Puissances en jeu dans le système Terre/atmosphère (3/3)

par J.C. Maurin, Professeur agrégé de physique

Estimations complémentaires, influences anthropiques

La première partie de l’article a exploré l’équilibre 1980/2020 pour les flux énergétiques [1] ainsi que le flux solaire entrant, la deuxième partie a décrit les flux énergétiques sortants. Dans cette troisième partie, on tentera d’estimer quelques puissances en jeu à l’intérieur du système Terre/atmosphère. Un schéma récapitulatif pour les puissances moyennes globales est proposé ainsi qu’une discussion sur les influences anthropiques et solaires.

1. Puissances internes au système Terre/atmosphère.

1.1 Échantillonnage peu satisfaisant des mesures in situ.

Au sol, insolation et pluviométrie sont les deux grandeurs fondamentales pour le climat. Les mesures à l’altitude 0 (sol/océan) utilisent pyrhéliomètres / pyranomètres (ici) et pluviomètres. A cause de la couverture nuageuse, pluviométrie et insolation sont très variables dans le temps (jour/mois/décennie). En réalité, il faut quelques décennies de mesure pour obtenir une moyenne fiable en un lieu donné. Malheureusement, les mesures de long terme sont à la fois mal réparties sur le globe et trop peu nombreuses. La zone 30S-30N (50% de la surface du globe), la plus importante pour les puissances en jeu, est sous-échantillonnée car à 75 % océanique.

Figure 1 :   A gauche : répartition land/ water (ici) ;  A droite : Planisphère projection Gall-Peters (ici). Les mesures historiques ‘in situ’ se situent principalement entre 30N et 90N (25% du globe), et sur les continents (in fine seulement 12% du globe).

Sous-échantillonnage pour l’océan :

L‘océan représente 71% du globe terrestre, soit 3,6 1014 m². Pour disposer de mesures tous les 10 km, il faudrait 3,6 1014 / 108 =  3,6 millions de capteurs, alors que nous disposons seulement de quelques milliers de bouées pour les mesures in situ.

Sous-échantillonnage pour l’atmosphère :

Avec une surface terrestre de 5,1 10 14 m² et un sommet de l’atmosphère (TOA) ≈ 100 km, le volume à mesurer est  5,1 1019 m3. Pour disposer de mesures tous les 10 km, tous les 1000 m d’altitude, il faudrait 5,1 1019 / 1011 = 51 millions de capteurs. Mais, à un instant donné, seulement une centaine de radiosondes [2] sont présentes, in situ dans l’atmosphère . 

1.2   Le cycle de l’eau est le phénomène majeur à l’altitude 0.

1.2.1  Puissance en jeu pour la vaporisation.

A partir de la pluviométrie moyenne du globe, il est possible d’estimer la puissance nécessaire pour la vaporisation de l’eau correspondante. Selon  la FAO , il tomberait 814 mm d’eau par an sur les terres (29% du globe). Mais la pluviométrie semble plus importante sur les océans (71% du globe), où les mesures sont récentes, ce qui entraîne une grande incertitude sur la moyenne mondiale des précipitations (la pluviométrie est très variable: entre 0,02 m/an et 12 m/an) [3]. La figure ci-dessous illustre les mesures satellitaires récentes.

Figure 2 :  The two-decade satellite précipitation record (ici)  by GPM, TRMM and the GPM constellation satellites. Les précipitations sont abondantes sur l’océan entre 30S-30N.

Remarque : L’examen de cette figure 2 montre aussi les limites de tout calcul théorique (exemple ici) qui utiliserait une moyenne pour la quantité d’eau présente dans l’atmosphère. Un tel calcul serait largement faussé (croix fig. 2) pour la colonne atmosphérique au-dessus de l’île de Sumatra (très humide) comme au-dessus de la péninsule arabique (très sèche).

En retenant des précipitations moyennes ≈ 1,1 m/an, soit 3,01 mm/jour, on estime les précipitations journalières à  ≈ 1,54 1015 kg. La puissance totale pour vaporiser (2,454 106 J/kg) cette eau est P = (1,1 * 103 * 5,1 1014 * 2,454 106 ) / (365 * 24 * 3600) = 44 1015 W = 44 PW  (P = Péta = 1015) [6]. Pour comparaison, dans un article de 2020, Koutsoyiannis [4] propose 1290 ZJ/an, soit 1,29 10 24 / 3,16 10 7 ≈ 41 PW.

1.2.2   De l’importance du cycle de l’eau.

  • Les phénomènes d’advection/convection dans l’atmosphère mettraient en jeu une puissance de l’ordre de 9 PW (voir ici ). Ainsi le cycle de l’eau (vaporisation océanique + évapotranspiration végétale + advection/convection) mettrait en jeu la puissance totale ≈ 44 + 9 = 53 PW.
  • La puissance solaire entrante au sommet de l’atmosphère est ≈ 174 PW et il n’en subsisterait, après traversée de l’atmosphère, qu’environ la moitié (92 PW) à l’altitude 0. Finalement, pour les puissances globales, le cycle de l’eau est le phénomène majeur à l’altitude 0 : il représente 53/92 = 58% de l’insolation brute. En déduisant la part d’insolation réfléchie à l’altitude 0, on obtient 53/(92-13) = 67% de l’insolation nette.
  • La masse totale d’eau dans l’atmosphère est ≈ 1,3 1016 kg (ici), ce qui permet d’estimer la durée de séjour d’une molécule d’eau dans l’atmosphère à 1,3 1016 / 1,54 10158,5 jours. Mettant en jeu une puissance > 40 PW, avec un renouvellement en quelques jours, l’eau atmosphérique semble un régulateur efficace pour tout déséquilibre énergétique.
    Pour l’étude scientifique du climat, le cycle de l’eau et son évolution de long terme devrait être un sujet de recherche prioritaire.


1.3  Estimations complémentaires.

Le paragraphe 1.1 a montré la difficulté d’obtenir des moyennes de long terme basées sur des mesures in situ pour l’ensemble du globe. Les estimations retenues ci-dessous sont donc partiellement arbitraires.

– Un peu plus de la moitié de la puissance solaire entrante (174 PW) parviendrait à l’altitude 0 : environ 55% selon Nasa/Ceres, mais environ 50% selon cet article. On adopte 174 * 53% = 92 PW ?

– Le flux solaire réfléchi (≈ 52 PW) proviendrait à 75% de l’atmosphère, soit P ≈ 52 * 75%  ≈ 39 PW ?

– Le solde doit nécessairement être intercepté dans l’atmosphère, soit P ≈ 174 – 92 – 39 = 43 PW ?

– Le flux solaire réfléchi proviendrait à 25% de l’altitude 0, soit P ≈ 52 * 25%  ≈ 13 PW ?

– Dans les zones où l’atmosphère est sèche, la faible absorption atmosphérique permettrait à une portion de l’infrarouge émis depuis l’altitude 0 (principalement la gamme 8 µm/13 µm), d’atteindre directement la TOA. On retient 22 W/m² (ici ou ) correspondant à une puissance totale P ≈ 11 PW ?

– Afin d’équilibrer le bilan au sol (92-13- 53-11), on affecte, pour le solde, la puissance P = 15 PW ? Ce solde est représenté à la figure 3 ci-dessous par une flèche noire double (une faible partie pourrait être absorbée par la surface terrestre ou par la biosphère). Selon le GIEC, une partie de ce solde pourrait aussi être interprétée comme le bilan d’un « échange radiatif » avec l’atmosphère.

– Le flux géothermique provenant de l’intérieur de la Terre est négligeable (P ≈ 0,05 PW  ici) relativement aux puissances précédentes et n’est donc pas représenté sur la figure 3 ci-dessous.

2. Schéma des puissances en jeu.

2.1 Représentation en puissances globales

Il est courant de trouver des schémas [4] utilisant des valeurs moyennes exprimées en W/m².
Malheureusement, ces moyennes sur le globe occultent la très grande variabilité géographique, par exemple:

– le flux infrarouge sortant (OLR) varie entre 150 W/m² et 300 W/m² suivant la zone géographique.
pour le flux solaire incident, la moyenne de 341 W/m² est particulièrement trompeuse : début  janvier à 12 H, au-dessus de l’Australie, le flux est proche de 1406 W/m². Cependant, au même instant et pour plusieurs semaines, au Nord du Groenland le flux est proche de 0 W/m² (nuit polaire).
Le schéma proposé ci-dessous se limite donc à indiquer les puissances globales, moyennées sur 40 ans.

Figure 3 : Estimations des puissances moyennes globales en jeu dans le système Terre/atmosphère. Rayonnements : en jaune SW (λ < 4 µm), en rouge  LW (λ> 4 µm), 1 PW = 1015 Watts. Les puissances moyennes indiquées au-dessus de l’atmosphère sont déduites des mesures satellitaires depuis 40 ans. Les valeurs extrêmes (janvier et juillet) sont données entre crochets. Les puissances en jeu dans l’atmosphère sont des estimations très incertaines.

Les flux moyens (W/m²) s’obtiennent en divisant chaque terme par 0,51 Pm², mais la répartition des puissances dépend très fortement de la latitude. Notons que la zone 30S-30N (à 75% océanique) correspond à la moitié de la surface terrestre alors qu’elle met en jeu la majorité des puissances globales. Les observations historiques in situ sont malheureusement peu nombreuses dans cette zone.

Pour le rayonnement sortant à la TOA (52 +122) = 174 PW, la part en provenance directe de l’altitude 0 serait ≈ 13 +11 = 24 PW, soit 24/174 = 14%, alors que l’on aurait ≈ 150 PW, soit 150/174 = 86% émanant directement de l’atmosphère. Un calcul théorique sur une atmosphère standard (voir remarque à la fig.2) montre qu’il est possible que le rayonnement IR sortant (122 PW) provienne surtout (ici figs. 1et 5a) de la moitié supérieure de la troposphère (jusqu’à 107 PW disponibles selon la figure 3 ci-dessus).

A propos de l’influence de l’homme sur le climat, le paragraphe suivant propose quelques ordres de grandeurs.

2.2  Échelle humaine.

  • Influence anthropique directe :
    Pour sa consommation annuelle, l’humanité utilise ≈ 14 Gtep, soit 0,6 1021 Joules d’énergie primaire (voir ici), ce qui correspond à une puissance moyenne P = 0,019 1015 W ≈ 0,02 PW.
    La figure 3 permet au lecteur de comparer avec les puissances naturelles en jeu.
  • Influence anthropique indirecte (albédo):
    L’aire urbanisée (voir ici) par l’homme est ≈ 3,6 106 km², ce qui correspond à 3,6/510 ≈ 0,7% de la surface du globe (≈ 510 106 km²).
    Les terres agricoles (voir ici) occupent ≈ 49 106 km², soit  49/510 = 9,6 % de la surface du globe.
    Toutefois, hors pâturages, les cultures correspondent seulement à 2,5 % : finalement l’homme n’est guère présent que sur 3 à 4 % du globe.
  • Influence anthropique hypothétique :
    L’organisation intergouvernementale GIEC, invoque l’existence d’un « forçage radiatif » qui serait la conséquence indirecte des activités humaines via le CO2 anthropique.

3. A propos de l’influence anthropique hypothétique.

3.1  Mise en perspective.

Cette influence anthropique hypothétique est chiffrée par le GIEC entre 1 et 3,5 W/m² (AR5 WG1 p.697)  [5]. En utilisant la formule de Myhre et la concentration moyenne 1980/2020 du CO2 atmosphérique, la puissance globale correspondante est ≈ 1 PW [6].

  • La première partie de l’article (ici § 1.3) a montré que l’on obtient une estimation d’un déséquilibre ≈ 0,2 PW des flux entrant/sortant entre 1980 et 2020. Comment concilier 0,2 PW avec un « forçage radiatif » ≈ 1 PW si les variations naturelles sont négligeables ?
  • L’hypothèse d’un « forçage radiatif » ≈ 1 PW est également à mettre en perspective avec les puissances suivantes :
    – les variations entre janvier et juillet atteignent 11,5 PW pour le flux solaire entrant et 4 PW pour le flux IR sortant.

– il existe une contre-réaction (albédo) du système Terre/atmosphère mettant en jeu une puissance ≈ 4 PW (ici § 3.3).
– la variation séculaire du flux solaire entrant peut atteindre 1,5 PW (ici § 2.2).
– les reconstitutions/composites de la TSI, lors des cycles solaires 21 à 24, diffèrent de 5 W/m², soit 0,7 PW (ici § 2.2).
– suivant le rayon du disque qui intercepte le flux solaire, la puissance moyenne passe de 173 PW (altitude 0km) à 179 PW (altitude 100 km), soit un écart de 6 PW (ici § 2.3).

– entre 1980 et 2020, le flux IR sortant croît de 1,7 PW (ici § 2.3).

3.2  Influence solaire vs anthropique selon l’AR5.

La figure 8.15 du rapport AR5 donne les facteurs qui influenceraient l’équilibre des 3 flux (TSI, RSF et OLR) depuis 1750. Selon les rédacteurs de l’AR5, l’influence anthropique hypothétique serait largement dominante.

Figure 4 :   D’après la figure 8.15 du chapitre 8 de l’AR5 [5] (similaire à la figure 7.6 chap.7 p.182 du récent AR6).

La figure 8.15 de l’AR5 compare les variations (depuis 1750) de ‘Solar irradiance’ avec l’influence anthropique indirecte hypothétique (« forçage radiatif » principalement). Pour les variations ‘Solar irradiance’, la figure 8.15, ainsi que la table 8.6 page 696, indiquent 0,05 W/m² (0 à 0,1 W/m²). Après mise à l’échelle (surface sphère = 4 x surface disque), la TSI aurait seulement augmenté, depuis 1750, de + 0,2 W/m² avec une marge d’incertitude de ± 0,2 W/m². Une critique de cette valeur et de sa marge d’incertitude est proposée au paragraphe suivant.

3.3  La beauté est dans l’œil de ceux qui rédigent.

  • Cette évolution de la TSI (+ 0,2 W/m²) est principalement fondée sur l’article Krikova et al (2010), pour lequel l’entrée du modèle est simplement le nombre de taches solaires vers 1745. Parmi la littérature scientifique disponible pour l’AR5, cet article sélectionné par le GIEC donne une des estimations les plus faibles (voir table 2 Soon, Connolly, Connolly 2015) [5].
  • Marge d’incertitude : dans l’article récent Kopp 2016 , la TSI moyenne sur le cycle solaire 23 est de 1361,0 ± 0,5 W/m². Dans Dewitte Clerbaux 2017, la TSI est estimée à 1362,0 ± 0,9 W/m². 

Les rédacteurs/modélisateurs de l’AR5 parviennent néanmoins à estimer la TSI en 1750 avec une incertitude de ± 0,2 W/m², soit une incertitude relative = 0,2/1361 = ±0,015 %

  • Marge d’incertitude : les rédacteurs du chapitre 8 confessent implicitement leur grand optimisme car leur figure 8.14 p. 695 du même chapitre indique une confiance basse ou très basse pour Solar Irradiance.
  • Marge d’incertitude : Le paragraphe 8.SM.4 de l’AR5 (ici)  rapporte la TSI de 1760 avec 6 chiffres significatifs (1360,19). Pour l’écriture des rapports scientifiques WG1, le GIEC devrait privilégier des rédacteurs pratiquant l’observation plutôt que la simulation exclusivement.
  • Finalement, ce grand optimisme des rédacteurs/modélisateurs permet d’obtenir ‘Solar Irradiance’ nettement plus faible que ‘Total anthropogenic’ et ceci sans recouvrement des marges d’incertitudes. Mais un aussi beau résultat n’est-il pas surtout la conséquence d’une vision anthropomorphique des rédacteurs/modélisateurs ?

4. Conclusions.

  • Les mesures par satellites ont permis une meilleure connaissance des flux énergétiques au-dessus de l’atmosphère. En revanche, les puissances en jeu dans l’atmosphère restent incertaines à cause d’un échantillonnage peu satisfaisant des mesures in situ.
  • Environ la moitié de la puissance en provenance du soleil parvient à l’altitude 0, où elle est principalement utilisée pour vaporiser/envoyer l’eau vers l’atmosphère.
  • Les rayonnements sortants de l’atmosphère proviennent (directement) surtout de l’atmosphère et non pas de l’altitude 0.
  • L’existence d’un déséquilibre des flux, depuis 40 ans, n’est pas démontrée par les observations satellitaires. On tente de mettre en évidence cet éventuel déséquilibre (≈ 0,2 PW ?) par des mesures de température dans l’océan : il faut parvenir à mesurer une variation de 0,1 à 0,2 degré sur plusieurs décennies, à partir de bouées distantes de centaines de km.
  • Compte tenu des incertitudes sur les changements multi-décennaux pour la TSI et pour l’albédo, l’attribution d’un déséquilibre incertain (≈ 0,2 PW) à une cause unique (anthropique) semble largement prématurée.
  • La compréhension insuffisante des flux sortants (RSF et OLR), ainsi qu’une TSI peu prévisible selon le GIEC : « at present there is very low confidence concerning future solar forcing estimates» (AR5  § 8.4.1.3  page 690)  montrent que la prévision scientifique du climat reste, à ce jour, une gageure voire un simple songe.
  • En 2001, cette conclusion était déjà celle des rédacteurs du GIEC : « In climate research and modelling, we should recognise that we are dealing with a coupled non-linear chaotic system, and therefore that the long-term prediction of future climate states is not possible »(AR3 page 774).

Épilogue     

Chacun tourne en réalités
Autant qu’il peut ses propres songes :
L’homme est de glace aux vérités ;
Il est de feu pour les mensonges.  

(Jean de La Fontaine, Fables livre IX, 1678)

Références

1. Bilan

CERES   https://ep3vztogsj3zdd6p6fxpuoxcry–ceres-larc-nasa-gov.translate.goog/#ceres-carousel

Earth’s Energy Budget   https://ceres.larc.nasa.gov/science/

Global distribution of Earth’s surface shortwave radiation budget  https://acp.copernicus.org/articles/5/2847/2005/

2. Données statistiques

Superficies selon la Banque Mondiale

Consommation énergétique mondiale

Radiosondages

Masses atmosphériques: http://arxiv.org/pdf/1810.08658.pdf

3. Couverture nuageuse, précipitations

https://neo.sci.gsfc.nasa.gov/view.php?datasetId=MODAL2_M_CLD_FR&date=2019-06-01

http://www.fao.org/nr/water/aquastat/data/query/index.html

https://gpm.nasa.gov/

https://link.springer.com/article/10.1007/s10712-017-9416-4

Koutsoyiannis 2020 Revisiting the global hydrological cycle: is it intensifying?

Koutsoyiannis 2021 Rethinking climate, climate change, and their relationship with water

4. Schémas

Schéma bilan selon CERES https://ep3vztogsj3zdd6p6fxpuoxcry–ceres-larc-nasa-gov.translate.goog/images/EnergyBudget.png

Schéma bilan selon IPCC fig 2.11 chapitre 2  AR5

Schéma bilan selon NASA  https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/ceres-poster-011-v2.jpg

Earth’s surface heat flux  https://se.copernicus.org/articles/1/5/2010/se-1-5-2010.pdf

5. TSI et AR5

AR 5 Chapitre 2 https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2017/09/WG1AR5_Chapter02_FINAL.pdf

AR 5 Chapitre 8 https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf

AR 5 Chapitre 8 Supplementary Material https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/07/WGI_AR5.Chap_.8_SM.pdf

Judge et al 2020   https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab72a9/meta

Soon, R. Connolly, M. Connolly  2015  Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century

R. Connolly, Soon, M. Connolly 2021  How much has the Sun influenced Northern Hemisphere temperature trends? An ongoing debate

6. Les feuilles de calcul Puissances en jeu_3 mettent en forme les observations.

3 réflexions sur « Puissances en jeu dans le système Terre/atmosphère (3/3) »

  1. Merci Professeur Maurin pour vos trois articles, fort documentés, de juin/août/septembre. Bien qu’il ne s’agisse pas directement de mon expérience, je me suis lancé en une lecture transversale… et trouve l’ensemble d’une lisibilité édifiante et très didactique !

    Votre compilation de faits chiffrés / des marges d’erreurs / de sources qui tous étayent les démonstrations, ça laisse peu de place à des confusions quant aux facteurs réels d’influence climatique. Les ordres de grandeurs à comparer devraient y surprendre plus d’un lecteur.

    On a ainsi peine à croire que ces « distingués savants-rédacteurs GIECiens » – de toutes origines ou disciplines qu’ils soient – persistent à défendre des thèses potentiellement douteuses. De même pour les journalistes, ces prosélytes notoires, qui se chargent de diffuser leurs approximations et errements intellectuels vers des gens peu avertis mais simplement curieux !
    Ce sacré soleil doit leur avoir brûlé les yeux !

    Votre article de juin chap.1.2 souligne bien l’incertitude sur flux sortants, liée aux « modélisations adoptées » … par les uns ou par les autres.

    Les chiffres d’échanges thermiques océan atmosphère montrent une belle concordance au terme de ces 40 années de suivi… Où ces 4000 balises ARGO ( Δ T° et salinité, à l’échelle de temps) ont avantage à ne pas trop dévier de leurs calibrages (et faire l’objet de subtiles corrections de biais) !
    Comment en être p.ex. précis sur la perspective d’évolution des courants marins (dont ce Gulf Stream qui alarme certains ‘prospectivistes du climat’ ?

    Des ‘effets d’inertie’ du système terre/atmosphère et déséquilibres f(latitude) transparaissent bien dans cette Fig.1b du chap. 1.4.

    L’influence du vent solaire et des rayons cosmiques sur la transparence de l’atmosphère m’a conduit à lire ce site Observatoire de Paris (d’autres trouveraient là des éléments additionnels) : https://lesia.obspm.fr/Caracteristiques-generales-du-vent.html

    Votre article d’août chap.2.3 (rayonnement IR sortant en croissance 1,4% sur 4 décennies…) est effectivement peu soutenu par les ‘savants GIEC’. Comme vous le mentionnez : « Peut-être faut-il éviter de troubler l’opinion publique avec ce nouveau mystère de « l’effet de serre » : plus il y a de CO2 et plus le rayonnement infrarouge s’échappe vers le vide spatial. »
    Albedo terrestre : effets marquants de la couverture nuageuse (Fig. 3b – RSF très parlante).
    Prévisions à long terme de ce RSF : d’évidence ça devrait troubler quelques climatologistes…

    Chap. 3.3. cet effet de contre-réaction me rappelle mon article SCE ( https://www.science-climat-energie.be/climatologie-et-cybernetique/ 03/2020 ) et phénomènes d’inertie couplés ?

    Enfin, votre dernier article de septembre rappelle à qui veut bien lire les risques liés à l’échantillonnage des mesures (répartition très déséquilibrée entre terre et océans…) et le risque lié à une trop courte durée des échantillons adoptés ! Autant vaut pour les méthodes de « moyenner » !!!

    Le cycle de l’eau atmosphérique, l’ampleur de puissance y liée (53 PW) et de poids d’eau évaporé ont de quoi donner le tournis. Le mois de juillet a certainement dû relancer le souci des autorités d’y porter de l’attention. Sans nul doute, des crédits d’études vont pleuvoir pour tenter de clarifier le phénomène… à défaut de pouvoir le maîtriser !

    Enfin, sous votre chap. 3 (échelle humaine et influence anthropique…) la comparaison des ordres de grandeur que vous récapitulez invite à quelques nuances de relecture des ARx du GIEC (les milliers de pages noyant la compréhension de beaucoup … et la mienne !
    Encore merci de tous ces éléments de réflexion.

    1. Merci pour vos commentaires et liens proposés.
      La série de 3 articles tente en effet de donner quelques ordres de grandeurs utiles au débat sur la science climatique.
      A propos des organismes intergouvernementaux et des rapports ARX, un scientifique peut suivre ce conseil (attribué à Thomas Huxley): « The improver of natural knowledge absolutely refuses to acknowledge authority, as such. For him, skepticism is the highest of duties; blind faith the one unpardonable sin »

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