrgéomètres sont couramment utilisés pour mettre en évidence les pertes thermiques dans les habitations. Quant à l’effet de serre radiatif, il devrait se manifester au voisinage de la surface terrestre où un simple spectromètre pourrait aisément le détecter, ce qui n’a jamais été fait.

        1. Votre question n’est pas claire et je n’ai pas accès à la référence citée. En pointant vers le ciel un interféromètre, différents auteurs ont mesuré un rayonnement infrarouge dans un domaine spectral assez limité et avec une faible résolution. On ne sait à quelle(s) altitude(s) il a été émis mais il semble qu’il soit essentiellement dû à la fluorescence rotationnelle et vibrationnelle de la vapeur d’eau en accord avec le paragraphe 4.3 de ma note et avec les références citées.

          1. Il y a un lien vers le PDF complet dans la page que je référence. Voici le lien direct vers le PDF mais je ne suis jamais sûr que cela fonctionne correctement: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/97JD02433

            Ils comparent des observations faites en Antarctique (pour diminuer le bruit généré par la vapeur d’eau) avec un calcul théorique du rayonnement attendu. Ils incluent dans ce calcul un rayonnement pour le CO2 et ils observent effectivement un rayonnement dans la bande 14-16µm.

          2. Merci pour la nouvelle référence à un article que j’ai maintenant pu consulter. Un autre intervenant m’avait communiqué précédemment une référence plus récente qui n’est pas en contradiction avec la votre mais donne un spectre plus complet car obtenu dans d’autres conditions : https://www.ssec.wisc.edu/aeri/ (AERI = Atmospheric Emitted Radiance Interferometer). Diverses publications font état d’une « downwelling radiation » ou « downward long wave radiation » détectée au niveau du sol par certains appareils pointés vers le ciel mais la nature et l’origine des spectres enregistrés sont encore mal comprises. Il est surprenant, en effet, qu’une émission provenant de couches supérieures de la troposphère parvienne au niveau du sol sans être absorbée par le CO2 ou la vapeur d’eau (absente dans votre référence) des couches inférieures dont l’absorption est saturée sur quelques dizaines de mètres. Il semble, dès lors, que le phénomène observé ne justifie en rien un effet de serre radiatif.

  7. Merci et félicitations pour cet article très complet et très précis Professeur. C’est la première fois que le problème de l’évacuation des 240 W m-2 par rayonnement IR est abordé et expliqué.
    Dans des commentaires à propos d’un autre article, vous disiez qu’il était difficile de mettre en place un protocole d’expérimentation pour prouver quelque chose qui n’existait pas, à savoir l’effet de à caractère radiatif. Dans ce cas ci, serait il possible de simuler et de quantifier en laboratoire l’émission de rayonnement IR lors du passage d’états metastables de l’ H2O en états stables?

    1. Merci pour votre commentaire qui met l’accent sur le problème fondamental posé par le bilan énergétique du système Terre-atmosphère : par quel mécanisme 240 W/m2 peuvent ils être évacués vers l’espace sous forme de rayonnement. L’opinion généralement admise est que dans chaque couche atmosphérique les « GES » absorbent le rayonnement thermique de la Terre ou du Soleil en fonction de leur concentration locale et de leurs coefficients d’absorption spécifiques (loi de Beer-Lambert). Ils le réémettraient ensuite sous forme de fluorescence avec une intensité fonction de la température (qui dépend de l’altitude d’émission) à la puissance quatre (relation de Stefan-Boltzmann). Ce mécanisme n’est pas compatible avec les principes de physique rappelés dans l’introduction de ma note. Il ne tient pas compte notamment du mécanisme prépondérant de désactivation par collisions des états excités de vibration-rotation dans la troposphère, ni du fait que les rendements quantiques de fluorescence ne varient pas en T^4. Le mécanisme que je propose est en accord avec des observations déjà faites lors de la condensation de vapeur d’eau sursaturée (références citées) mais il devrait être confirmé par des expériences plus systématiques, comme ce devrait être le cas pour toute hypothèse nouvelle.

  8. J’ai lu votre article avec intérêt et plusieurs fois pour bien m’imprégner de la base du réchauffement climatique. Toutefois en tant que thermicien j’entrevois une autre porte basée sur le bilan thermodynamique de la Terre. Comme tout le monde le sait l’empreinte de l’homme est certain mais on oublie que la vapeur d’eau contenue dans atmosphère est le fruit de l’évaporation de l’eau liquide soit naturellement lors des échanges dus aux rayonnements solaires (effet de serre naturel) auquel il faut rajouter l’évaporation due aux activités humaines (c’est un des résidus de combustion de tous genres) mai c’est aussi l’empreinte due au déversement des calories de ce qu’on appelle les cycles thermiques de toutes nos centrales à travers le monde (conventionnelles et nucléaires) lesquelles rejettent entre 45% et 75% sous forme de cette « chaleur » dont il n’est pas possible de se défaire. L’énergie thermique est très perverse car elle chauffe l’atmosphère sous forme d’un couvercle façon « cocotte-minute » les milliards de tonnes d’eau dans l’atmosphère non négligeable en quantité soit environ 1,5% de la masse totale de l’atmosphère contre environ 0,05% pour le CO2. De plus cette vapeur d’eau a une capacité thermique massique de 2010 J/kg°K contre 650 pour le CO2 soit en arrondi un réservoir thermique 100 fois plus important que le fameux CO2 ……je ne vous dis pas comment se débarrasser d’autant de calories car je ne sais pas refroidir l’atmosphère de manière simple. Tous les combustibles actuels et même le nucléaire conduisent à notre perte…avez-vous une solution miracle?

    1. La vapeur d’eau est le principal gaz non permanent (susceptible d’un changement d’état) dans l’atmosphère terrestre. On estime sa teneur à 12. 10^15 kg mais elle ne représente que 0,001 % de l’eau disponible sur Terre. Elle provient essentiellement de l’évaporation de l’eau des océans, lacs et cours d’eau et de la sublimation de la neige et de la glace. La contribution des activités humaines à la production de vapeur d’eau est négligeable. La vapeur d’eau atmosphérique ne peut en aucune manière réchauffer la surface terrestre. Au contraire, en se formant par évaporation de l’eau superficielle elle contribue à son refroidissement. Cependant, en se condensant elle peut réchauffer l’atmosphère et, à une altitude donnée, la température de l’air humide est toujours supérieure à celle de l’air sec. La présence de vapeur d’eau dans l’atmosphère contribue au bilan énergétique de la Terre en permettant l’évacuation vers l’espace de l’énergie reçue du Soleil. Comme expliqué au paragraphe 4.3 de ma note 9 % de l’énergie évacuée sous forme de rayonnement proviennent directement de la surface terrestre et 91 % de l’émission de fluorescence associée à la condensation au sommet de la troposphère de la vapeur d’eau sursaturée.

  9. Bonjour Professeur,

    Une explication de l’effet de serre, selon le CNRS, est disponible ici:
    http://documents.irevues.inist.fr/handle/2042/39839

    Les auteurs sont d’accord sur l’effet de saturation du CO2 mais au paragraphe « La notion d’altitude d’émission » explique que , je cite :
    « Le mécanisme est le suivant: dans ces domaines de longueur d’onde, le rayonne-ment émis par la surface de la Terre est totalement absorbé par les basses couches de l’atmosphère. Celles-ci émettent leur propre rayonnement dans toutes les directions vers la surface et vers l’espace et ainsi de suite de proche en proche, en montant en altitude ».

    Si je comprend bien vos explications, ce rayonnement propre n’aurait jamais été mis en évidence expérimentalement et ne serait pas compatible de la physique.

    Cordialement
    V. Derome

    1. Vous avez parfaitement compris que mon explication n’est pas conforme au modèle du CNRS que vous citez. A toutes les altitudes dans la troposphère les molécules (CO2, H2O ou autres) ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre ou du Soleil se désactivent par collisions (plusieurs milliards par seconde) avec les molécules environnantes (principalement N2 et O2) sans émettre un rayonnement de fluorescence qui n’a été mis en évidence, dans le cas du CO2, qu’à des altitudes de 90-100 km lorsque la fréquence des chocs intermoléculaires est réduite à environ 1000/s (voir : http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique/ et références citées). A cette altitude il n’y a évidemment plus trace de vapeur d’eau.

  10. Merci pour votre réponse.
    Etes vous le seul professeur d’université (actif ou émérite) à signaler cette erreur de modélisation des climatologues ?
    Pouvez-vous citer d’autres publications partageant votre analyse ?
    Cordialement,
    V. Derome

    1. Certainement pas ! Il existe une multitude d’auteurs qui rejettent l’hypothèse de l’effet de serre radiatif servant de base à la théorie du réchauffement (devenu changement puis dérèglement) climatique d’origine anthropique. Il est impossible de vous faire une liste même exemplative mais vous pouvez consulter le site : http://www.wikiberal.org/wiki/Liste_de_scientifiques_sceptiques_sur_le_réchauffement_climatique. Je ne citerai que le professeur François Gervais de l’université de Tours qui écrit notamment dans International Journal of Modern Physics B Vol. 28, No. 13 (2014) 1450095 (20 pages) : « CO2 molecules can exchange heat with neighbouring air molecules 1.3 10^10 times per second by collision processes ».

      François Gervais a aussi écrit plusieurs livres de vulgarisation sur le climat tels que « Merci au CO2 » et « L’innocence du carbone ». En me limitant à la langue française, je vous recommande également les livres de Christian Gerondeau dont notamment « Le CO2 est bon pour la planète ». Ces ouvrages sont disponibles en livres de poche.

  11. Bonjour Professeur,

    Je pensais plutôt à des sources décrivant l’impossibilité de la fluorescence du CO2 dans les basses couches de l’atmosphère à la suite des collisions trop nombreuses entre les molécules.

    A part dans vos papiers, je ne trouve que des auteurs qui affirment qu’elle a lieu.

    Bien à vous,
    V. Derome

    1. Je ne reviendrai pas sur les réponses déjà fournies à vos précédents commentaires. Je rappellerai seulement que certains scientifiques admettent l’hypothèse de l’effet de serre radiatif alors que beaucoup d’autres, dont moi, la rejettent. Dans tout débat scientifique l’important n’est PAS de connaître le nombre de partisans et d’adversaires d’une hypothèse mais de juger de la pertinence des arguments présentés par les uns et les autres et de la concordance avec les faits expérimentaux. Comme vous le savez la notion de consensus n’a aucune signification dans le domaine scientifique J’ai exposé mes arguments le plus clairement possible dans plusieurs notes publiées sur le site SCE. Si mes explications ne vous ont pas convaincu je le regrette mais je n’ai rien à ajouter pour le moment.

      1. Bonjour Professeur,
        Je suis d’accord qu’un consensus ne vaut pas science. Je préfère les expériences reproductibles par tous et à tout moment pour valider une théorie.
        C’est bien pourquoi je m’intéresse à votre explication sur l’impossibilité de la fluorescence du C02 dans les basses couches de l’atmosphère suite à, si j’ai bien compris, une constante de temps pour le passage de l’état « vibration » (V*) à celui d’émission d’une onde v + Lambda, supérieure au temps nécessaire pour une diffusion de l’énergie par collision.
        C’est sur ce point que je cherchais plus de références documentaires.
        Pour vos remarques sur l’absence de mesure sur le « downwelling », de gros moyens sont mis en place pour tenter de les réaliser : voir ici §3.2.3:
        https://www.arm.gov/publications/programdocs/doe-sc-arm-20-010.pdf
        Il ne reste donc qu’à attendre les résultats. Si votre explication est la bonne, ils ne devraient pas trouver grand chose.
        Bien à vous,
        V.Derome

        1. Merci pour la référence que je vais consulter avec intérêt. La nature et l’origine d’une « downwelling radiation » détectée par certains appareils au niveau du sol sont encore mal comprises mais le phénomène observé ne justifie en rien l’existence d’un effet de serre radiatif. Votre difficulté à admettre que des états excités puissent se désactiver par collisions plutôt que par émission d’un rayonnement de fluorescence témoigne peut-être d’un manque d’information concernant la spectroscopie d’émission en général. A ce sujet, je vous invite à consulter sur Internet à la rubrique fluorescence « collisional quenching » ou « désactivation par collisions ». Pour résumer le problème j’écris notamment dans ma note http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique :
          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 mécanismes de désactivation par collisions et par rayonnement. 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.

  12. Bonjour et merci. Mes questions : ch.1.1 : Si on raisonne en termes de photons, une fois qu’un photon a été émis par fluorescence, il est indiscernable d’un photon émis par rayonnement thermique de même longueur d’onde et pourra donc toujours être absorbé par un corps qu’il soit froid ou chaud (en concentrant des faisceaux lasers sur une cible on peut atteindre des millions de degrés). L’énergie interne de l’émetteur sera abaissée, mais pas son énergie thermique. En même temps les lois de la thermodynamique qui s’appliquent à un système global isolé doivent être respectées… .
    Dans la suite du texte, vous expliquez (fin ch. 2.4) comment un photon infrarouge émis par le sol peut être capté pour exciter une molécule d’eau ou de CO2, qui par collision avec une molécule d’oxygène ou d’azote se désexcite en lui communicant de l’énergie cinétique. Ces considérations ne prouvent-elles pas l’existence possible d’un effet de serre (même s’il est faible) puisque l’énergie du rayonnement émis par la surface peut ainsi réchauffer l’atmosphère à très basse altitude.
    (ch. 3), ce qui nous intéresse, c’est comment le climat à la surface de la terre, et sa température de surface moyenne : Ts, dépend de son atmosphère. En présence de gaz à effet de serre (GES), l’évacuation partielle de l’énergie provenant du soleil, par rayonnement de la surface terrestre, s’effectue en partie directement (fenêtre optique : 7%), et pour le reste (14 %), en parallèle, par l’intermédiaire de l’atmosphère à une certaine altitude. Ces 14 % émis par la surface de la terre ayant une certaine difficulté pour s’échapper (vos explications ch. 2.4), l’atmosphère près de la surface peut se réchauffer me semble-t-il ?
    D’autre part, le gradient vertical de 6,5°C/km peut influencer indirectement Ts, une partie du rayonnement Infrarouge envoyé dans l’espace s’effectuant en altitude et non à partir du sol. Cet effet ne dépend pas du CO2. C’est ainsi que je peux comprendre l’effet de serre comme étant un effet direct et indirect des GES et de l’atmosphère sur Ts. C’est l’amplitude de cet effet qui est peut-être surestimé. Je pense que le rôle de l’eau que vous soulignez, sous toutes ses formes est primordial pour expliquer le climat de la terre, mais que l’on se focalise uniquement sur le CO2 … . Grossièrement, le climat changerait beaucoup si l’épaisseur de l’atmosphère était modifiée, mais aussi si l’eau disparaissait, très peu en rajoutant du CO2.
    Pour la figure 9 : quelle est l’origine des courbes en traits interrompus ? (relation, auteur ?).

    1. Merci pour votre long commentaire auquel je vais répondre point par point.

      1° Des photons de longueur d’onde déterminée sont évidemment indiscernables quelle que soit l’origine de leur émission : rayonnement thermique ou rayonnement de fluorescence mais leur éventuelle absorption dépendra des substances soumises au rayonnement. Si on considère la Terre comme un corps noir (ou gris) à l’équilibre thermique (hypothèse de base du bilan énergétique de la Terre) il ne peut y avoir d’absorption nette d’énergie dans le domaine des longueurs d’onde émises, notamment à 15 µm : ce qui est absorbé est réémis (loi de Kirschhoff : émissivité = absorptivité). Par contre, si à la surface terrestre certaines substances ont des niveaux quantifiés séparés par l’énergie correspondant à la longueur d’onde 15 µm, le rayonnement pourra être absorbé. Dans une note précédente : http://www.science-climat-energie.be/2018/08/06/le-co2-et-le-climat-avec-et-sans-effet-de-serre/ je rappelle que l’eau des océans (qui occupent 71 % de la surface terrestre) présente une large bande d’absorption centrée à 14,8 µm. Connaissant le coefficient d’absorption de cette bande on peut calculer que l’absorption d’un rayonnement de longueur d’onde 15 µm serait pratiquement totale sur une épaisseur de 15 microns et ne pourrait conduire qu’à une élévation de température insignifiante. Pour éviter tout malentendu il faut bien préciser que le rayonnement de 15 µm, envisagé ici à titre d’exemple, ne pourrait PAS provenir de la désactivation radiative des molécules CO2 excitées à l’état de vibration puisque dans la troposphère elles se désactivent par collisions avec les molécules environnantes principalement N2 et O2. L’effet de serre de serre radiatif, qu’il soit direct ou indirect comme vous l’écrivez, n’existe PAS.

      2° Ceci dit et rappelé dans la note à laquelle vous vous référez, les molécules de CO2 et H2O ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre en se désactivent par collisions jouent le rôle de convertisseur du rayonnement absorbé en énergie de translation et de vibration des molécules environnantes et donc à une élévation de température des basses couches atmosphériques (quelques dizaines de mètres). Cela ne peut évidemment PAS être assimilé à un effet de serre radiatif et il ne peut PAS y avoir de transfert de chaleur de ces basses couches atmosphériques à la surface terrestre car ce serait contraire au second principe de la thermodynamique. Il faut noter aussi que l’effet du CO2 serait très faible car il ne pourrait absorber plus de 10 % du rayonnement thermique de la Terre, quelle que soit son abondance (paragraphe 2.2 de la note).

      3° Par contre, l’influence de la vapeur d’eau sur la température de la troposphère est plus importante puisque le gradient thermique de 6,5 K/km (au lieu de 9,75 K/km) fait qu’à une altitude donnée la température de l’air humide est toujours supérieure à celle d’une atmosphère sèche. Cela est dû essentiellement à la condensation progressive de la vapeur provenant de l’évaporation de l’eau des océans avec libération en altitude de la chaleur de condensation et PAS au phénomène évoqué ci-dessus à propos du CO2.

      4° Les courbes en traits discontinus de la fig.9 se trouvent sur la figure originale que je n’ai fait que reproduire (référence citée). Elles correspondent au rayonnement d’un corps noir aux températures mentionnées et traduisent une tentative de faire correspondre chaque partie du spectre expérimental à une courbe d’émission « théorique » si elle provenait d’un corps noir. Ces courbes en traits discontinus ne sont que des hypothèses sans signification physique.

      5° Vous avez raison de conclure que « le rôle de l’eau, sous toutes ses formes, est primordial pour expliquer le climat de la Terre, alors que l’on se focalise uniquement sur le CO2 … . Grossièrement, le climat changerait beaucoup si l’épaisseur de l’atmosphère était modifiée, mais aussi si l’eau disparaissait, très peu en rajoutant du CO2 ».

  13. Je vous remercie vivement pour votre travail et pour votre réponse détaillée. Je suis physicien, ex enseignant-chercheur dans une école d’ingénieurs à la retraite. J’essaye de comprendre depuis quelques années ce qu’on appelle effet de serre. Le sujet fait appel à un ensemble de notions classiques de physique, mais est extrêmement complexe. Malheureusement, je n’ai trouvé aucun livre pédagogique faisant une mise au point complète satisfaisante. L’ensemble de vos publications est donc pour moi d’un grand intérêt. Je suis surpris de constater que le dérèglement climatique est maintenant au programme des sciences pour le bac et en premier cycle universitaire, et étonné du manque de rigueur dans les extraits de cours, les exercices, les expériences et les logiciels sur le sujet, publiés sur internet (parfois commercialisés). Bon courage aux enseignants ?
    Pour le paragraphe 2° de votre réponse, je reste indécis. Je constate que vous acceptez l’idée d’un réchauffement possible de la très basse atmosphère par l’énergie d’une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface. Ceci ne peut se produire qu’en présence de molécules CO2 et H2O. Le convertisseur (mot que vous employez), transforme en permanence le rayonnement terrestre en chaleur. Le rayonnement se propage à 300 000 km/s et n’interagit qu’avec quelques molécules alors que la chaleur se transmet à quelques m/s mais touche l’ensemble de l’atmosphère. Cette chaleur transmise par convection et par les vents réchauffe l’ensemble de l’atmosphère affectant peut-être le climat. Je crois aussi qu’elle peut réchauffer la surface comme j’ai pu le constater simplement quand le vent chaud du Sud souffle.
    Nous ne faisons qu’effleurer le sujet inépuisable, car tout change, en fonction de l’heure, du jour, de la saison et du lieu …. Bon courage et bonne continuation.

    1. Ce que les médias qualifient maintenant, par glissements sémantiques successifs, de dérèglement climatique est devenu un problème politique aux implications économiques gigantesques et aux conséquences sociales dramatiques. Dès le moment où, en 1988, l’Organisation Météorologique Mondiale et l’Organisation des Nations Unies ont patronné la création du IPCC/GIEC la volonté de bouleverser et de régir le fonctionnement de notre société était sous-jacente. Beaucoup de scientifiques ne s’en sont pas souciés tant l’hypothèse de base, l’effet de serre, était contraire aux principes de la physique mais d’autres y ont vu une source de financement et continuent à en profiter, étouffant tout débat. Il est affligeant qu’une notion aussi vague que le dérèglement climatique soit maintenant présentée aux étudiants sans appel à leur esprit critique et même aux écoliers dont on dit que beaucoup sont désormais démotivés car sans espoir dans un monde qui évolue vers la catastrophe. Je connais plusieurs enseignants universitaires et aussi des mandataires politiques qui n’osent pas exprimer leur opinion au sujet du climat par crainte de sanctions académiques ou électorales. Même dans ces conditions restons positifs et invitons, chacun dans sa modeste sphère d’influence, à faire preuve de plus d’esprit critique.

      Un petit mot à propos du « vent chaud » auquel vous faites allusion. C’est la Terre qui, ayant absorbé le rayonnement solaire, réchauffe l’atmosphère et PAS l’inverse car, au niveau du sol, la convection est toujours ascendante. Comme le montre la fig.7 de ma note l’ensoleillement est loin d’être uniforme mais le déséquilibre est partiellement compensé (fig. 8bis) par les transferts de chaleur dus aux courants marins et aériens (= vents chauds).

      Merci pour vos encouragements.

      1. Bonjour Professeur,
        Votre hypothèse d’émission radiative dans les bandes de 4 à 100 µm devrait pouvoir être comparée avec les résultats des capteurs CERES dont un (TOT) est sensible dans la bande 0,3 à 200 µm. Voir ici :
        https://ceres.larc.nasa.gov/instruments/
        Les premiers résultats du bilan radiatif de la terre sont disponibles en bas de page.
        https://ceres.larc.nasa.gov/science/
        Mais la mesure est un art difficile et les scientifiques demandent encore du temps pour les affiner. La marge d’erreur est encore importante.
        Bien à vous,
        V.Derome

        1. Merci pour les références. La première décrit les appareils utilisés par la NASA, la seconde présente un certain nombre de résultats parfaitement compatibles avec ma note mais PAS leur interprétation.

          On peut lire notamment, en accord avec ma fig. 8, « About one-third of the incoming solar radiation is reflected by clouds, aerosols, molecules and the surface, half is absorbed at the surface and the remainder is absorbed by the atmosphere. Earth cools by emitting thermal infrared radiation to space, which nearly balances the energy absorbed from the sun”. Et aussi, en accord avec ma fig. 8bis « Regional imbalances in radiation give rise to atmospheric and oceanic circulations, which transport heat around the globe”

          Par contre, mon interprétation des résultats est totalement différente de celle qui est traditionnelle pour la NASA selon laquelle : « At the surface, temperatures would be 33oC cooler without greenhouse gases like water vapor and CO2, and clouds. These absorb surface infrared radiation and re-emit most of it back to the surface … Climate models are often used to project how a future climate might look under different greenhouse gas emission … If the models substantially differ from the observations, this provides model developers with vital information about what aspects of the model needs to be improved “.

          Cette dernière remarque est loin d’être respectée par les adeptes de la modélisation comme l’illustre la fig. 3 de la note http://www.science-climat-energie.be/2018/04/10/forcage-radiatif-sensibilite-climatique-et-retroactions-positives/.

          Contrairement à votre espérance, on ne trouve dans les références citées aucune information nouvelle concernant le spectre du rayonnement détecté par satellites. Les spectres obtenus par les satellites NIMBUS 3 et 4 en 1970-72 (fig. 9 de ma note) restent les seules données disponibles.

          1. Bonjour Professeur,

            En effet les capteurs de NIMBUS 3-4 ne dépassaient pas 35 µm (source)
            https://rda.ucar.edu/datasets/ds685.0/docs/nimbus-info

            Le capteur TOT de CERES couvre la bande 0,3 – 200 µm (source figure 1)
            https://www.mdpi.com/2072-4292/8/3/182/htm#sec3dot3-remotesensing-08-00182

            Il devrait donc être possible de confronter des données à votre hypothèse suivante.

            « Cette hypothèse nous permet de considérer la fig. 9 comme la superposition du rayonnement thermique de la Terre transmis directement à travers la fenêtre optique de 8 à 13 µm et d’un large spectre de fluorescence vibrationnelle et rotationnelle des molécules H2O qui pourrait s’étendre de 4 µm à plus de 100 µm (fig. 6) et donc bien au-delà des 25 µm qui constituent la limite de la fig.9. Cela explique pourquoi les 240 W m-2 mesurés par satellites ERBE n’apparaissent que très partiellement sur la fig. 9. «

            Selon vous, ce n’est pas le cas. Où est mon erreur ?
            Bien à vous,
            V.Derome

          2. Pas plus que dans votre précédent commentaire on ne trouve d’information nouvelle concernant le spectre du rayonnement détecté par satellites dans les références que vous citez. Je maintiens donc que les spectres obtenus par les satellites NIMBUS 3 et 4 en 1970-72 (fig. 9 de ma note) restent les seules données disponibles. Par ailleurs, l’interprétation de ces spectres dus essentiellement à la vapeur d’eau n’est pas contestée mais seulement le mécanisme conduisant à leur émission. Dans votre commentaire vous rappelez mon hypothèse à ce sujet.

    2. Monsieur Borelli,
      Je suis également professeur retraité et je me fais les mêmes réflexions que vous sur le réchauffement des basses couches de l’atmosphère.
      Je crois qu’il y a confusion entre cette notion d’effet de serre et température de l’air. Il faut voir de quoi on parle.
      Je pense comme vous que le CO2 et le H2O convertissent l’énergie radiative de la terre en chaleur dans l’atmosphère mais ce n’est pas comme le dit si brillamment le professeur Geuskens un effet de serre par « back radiation » influençant la température de la terre (du sol).
      Le sol est le convertisseur de l’énergie solaire en énergie infra-rouge. Le CO2 et l’H2O transforment l’énergie infrarouge en énergie thermique (réchauffage de l’air).
      En thermodynamique il est évident que l’air chaud (O2 et N2) n’émettent pas dans l’infrarouge.
      Bien à vous.

      1. Apparemment vous m’avez mal compris : j’ai toujours nié l’existence d’une « back radiation » qui correspondrait à un effet de serre radiatif. Je vous suggère de relire ma note citée en référence dans laquelle j’écris comme vous que « le CO2 et le H2O convertissent l’énergie radiative de la terre en chaleur dans l’atmosphère » pour reprendre textuellement votre expression.

        1. Cher professeur,
          Je vous ai parfaitement compris mais devrais faire plus attention à ma ponctuation pour améliorer ma lisibilité. J’ai bien écrit « mais ce n’est PAS (comme le dit si brillamment le professeur Geuskens) un effet par « back radiation »….
          Veuillez m’en excuser.
          Je profite de la présente pour vous demander quelle différence vous faites entre un rayonnement thermique et un rayonnement par fluorescence. Je comprends bien qu’à l’émission le processus est différent mais, une fois émis, le rayonnement est le même (ou je me trompe ?). Ce qui fait, comme le dit Stéphane, qu’un corps froid pourrait envoyer son énergie radiative vers un corps plus chaud ?

          1. Merci pour votre mise au point qui me rassure. J’étais désolé d’avoir été aussi mal compris.

            Comme je le précisais en réponse à un précédent intervenant, des photons d’une longueur d’onde déterminée sont indiscernables quelle que soit l’origine de leur émission : rayonnement thermique ou rayonnement de fluorescence. Cependant, ces deux types de rayonnement ont des origines et des spectres totalement différents : continu dans le premier cas et constitué de raies ou de bandes dans le second (voir paragraphe 1 de ma note). La fig. 2 illustre l’absorption partielle du rayonnement thermique du Soleil par différents constituants atmosphériques à des températures inférieures à celle de l’émetteur. Comme je le faisais remarquer précédemment, le rayonnement thermique émis par les murs d’une pièce froide ne pourront PAS vous réchauffer ; c’est l’inverse qui se produira. Par contre, certaines raies d’un rayonnement de fluorescence pourront être absorbées par une substance, quelle que soit sa température, dont certains niveaux énergétiques quantifiés sont séparés par une énergie correspondant à celle du rayonnement incident. Le second principe de la thermodynamique concerne le transfert de chaleur (agitation moléculaire) mais un rayonnement n’est PAS de la chaleur !

  14. Cher Professeur,
    Merci pour cette étude du bilan énergétique de la terre et de cette démonstration en règle du caractère erroné de la théorie du réchauffement climatique.
    Le caractère scientifique de votre étude ne la rend hélas pas facilement compréhensible ni communicable dans les principaux médias.
    Comment en faire une communication grand public qui entraînerait l’adhésion du plus grand nombre ?
    Tel est l’enjeu !

    1. Il existe d’excellents livres de vulgarisation sur le climat dont ceux de François Gervais qui a écrit « Merci au CO2 » et « L’innocence du carbone ». En me limitant à la langue française, je vous recommande également les livres de Christian Gerondeau et notamment « Le CO2 est bon pour la planète ». Ces ouvrages sont disponibles en livres de poche.

      1. J’ai déjà lu avec beaucoup d’intérêt les livres de François Gervais mais vous êtes le premier, à ma connaissance, à faire une démonstration aussi précise des phénomènes en jeu dans la basse atmosphère.

        Une démonstration que les réchauffistes auraient bien du mal à réfuter. Stéphane a d’ailleurs fait une tentative infructueuse.

        Francois Gervais comme d’autres ont malheureusement été déstabilisés par une opposition réchauffiste virulente.

        Vous conviendrez que votre lectorat reste limité à des gens particulièrement intéressés par la question climatique et qu’il serait bon de renverser l’opinion publique sur la question climatique.

        Je me demande donc comment faire passer VOTRE démonstration au plus grand nombre pour qu’elle atteigne finalement les décideurs politiques.
        Ne serait-il pas bon que vous participiez à un débat sur la question climatique avec quelques vedettes réchauffistes comme Jouzel par exemple ?

        Avec toute ma gratitude pour votre travail de communication.
        D.Denonne

        1. Ce que les médias qualifient maintenant de dérèglement climatique est devenu un problème politique. Au début, beaucoup de scientifiques ne s’en sont pas souciés tant l’hypothèse de base, l’effet de serre, était contraire aux principes de la physique mais d’autres y ont vu une source de financement et continuent à en profiter, étouffant désormais tout débat. Beaucoup d’enseignants universitaires et aussi des mandataires politiques n’osent plus exprimer leur opinion au sujet du climat par crainte de sanctions académiques ou électorales. Cependant il reste à chacun d’entre nous, dans sa modeste sphère d’influence, la possibilité d’inviter ses amis et connaissances à faire preuve de plus d’esprit critique.

  15. Cher Professeur,
    Vous le savez sans doute un collectif nommé « Affaire climat » – Klimaatzaak » a lancé un procès contre les gouvernements des trois régions et contre le fédéral. (Même ambition qu’aux Pays-Bas et en France : faire condamner le gouvernement pour carence dans la lutte contre le réchauffement climatique.
    La procédure avance à grand pas au point qu’un compte à rebours est affiché sur leur site. L’affaire sera en effet plaidée du 16 au 26 mars prochain.
    Les avocats dans leurs conclusions font largement référence au GIEC :
    https://affaireclimat.cdn.prismic.io/affaireclimat/95dd60da-492e-40a5-8cec-aa9f4734add9_20191216+Conclusions+de+synthe%CC%80se++(1).PDF
    Je me demandais si « Science climat et énergie » ne devrait pas se rapprocher des avocats qui défende le gouvernement pour leur apporter son expertise.
    Qu’en pensez-vous ?
    Avec mes respectueuses salutations.

    1. Si un quelconque collectif intente un procès contre le gouvernement pour carence dans la lutte contre le réchauffement climatique aucune des parties ne mettra en doute le dogme climatique propagé par le GIEC/IPCC et aucune expertise scientifique ne sera requise.

      1. Mais n’est-ce pas justement l’occasion de remettre en doute ce dogme, par exemple en orientant les arguments de la défense sur ce prétendu effet de serre ?
        Je tenterais bien d’écrire à l’un des avocats de la défense en lui donnant la référence de climat-science- énergie.
        Y verriez-vous une objection ?
        Bien à vous.

        1. Vous êtes évidemment libre d’écrire à titre personnel ce qui vous semble utile à qui vous voulez mais je doute de l’efficacité d’une telle démarche dans les circonstances que vous évoquez.

    1. Rassurez-vous : j’ai bien compris l’hypothèse qui sert de base aux théories alarmistes du GIEC/IPCC. Je la rappelle dans ma note et j’explique qu’un tel effet de serre ne peut exister car incompatible avec les principes de base de la spectroscopie d’absorption et d’émission.

      Par ailleurs, j’estime beaucoup le professeur Lindzen auquel vous vous référez. J’ai eu l’occasion de le rencontrer et de discuter avec lui. Il ne conteste pas mes arguments réfutant l’existence d’un effet de serre. Cependant, l’objectif de ses travaux étant de montrer que, si un tel effet existait, son influence sur le climat serait négligeable, il reprend sur la fig.2 de la référence que vous citez une conventionnelle « oversimplified depiction » du phénomène.

      Pour reprendre vos termes, j’ai bien peur que vous n’ayez pas bien compris sa conclusion :

      “We have shown in a simple, but reasonably rigorous manner, that the record of the Vostok ice core offers no support to the notion that CO2 is a driving mechanism for past climate.…. We next show that the defense of the attribution of recent warming to man involves an observed warming that is smaller than expected, and where the attribution, itself, is not based on scientific arguments”.

      Si, comme moi, vous appréciez le professeur Lindzen je vous invite à regarder la vidéo qu’il présente sur le thème « Climate Change : What Do Scientists Say ? » (page d’accueil de notre site, cliquez sur la référence tout au bas de la colonne de droite)

      1. À Pr. Geuskens,

        Je suis dubitative… Vous dites « Il ne conteste pas mes arguments réfutant l’existence d’un effet de serre ».

        Or, d’après le New York Times, « Dr. Lindzen accepts the elementary tenets of climate science. He agrees that carbon dioxide is a greenhouse gas, calling people who dispute that point “nutty.” He agrees that the level of it is rising because of human activity and that this should warm the climate ».

        Pourquoi Lindzen ne contesterait pas vos arguments réfutant l’existence d’un effet de serre si lui-même traite les sceptiques de l’effet de serre de « dingues » ?

        https://www.nytimes.com/2012/05/01/science/earth/clouds-effect-on-climate-change-is-last-bastion-for-dissenters.html

        1. Vos commentaires n’apportent rien au débat scientifique mais visent à mettre en évidence une éventuelle divergence de vue entre le professeur Lindzen et moi. Le professeur Lindzen est un scientifique renommé avec qui j’ai eu l’occasion de discuter. Nos domaines d’expertise sont différents et, de ce fait, nos points de vue sur le rôle du CO2 ne sont pas identiques mais nos conclusions sont semblables puisque le professeur Lindzen, que vous aimez citer, écrit notamment :

          “We have shown in a simple, but reasonably rigorous manner, that the record of the Vostok ice core offers no support to the notion that CO2 is a driving mechanism for past climate.…. We next show that the defense of the attribution of recent warming to man involves an observed warming that is smaller than expected, and where the attribution, itself, is not based on scientific arguments”.

          Si, comme moi, vous appréciez le professeur Lindzen je vous invite à regarder la vidéo qu’il présente sur le thème « Climate Change : What Do Scientists Say ? » (page d’accueil de notre site, cliquez sur la référence tout au bas de la colonne de droite)

          1. Je n’ai jamais prétendu apporter par mes commentaires quelque chose au débat scientifique.

            Lindzen, selon vous, ne conteste pas vos arguments réfutant l’existence d’un effet de serre (vous l’illustrer par sa citation entre guillemets), mais selon la citation de New York Times, Lindzen est catégorique en affirmant que l’effet de serre existe, en vous traitant même indirectement de « dingue ». Je ne comprends donc pas pourquoi cette divergence dans l’opinion du même Lindzen selon deux sources différentes (la vôtre et New York Times). J’espérais que vous puissiez me donner une explication.

          2. Je suppose que, suivant mon conseil, vous avez regardé la vidéo présentée par le professeur Lindzen sur le thème « Climate Change : What Do Scientists Say ? » (page d’accueil de notre site, référence tout au bas de la colonne de droite). Pour conclure un échange de commentaires à son sujet vous devez comprendre que :

            1° Le professeur Lindzen ne s’exprime PAS dans les mêmes termes lorsqu’il s’adresse
            – oralement à un collègue dans un entretien privé
            – oralement à un public varié lors d’une conférence publique
            – par écrit à des collègues dans une revue spécialisée
            – par écrit dans un quotidien de grande diffusion avec l’espoir que des décideurs politiques en prendront connaissance.
            Ce n’est PAS par duplicité mais par souci d’efficacité en fonction du résultat attendu car :

            2° Le réchauffement climatique évoqué par le GIEC/IPCC, lors de sa création sous l’égide d’organisations internationales soucieuses de réglementer notre société, est devenu changement climatique, grâce à l’introduction dans des programmes informatiques de rétroactions positives ou négatives (voir à ce sujet http://www.science-climat-energie.be/2018/04/10/forcage-radiatif-sensibilite-climatique-et-retroactions-positives/) puis dérèglement climatique et finalement urgence climatique sous l’influence de groupes de pression industriels et politiques et avec l’aide des médias.

            3° Les problèmes liés au climat (dont personne ne nie qu’il a toujours changé et continuera à le faire) sont désormais devenus politiques et les projets de la plupart des gouvernements occidentaux (dont le Green Deal de l’Union Européenne) auront des conséquences économiques et sociales désastreuses que certains scientifiques et mandataires politiques courageux essayent d’éviter (voir à ce sujet https://clintel.org/world-climate-declaration/))

  16. Merci pour cet article très intéressant, Professeur.
    J’ai essayé de voir pourquoi cette explication n’a pas fait l’objet d’une publication dans une revue à comité de lecture (c’est peut-être mentionné dans un autre article ou dans un commentaire) mais je n’ai pas trouvé.
    Excusez-moi dès lors ma question : avez-vous essayé de publier un article ? Pensez-vous qu’il y aurait un refus ? Quels arguments scientifiques vous opposerait-on ?

    1. Merci pour votre commentaire. J’ai publié dans des revues scientifiques à comité de lecture de nombreux articles notamment sur la spectroscopie d’absorption et d’émission qui fut un de mes domaines de recherche pendant longtemps. Les revues scientifiques ne publient, en principe, que des articles présentant des résultats nouveaux. Elles s’adressent à des spécialistes qui ont une connaissance approfondie du domaine envisagé. Mes notes publiées sur le site http://www.science-climat-energie.be ne présentent aucun résultat nouveau. Elles se bornent à faire une analyse critique de données souvent spéculatives déjà publiées dans la littérature scientifique. Elles visent, en particulier, à montrer que la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique, aux conséquences économiques et sociales désastreuses, ne repose sur aucune hypothèse valable et que beaucoup d’aspects de la science du climat sont encore mal connus.

  17. Cher Professeur,
    Je viens de parcourir le papier de Kevin Trenberth: Earth’s Global Energy budget.
    Comme beaucoup de climatologues, il utilise la loi de Stefan Boltzman, ce qui donne une énergie émise par la terre qui est plus du double de ce que la terre recoit au sol.
    A partir de la, il élabore une théorie de ping pong ou de l’énergie se crée de nulle part. En toute logique, il devrait rejeter l’hypothèse de base et donc ne pas utiliser l’équation de Stefan Bolzman.
    Ces articles sont Peer Reviewed, comment peut on tomber si bas en science ?
    Ma question est polémique, vous n’etes pas obligé d’y apporter une réponse.

    En revanche, vous vous référez plusieurs fois au corps noir dans votre texte pour établir par exemple des fréquences, mais vous expliquez à juste titre que la loi de Stefan Bolzman n’est pas applicable. Il manque a mon avis une explication qui permette de lever l’ambiguité, probablement un ordre de grandeur qui justife la loi de SB en première approximation.
    Merci en tout cas pour vos explications, cela fait plaisir de voir des articles sérieux et tres bien articulés.

    1. Merci pour votre commentaire.

      Trenberth et beaucoup d’autres climatologues sont de bons spécialistes d’un domaine particulier mais ils ignorent parfois des notions élémentaires de physique qui, par la suite, sont négligées car elles ne s’opposent pas à la publication d’articles dans des domaines spécialisés où les auteurs sont jugés par leurs pairs.

      En toute rigueur la formule de Stefan-Boltzmann ne peut être utilisée que si le rayonnement thermique est le seul mécanisme d’échange énergétique. Elle ne peut donc s’appliquer à la Terre où la convection de l’air et l’évaporation de l’eau des océans contribuent de manière prépondérante au bilan énergétique. Si les satellites détectent au sommet de l’atmosphère l’émission sous forme de rayonnement de 240 W m-2 on ne peut en déduire, par application de la formule, que la surface terrestre devrait être à la température de 255 K (-18°C). De même, le fait que la température « globale moyenne » de la Terre soit 288 K (15°C) ne permet pas d’en déduire que le flux radiatif émis par la Terre devrait être 390 W m-2. Cependant, pour des corps à très haute température rayonnant dans le visible (filament d’une lampe par exemple) l’erreur commise en utilisant la formule de Stefan-Boltzmann ne sera pas très grande.

      Parler de corps noir à propos de la Terre est certainement un abus de langage. Il vaudrait mieux parler de corps gris. On qualifie de « gris » un corps dont l’émissivité est inférieure à celle d’un corps noir mais dont l’équilibre thermique est néanmoins maintenu. A une même température le flux radiatif émis par un corps gris sera moindre que celui émis par un corps noir. Les courbes de Planck seront semblables à celles de la fig. 1 de ma note mais les intensités émises seront plus faibles. En utilisant néanmoins l’équation de Planck pour calculer non pas l’énergie totale émise mais la fraction émise dans un certain domaine de longueur d’onde la valeur trouvée doit être correcte.

  18. Bien cher Collègue,
    Cela est peut-être un peu hors sujet. Je voudrais comprendre comment on mesure exactement le Pouvoir de Réchauffement global du CO2 si on est conforme à l’hypothèse du flux retour vers la terre des IR réémis par le CO2 en haut de la tropopause. Et surtout comment on attribue à tous les gaz à effet de serre un PRG sur la base de l’unité attribuée au CO2. Si le PRG du CO2 est faux , tout est faux.
    Merci,

    Hubert Dulieu

    1. Le CO2 et la vapeur d’eau ayant absorbé (sur une épaisseur atmosphérique d’une dizaine de mètres) une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par collisions (plusieurs milliards par seconde) avec les molécules environnantes (essentiellement N2 et O2). Le phénomène que vous appelez «flux retour vers la terre des IR réémis par le CO2 » connu plus généralement comme «effet de serre radiatif» n’existe PAS, ni « en haut de la tropopause » ni au niveau de la surface terrestre. Le « Pouvoir de Réchauffement global du CO2 » est FAUX et votre conclusion est parfaitement correcte !

  19. Professeur,

    Merci pour votre réponse.
    J’ai une question triviale, qui s’éloigne de la troposphère.
    L’expérience du Professeur Wood (1909) a été reproduite par le Professur Nasif S. Nahle en 2011. L’expérience montre que l’augmentation de température est due au bloquage de la convection, et non au bloquage de radiations. Pour réaliser cette expérience, l’air ambiant a été utilisé, air qui comprend donc de la vapeur d’eau et du CO2.
    Que se passerait-il si on remplacait l’air par du CO2 uniquement ?
    Si j’ai correctement compris, le CO2 devrait etre excité par les IR, et transformer cette énergie en énergie cinétique, et comme la convection est bloquée, la température devrait augmenter jusqu’a ce qu’un équilibre s’établisse. Est ce que l’augmentation de température serait plus importante que pour l’air, et pourrait juste s’expliquer par une différence de chaleur spécifique? Pour comparer, je prends l’hypothèse que l’air est brassé et a donc une température homogène dans la boite.

    Même question si on utilise de l’azote uniquement ?

    Il est difficile de trouver des explications valables sur internet, alors je me permets d’abuser de votre temps.
    Je vous remercie a l’avance de nous éclairer.

    1. Nasif Nahle reproduit en 2011 une expérience semblable à celle réalisée par Wood en 1909. Les conditions expérimentales sont décrites avec suffisamment de détails pour justifier sa conclusion mais pas plus : dans une enceinte fermée, exposée au Soleil à travers une fenêtre, la température s’élève de la même manière, que la fenêtre soit transparente ou non au rayonnement infrarouge. Cependant, il faut bien reconnaître que les conditions expérimentales sont assez frustes et ne permettent pas d’envisager sérieusement un résultat différent dans les conditions que vous imaginez.

      L’expérience est réalisée au Mexique à une température ambiante de 35° C. Quatre boîtes en carton de dimensions 30 x 30 x 20 cm sont utilisées. Chacune est recouverte d’une feuille d’aluminium réfléchissant sauf une fenêtre de 5 x 5 cm en différents matériaux. Les boîtes sont exposées au Soleil et la température s’élève de la même manière dans toutes les boîtes passant de 43° C au début de l’expérience à 70° C après une heure d’exposition. Conclusion : il n’y a pas trace d’un quelconque effet de serre radiatif !.

      Je crois qu’il n’y a pas lieu de se préoccuper des capacités calorifiques différentes des molécules biatomiques N2 et O2 ou triatomiques CO2 et H2O pas plus que de leurs proportions ou de l’importance relative de la convection et du rayonnement thermique des parois internes des boîtes. A la précision des expériences près on peut affirmer que le résultat serait le même. Par contre, imaginer une expérience scientifiquement valable pour répondre à vos questions est un tout autre problème.

  20. Merci pour cette réponse.

    Cette question est évidemment centrale puisque toute la théorie du réchauffement climatique repose entièrement sur cette hypothèse.

    A défaut de la publier dans une revue, avez-vous proposé votre article aux sites « climato-réalistes » (Climate Etc, WattsUpWithThat, …) pour recueillir et répondre aux éventuelles objections ?

    Comment remettre cette question à l’ordre du jour et challenger l’édifice de la théorie « officielle » à la lueur de vos arguments ? Comment relancer le débat ?

    1. Merci pour votre commentaire.

      En suggérant de publier mes articles sur d’autres sites que http://www.science-climat-energie.be je crois que vous sous-estimez l’impact de ce dernier, créé il y aura bientôt trois ans pour faciliter le débat entre lecteurs intéressés par les problèmes scientifiques et non idéologiques liés au climat et à l’énergie. Depuis cette date 215 articles, rédigés par une trentaine d’auteurs, ont été publiés. Ils ont donné lieu à près de 1000 commentaires suivis d’autant de réponses. Nos lecteurs, comme les auteurs, résident principalement, mais pas exclusivement, en Belgique, en France, en Suisse et au Canada. Le site http://www.science-climat-energie.be reçoit en moyenne 3000 visites par jours et plusieurs articles ont été consultés plus de 25000 fois, ce qui est très supérieur à la fréquentation des articles dans des revues scientifiques spécialisées.

      Si vous souhaitez donner plus de publicité aux articles publiés sur notre site je vous suggère de les faire connaître à vos amis et connaissances.

  21. Bonjour Mr Geuskens,
    Je viens de lire votre note sur le bilan thermique de la terre et l’effet de serre. Je ne connaissais pas cette hypothèse, qui me semble très originale. Il est agréable de voir que certains cherchent à faire preuve de créativité car l’ambiance « pensée unique » me semble très délétère dans le domaine de la climatologie et je crains que ça ne la fasse passer à côté de certaines vérités importantes. Et quand cela touche à nos impôts je n’ai guère envie que l’on se trompe.

    Quelques points de détail ne sont toutefois pas clairs pour moi :

    Je ne suis pas sûr de ce que vous voulez dire par : « le rayonnement thermique d’un corps chaud peut être absorbé par un corps froid mais PAS l’inverse. »
    Un photon ne véhicule que sa fréquence et s’il rencontre une surface quelconque absorbante, qu’elle soit froide ou chaude, il sera absorbé. Il y a un petit flux du froid vers le chaud, mais le flux net ira toujours du chaud vers le froid. On ne peut bien sûr pas organiser les surfaces pour que l’intensité issue de la surface froide puisse réchauffer la surface chaude. Est-ce ce que vous voulez dire ?

    Du reste vous dites : « le rayonnement de fluorescence d’un corps froid peut être absorbé par un corps chaud » on est d’accord. Mais que voulez-vous dire par : « un rayonnement n’est PAS de la chaleur » Un photon a une énergie et il ignore s’il provient d’une émission thermique ou d’une transition quantique.

    Il reste après cela un point sur lequel j’ai un doute : Vous évacuez totalement l’existence d’un effet de serre. Qu’il soit insuffisant à expliquer l’évolution actuelle des températures, je veux bien le considérer, mais l’exclure totalement est exagéré.
    Il est vrai que beaucoup de définitions sont fantaisistes tout comme les explications qui vont avec. L’atmosphère ne se comporte pas comme une serre agricole et cette image a mis dans la tête de la plupart des gens des idées fausses.

    Ainsi, je suis d’accord lorsque vous dites que les molécules actives (H2O et CO2 principalement) ont des temps de désexcitations trop longs et qu’elles vont céder leurs énergies par un choc thermique avant de réémettre le photon reçu. Or cette énergie sera reçue par O2 et N2 qui ne rayonnent pas en IR. D’accord. Cependant c’est incomplet, car il me semble qu’il n’y a là que la moitié du processus complet qui est un équilibre.

    Dans la troposphère cette situation de chocs thermiques implique que le système est dans un état d’Équilibre Thermodynamique Local. Ce comportement a pour conséquence une micro-réversibilité de tous les processus. Ainsi les chocs thermiques vont en retour induire des émissions de photons par les molécules actives.

    On atteint localement un équilibre des populations excitées des états quantiques des molécules actives qui dépend de la température locale et qui a comme conséquence l’existence d’une population locale de photons, qui eux ne peuvent que rayonner. Les molécules actives jouent donc à la fois le rôle d’absorbants mais aussi de sources.

    Donc si au niveau du sol on cherche ces photons, on va nécessairement les y trouver. Si le milieu est épais et à température constante, les flux de photons sont isotropes et on n’a pas de flux d’énergie. Mais s’il existe un gradient thermique, alors on aura transfert d’énergie, même dans un milieu très épais.

    On a nécessairement un rayonnement IR dans les basses couches et le sol en reçoit sa part. Il a une origine très locale pour beaucoup de fréquences pour lesquelles le milieu est opaque. Mais certaines fréquences peuvent venir de plus haut. Il n’existe aucune surface unique d’émission. C’est ainsi que je comprends l’effet de serre qui porte mal son nom et je ne vois pas très bien comment on pourrait complètement le sortir du jeu.

    Maintenant l’hypothèse que vous évoquez peut venir s’ajouter. Environ 110 W/m2 quittent le sol hors radiation, donc une partie peut participer à votre processus. Mais y a-t-il une chance d’aller plus loin pour tester votre hypothèse ?

    1. Votre long commentaire comporte des questions et des affirmations. Je vais essayer de faire la part des deux.

      1° Selon l’hypothèse formulée dans mon article, je suggère effectivement que 9 % du rayonnement détecté par les satellites en altitude proviennent directement de la surface terrestre et 91 % de l’émission de fluorescence associée à la condensation de la vapeur d’eau sursaturée au sommet de la troposphère.

      2° Le rayonnement thermique d’un corps est dû à l’oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de l’électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d’oscillation. Le rayonnement thermique d’un corps froid ne sera PAS absorbé car il ne peut PAS exciter de nouveaux dipôles dans un corps chaud. Si ce rayonnement n’est PAS absorbé il n’est cependant PAS pour autant réfléchi. Envisager que le rayonnement du corps froid n’aurait aucun effet car après avoir été absorbé il serait réémis est une vue de l’esprit.

      3° Cependant, comme vous le remarquez, si une fraction du rayonnement émis par le corps froid peut provoquer une transition quantique entre niveaux énergétiques du corps chaud cette fraction pourra être absorbée. Exemple : dans l’atmosphère terrestre la vapeur d’eau et le CO2 absorbent une fraction du rayonnement thermique du Soleil avant qu’il n’atteigne la surface de la Terre (fig. 2 de ma note).

      4° Comme vous le signalez la diffusion de Rayleigh est quasiment inexistante dans le domaine des IR telluriques.

      5° Comme vous le remarquez, la conversion d’énergie de vibration de molécules comme CO2 ou H2O en énergie de translation des molécules environnantes, par exemple N2 et O2, est réversible. 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 qui sont en état de vibration la proportion de molécules CO2 ou H2O dans ces états reste constante à une température et une pression déterminées. Cet équilibre ne sera PAS modifié si, en plus, certaines molécules sont excitées par absorption d’une fraction du rayonnement infrarouge émis par la Terre.

      6° La désactivation radiative des molécules de CO2 avec émission de fluorescence ne peut se produire qu’à des altitudes voisines de 100 km lorsque la pression atmosphérique est de l’ordre de 0,1 Pa et le nombre de collisions entre molécules de l’ordre de 1000 par seconde.

  22. Professeur,

    Je suis alle lire des publications de Claes Johnson et notamment Mathematical Physics of Blackbody radiation.
    Soyons humble, je suis loin d’avoir tout compris, mis a part que le sujet pose probleme a de nombreux physiciens celebres.
    Dans les commentaires, il est fait souvent appel aux photons, ce qui permet sans probleme d’etablir un flux a double sens entre un corps froid et un corps chaud (thermique ou fluorescence).
    Avec la voie a double sens, on ne saisit donc pas vraiment pourquoi un corps froid ne pourrait pas rechauffer un corps chaud s’il y a circulation dans les deux sens. La loi de Stefan Bolzman telle qu’ecrite explique que le flux de chaleur depend de la temperature des deux corps, dans le sens du plus chaud au plus froid, mais n’explique pas comment l’information de temperature peut circuler entre les deux corps.

    Vous avez ecrit vous-meme qu’il etait possible que certaines raies d’un rayonnement de fluorescence puissent être absorbées par une substance, quelle que soit sa température. Si ces raies peuvent etre absorbees, il est donc possible que cela rechauffe la substance en question. Cela irait a l’encontre de la seconde loi de la thermodynamique, donc je ne pense pas que cela soit acceptable. On peut jouer sur les mots en expliquant que l’aborption n’est pas automatiquement une augmentation de chaleur.

    Si on raisonne en onde, la circulation a double sens me semble beaucoup plus compliquee, parce que cela devrait s’annuler me semble-t-il, ou interferer.
    Vous avez une discussion a propos de l’AERI ou vous admettez qu’il est surprenant, en effet, qu’une émission provenant de couches supérieures de la troposphère parvienne au niveau du sol sans être absorbée par le CO2 ou la vapeur d’eau.
    Comme en fait l’emission de fluroescence vient d’une source plus froide, est ce si surprenant que ce ne soit pas absorbe par la basse atmosphere qui est en fait plus chaude ?

    Si en fait, on postule qu’il est impossible qu’un corps chaud puisse absorber un rayonnement de fluorescence d’un corps plus froid, ce serait alors normale de detecter cette bande sur l’AERI.

    Je ne vais bien entendu pas m’aventurer pour en expliquer la raison, ni comment le corps chaud pourrait savoir la temperature d’emission du corps froid.

    Dernier point, votre explication sur la transformation d’energie rotationnelle en cinetique me semble tout a fait pertinente. Le CO2 soumis a une source de chaleur absorbe le spectre sur une bande de frequence bien definie, mais il devrait aussi emettre sur cette meme bande, avec un leger retard. Le fait qu’on puisse observer ces bandes noires prouve justement que l’energie est transformee en autre chose avant d’avoir pu etre emise en tant que fluorescence.

    Je vous remercie de pouvoir m’eclairer sur les quelques points mentionnes.

    1. Vos questions sont semblables à celles posées par d’autres intervenants. Pour m’éviter de nombreuses manœuvres de copier-coller je vous suggère de lire mes réponses à ces commentaires précédents. En particulier, il est très important de bien comprendre la différence entre rayonnement thermique et rayonnement de fluorescence, ce qui est une source de confusion même pour certains climatologues (voir paragraphe 1 de ma note)

  23. Merci Professeur pour votre aimable réponse,
    Il y a toutefois un point qui reste obscur pour moi, mais j’imagine que vous allez m’éclairer.

    Considérons un volume d’atmosphère proche du sol et une bande de fréquences pour laquelle elle est opaque, à cause d’une absorption par H2O et/ou CO2.

    Dans ce volume, et pour cette bande de fréquences uniquement, il va régner des conditions très proches de celles d’un corps noir. Un corps noir sans frontière stricte, il est vrai. O2 et N2 n’y joueront aucun rôle sauf celui d’y maintenir la température.

    On devrait donc trouver, dans ce volume, un rayonnement dans toutes les directions, dans cette bande de fréquence. Certains photons seront alors absorbés par le sol.

    Or vous semblez exclure qu’un tel rayonnement puisse exister.

    Comment dans des conditions proches de celle d’un corps noir, le sol peut-il émettre en IR et ne rien recevoir en retour ?

    Je sais bien que l’opacité aux fréquences considérées n’est pas toujours totale, mais ce n’est pas la solution de ce paradoxe.

    Votre processus doit contenir des conséquences que je n’ai pas perçues. Aussi auriez-vous l’amabilité de m’expliquer ce qui cloche dans mon raisonnement ?

    1. Un gaz, quelle que soit sa composition, ne peut PAS émettre un rayonnement thermique. Il ne peut, dans certaines conditions, qu’émettre un rayonnement de fluorescence. Ces conditions ne sont PAS réalisées dans les basses couches atmosphériques ni pour le CO2, ni pour H2O par suite des collisions avec les molécules environnantes N2 et O2.

      Le sol, en tant que corps froid, est réchauffé par le rayonnement thermique du Soleil (maximum à 0,5 µm). Ensuite, en tant que corps chaud, le sol émet un rayonnement thermique (maximum à 10 µm) vers l’atmosphère. Une fraction de ce rayonnement thermique est transmise directement vers l’espace à travers la fenêtre optique (de 8 à 13 µm) et le reste est absorbé par CO2 et H2O (par transitions entre niveaux quantiques).

  24. Vous dites : « Ces conditions ne sont PAS réalisées dans les basses couches atmosphériques »
    Je suis d’accord que le temps de désexcitation d’une molécule de H2O est trop long par rapport au temps entre deux chocs avec O2 ou N2.

    Mais cela veut donc dire réciproquement que la fréquence d’excitation par chocs d’une molécule de H2O est beaucoup plus grande que la fréquence de son excitation par capture d’un photon.

    Parmi cette énorme quantité de chocs l’un permettra une émission d’un photon par la molécule H2O. Au final on aura autant de photons émis par H2O suite à des chocs que de photons capturés par absorption du rayonnement.

    Le processus est réversible, ce qui est capturé est ré-émis. Au sol on est en équilibre thermodynamique local :La présence de O2 et N2 ne sert qu’à fixer la température. Dans la haute atmosphère ce n’est plus le cas, la déséxitation est purement radiative et la température n’est plus imposée par le gaz environnant.

    Sinon je ne vois pas comment on peut expliquer qu’au sol certains publient des spectres IR. Comme ils sont principalement dans des bandes spectrales opaques, ils ne peuvent avoir qu’une origine locale ?

    1. Les fréquences d’excitation et de désactivation par collisions des molécules CO2 et H2O sont égales puisqu’il y a équilibre dynamique. Elles sont bien plus élevées que leurs probabilités de désactivation radiative, c’est pourquoi les conditions d’émission de fluorescence par ces molécules ne sont PAS réalisées dans les basses couches atmosphériques.

      Le problème du rayonnement détecté au niveau du sol par certains appareils pointés vers le ciel revient régulièrement dans les questions qui me sont posées. Je répèterai encore une fois que la nature, l’origine et l’altitude d’émission de cette « downwelling radiation » ou « downward long wave radiation » dont font état diverses publications sont encore mal comprises. Une émission provenant des couches supérieures de la troposphère ne pourrait parvenir au niveau du sol sans être absorbée par le CO2 ou la vapeur d’eau des couches inférieures dont l’absorption est saturée sur quelques dizaines de mètres. On peut en conclure que le phénomène observé ne justifie en rien un effet de serre radiatif.

      1. Monsieur Geuskens,
        Si je comprends bien comment vous bouclez le bilan énergétique dans la haute troposphère par un processus que je trouve original, je ne vois toujours pas comment ce bilan peut s’équilibrer sur la surface terrestre s’il n’y a pas un retour de radiation IR par les gaz H2O et CO2.
        En effet, si je reprends la fig 8 au niveau de l’interface terre/atmosphère :
        • 171W/m2 arrivent du soleil. (longueur d’onde 4 microns)
        Mais le sol est à 15°C et doit donc émettre 390 W/m2. Pour boucler avec les 68 que vous donnez il doit nécessairement exister un flux de rayonnement de retour de 390-68 = 322 W/m2. Ce flux de rayonnement ne vient pas de la haute troposphère puisqu’il correspond à des bandes de fréquences souvent opaques en IR : Il est donc pour la majeure partie générée localement. Or qu’est-ce qui peut générer localement un rayonnement si ce n’est l’excitation radiative de CO2 et H2O sur les fréquences de fluorescence par les chocs thermiques ?

        L’existence d’un flux de rayonnement hémisphérique local n’implique pas qu’il y ait un transfert d’énergie. S’il existe un flux hémisphérique dans l’autre sens aux mêmes fréquences, ce transfert énergétique est nul. Dans un corps noir, les flux hémisphériques sur toute surface interne peuvent être colossaux alors qu’il n’y a pas de transfert d’énergie.

        Au niveau du sol on est radiativement parlant presque comme dans un corps noir sauf grossièrement pour la fenêtre atmosphérique. Ce que je déduis de vos chiffres est que l’on a un rayonnement montant de 390 W/m2, un rayonnement descendant de 322 w/m2 d’où le seul transfert énergétique radiatif de 68 W/m2, avec lequel je suis d’accord. Et tout le reste de votre raisonnement ne me pose aucun problème.

        Les figures, et surtout celles du Giec, qui montrent l’effet de serre (terme non approprié) dessinent une flèche qui quitte le sol avec 390 W/m2 et se dirige vers l’espace laissant penser que l’on a un flux énergétique de cette ampleur qui s’élève, ce qui est faux bien sûr. Et comme cette énergie ne part pas vers l’espace elle n’en revient pas non plus. A part les 68 W/m2 que vous signalez, aucune radiation ne quitte la couche atmosphérique au niveau du sol. Mais il ne faut pas effacer pour autant ces 390 et 322 W/m2 car ils nous impactent et s’ils n’existaient pas nous ne ressentirions pas une température de 15°C.

        Voilà pourquoi je pense que l’on ne peut pas s’affranchir de l’existence d’un rayonnement IR de H20 et CO2 au niveau du sol et qui ne contredit en rien votre note. On est donc obligé selon moi d’admettre que le rayonnement IR absorbé au sol par l’atmosphère est ré-émis instantanément. De toute façon ce n’est pas lui qui fait le transfert d’énergie.

        Le sol se refroidit bien comme vous le signalez : avec 68 W/m2 par transfert radiatif et 103 W/m2 par une espèce de « caloduc » qui aboutit vers la haute troposphère. Après il peut exister les processus que vous signalez mais là je n’ai rien à dire car je ne sais pas en juger. La démonstration vous en appartient.

        1. L’affirmation que « le sol est à 15°C et doit donc émettre 390 W/m2 » montre que vous n’avez pas compris que la formule de Stefan-Boltzmann ne peut être utilisée que si le rayonnement thermique est le seul mécanisme d’échange énergétique. Elle ne peut donc PAS s’appliquer à la Terre où la convection de l’air et l’évaporation de l’eau des océans contribuent de manière prépondérante au bilan énergétique. Si les satellites détectent au sommet de l’atmosphère l’émission sous forme de rayonnement de 240 W/m2 on ne peut PAS en déduire, par application de la formule, que la surface terrestre devrait être à la température de 255 K (-18°C). De même, le fait que la température « globale moyenne » de la Terre soit 288 K (15°C) ne permet PAS d’en déduire que le flux radiatif émis par la Terre devrait être de 390 W/m2. Ces erreurs sont cependant commises par beaucoup de climatologues. Pour que tout soit clair je vous suggère de lire ma note http://www.science-climat-energie.be/2018/04/26/du-bon-usage-de-la-formule-de-stefan-boltzmann/

          Par ailleurs, je précise bien dans le paragraphe 4 de ma note que le bilan énergétique envisagé sur la fig. 8 concerne le système Terre-atmosphère et PAS le globe terrestre isolé. L’ensemble est cohérent et compatible avec les calculs rappelés dans les paragraphes 2.2 et 2.3.

  25. A propos du bilan énergétique de la terre :

    L’albédo donne la réflexion solaire, il faut calculer avec (1- albédo) pour avoir la quantité d’énergie absorbée :
    Peinture blanche : albédo de 0.50 à 0.90 absorbe de 10% à 50% des rayonnements solaires
    goudron : albédo de 0.05 à 0.20 absorbe de 80% à 95% des rayonnements solaires
    arbres : albédo de 0.15 à 0.18 absorbe de 82% à 85% des rayonnements solaires

    La majorité des matériaux avec un albédo inférieur à 0.4 absorbe plus de 60% des rayonnements solaires.
    La peinture blanche qui n’absorbe que 10% est donc la meilleur solution pour réduire la chaleur urbaine.
    En Afrique, les maisons ont un toit plat peint en blanc pour diminuer la chaleur.
    Pourquoi met-on des toits en ardoise ou en tuile sur les maisons en France ?
    Cela augmente le rayonnement absorbé et la température en ville.

    Si pour construire un bâtiment avec 100 m² de toiture, on devait mettre une toiture avec un albédo supérieur à 0.80, la toiture n’absorberait que 20% des rayons lumineux.
    Avec 342 w/m² de rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère, il y a que 170 w/m² au sol.
    La toiture recevrait 17 000 w en moyenne, mais n’absorberait que 3 400 w/m² et en renverrait 13 600 w

    Si tous les toits étaient peint en blanc avec un albédo de 0.80, les villes seraient beaucoup plus fraiches l’été, (mais l’hiver aussi)…
    Si une mairie imposait un albédo supérieur à 0.8 pour avoir un permis de construire, les températures en villes commencerait par baisser de quelques degrés…

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