Draft - A propos des gaz à effet de serre. Version étendue.
Les échanges internes d’énergie entre la surface de la Terre et l’atmosphère n’ont aucune influence sur sa température de surface.
1 Introduction
Dans un document précédent, il a été montré que la rétro-radiation par les gaz à effet de serre (GES) n’avait aucune influence sur la température de surface de la Terre. Ce document a été complété par une vidéo didactique placée sur YouTube.
J’ai demandé à William Happer, scientifique de renommée internationale, de me dire ce qu’il en pensait, en lui rappelant la comparaison avec la pluie qui n’a pas d’influence sur le niveau des océans puisqu’elle provient de l’évaporation à leur surface.
Voici ce qu’il m’a répondu:
I too don’t think backradiation at the Earth’s surface is particularly useful for understanding greenhouse warming. But there is no doubt that backradiation exists. You can measure it with a hand-held radiometer.
I don’t think there is anything wrong with your metaphor of water filling leaking reservoirs, but you have to keep in mind that photons are not like water molecules that are not created or destroyed in the cycle of evaporation and precipitation. Photons are routinely created and destroyed. You don’t need to have a “zero sum game” for photons.
The backradiation at Earth’s surface is not from backscattered photons that were previously emitted from the surface. Rather, the backradiation consist of photons that were created at the expense of the thermal energy of the atmosphere by greenhouse molecules or clouds. Much of the thermal energy came from upward convection of warm air, not from surface thermal radiation.
Ce que l’on peut traduire comme suit:
Je ne pense pas non plus que le rayonnement de retour à la surface de la Terre soit particulièrement utile pour comprendre le réchauffement climatique. Mais il ne fait aucun doute que le rayonnement de retour existe. Vous pouvez le mesurer avec un radiomètre portatif.
Je ne pense pas qu’il y ait quoi que ce soit de mal dans votre métaphore de l’eau qui remplit des réservoirs qui fuient, mais vous devez garder à l’esprit que les photons ne sont pas comme les molécules d’eau qui ne sont ni créées ni détruites dans le cycle d’évaporation et de précipitation. Les photons sont créés et détruits de manière routinière. Il n’est pas nécessaire d’avoir un « jeu à somme nulle » pour les photons.
Le rayonnement de retour à la surface de la Terre ne provient pas de photons rétrodiffusés qui étaient auparavant émis par la surface. Il s’agit plutôt de photons qui ont été créés aux dépens de l’énergie thermique de l’atmosphère par des molécules à effet de serre ou des nuages. Une grande partie de l’énergie thermique provient de la convection ascendante de l’air chaud, et non du rayonnement thermique de surface.
2 Schéma modifié
Pour répondre à ce reproche apparemment justifié, un schéma modifié est introduit.
2.1 Schéma détaillé
Les rectangles représentent des réservoirs contenant de l’énergie. Les flèches représentent des flux d’énergie entre les réservoirs. L’atmosphère est considérée transparente au rayonnement en provenance du Soleil.
Le rectangle jaune représente le Soleil. Le rectangle gris représente le Cosmos.
Le rectangle Surface Planète représente la chaleur accumulée sous la surface de la Terre. T1 est la température à cette surface.
Le rectangle Photons représente l’énergie de photons présents dans l’atmosphère en provenance de la surface de la Planète et des gaz à effet de serre.
Le rectangle Rot/Vibr GES représente l’énergie de rotation/vibration des molécules de gaz à effet de serre (GES).
Le rectangle Cinétique représente l’énergie cinétique de translation (chaleur) des molécules de l’atmosphère. T2 est la température au pied de l’atmosphère.
Le flux a représente la part du flux solaire absorbée par la surface de la Planète.
Le flux b représente le flux émis par l’atmosphère en direction du Cosmos.
Le flux c correspond au rayonnement thermique émis par la surface de la Planète. Il ne dépend que de la température T1.
Le flux r1 représente la rétro-radiation de l’atmosphère vers la surface de la Planète.
Le flux r2 représente un flux complémentaire émis par la surface de la Planète causé par le flux r1.
Le flux d1 représente l’absorption de photons par les molécules de GES, ce qui augmente leur énergie de rotation/vibration.
Le flux d2 représente l’émission de photons par les molécules de GES, ce qui diminue leur énergie de rotation/vibration.
Le flux e1 est causé par les molécules de GES qui, à l’occasion d’un choc inélastique, cèdent une partie de leur énergie de rotation/vibration à une molécule voisine qui voit son énergie cinétique augmenter.
Le flux e2 est causé par les molécules de GES qui, à l’occasion d’un choc inélastique, augmentent de leur énergie de rotation/vibration aux dépens de l’énergie cinétique d’une molécule voisine.
Les flux d1, d2, e1, e2 créés par les GES ne concernent que des réservoirs d’énergie contenus dans l’atmosphère et n’affectent pas son bilan énergétique.
Le flux f représente le flux de chaleur échangé par conduction entre la surface de la Planète et l’atmosphère. Il n’existe que lorsque les températures T1 et T2 sont différentes et va dans le sens du corps le plus chaud vers le plus froid.
Lorsque la Planète est soumise à un rayonnement solaire constant, une situation d’équilibre finit par s’établir.
La quantité d’énergie contenue dans chacun des réservoirs de la surface de la Planète et de l’atmosphère (les rectangles bleus) se stabilise à une valeur constante. Les températures T1 et T2 sont égales, et le flux f est nul. Pour chacun de ces réservoirs, la somme des flux entrants est égale à la somme des flux sortants.
On en déduit que les flux e1 et e2 sont en moyenne égaux, de même que les flux d1 et d2, ainsi que les flux a et b. Il en résulte que l’incidence des GES sur l’énergie cinétique de l’atmosphère est nulle que leurs absorptions/émissions de photons liées à leurs excitations/désexcitations se compensent
Par un simple bilan entre absorption et émission au niveau de l’ensemble Surface Planète + Atmosphère, les flux a et b sont égaux.
En l’absence de rétro-radiation, le flux c est égal au flux a.
S’il y a malgré tout un flux de rétro-radiation r1, la surface de la Planète va réémettre un flux r2 égal au flux r1. En effet, a+r1=c+r2=a+r2, donc r1=r2.
Comme la réémission se fait dans toute la gamme des longueurs d’onde, les bandes d’absorption des GES sont contournées par rebonds successifs. Si une fraction k d’une émission de la surface de la Planète est systématiquement renvoyée par l’atmosphère, elle sera réémise par la surface qui fera l’objet d’un nouveau renvoi partiel. Le calcul est détaillé dans la Table 1 et la Fig. 2.
| Itération | Emission | Retour | Emission nette |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | k | 1-k |
| 2 | k | k2 | k(1-k) |
| 3 | k2 | k3 | k2(1-k) |
| 4 | k3 | k4 | k3(1-k) |
| … | … | … | … |
La somme des émissions nettes est égale à (1-k)(1+k+k2+k3+…). La somme infinie du deuxième facteur est égale au développement en série de 1/(1-k), et la somme des émissions nettes est donc égale à 1.
2.2 Schéma simplifié
L’atmosphère est représentée par un seul réservoir. S’il y a une différence entre la température de surface de la Planète et celle à la base de l’atmosphère, un échange d’énergie se produira jusqu’à ce que cette différence de température s’annule, comme dans un système de vases communicants. Un conduit qui regroupe les flux c, r2 et f rend cet échange d’énergie possible. Le flux r qui est égal à r1 et r2 représente la rétro-radiation. Ceci nous amène à la Fig. 3.
Ce schéma est équivalent à celui du volet C dans la version initiale de l’analyse des GES. Il suffit de remplacer a par 1, r par f et d’éclater le flux a+r=1+f en un flux 1 et un flux f.
Dans le schéma, la couleur bleue représente de l’énergie. Toute cette énergie n’a qu’une seule source: le Soleil.
L’eau contenue dans le réservoir représentant la surface de la Planète correspond à l’énergie qui s’est accumulée en dessous d’elle. La pression de l’eau dans le bas de ce réservoir est une mesure de la température de surface.
L’eau contenue dans le réservoir représentant l’Atmosphère avec les GES représente l’énergie de photons qui y sont présents, ainsi que l’énergie cinétique de translation et de rotation/vibration de toutes les molécules de l’atmosphère. La pression de l’eau dans le bas de ce réservoir est une mesure de la température au pied de l’atmosphère.
Les sens des flux d’énergie sont indiqués par des flèches. Leurs intensités sont reprises dans les labels situés à côté des flèches. Les unités des flux sont arbitraires.
Le flux absorbé par la Planète, en provenance du Soleil, est égal à a.
Un flux de rétro-radiation de l’Atmosphère vers la Surface de la Planète, égal à r, a été représenté sur le schéma.
Vu que le système se comporte comme un système de deux vases communicants, on voit de suite que ce flux n’aura pas la moindre influence sur le niveau de l’eau dans les réservoirs. La température à la surface de la Planète et celle à la base de l’atmosphère demeureront égales et inchangées. Sa seule conséquence sera d’augmenter le flux d’énergie entre la surface de la Planète et l’atmosphère qui passera de a à a+r.
Les bilans énergétiques des réservoirs sont équilibrés. Ils reçoivent chacun un flux a+r et émettent un flux a+r.
Il est important de garder à l’esprit que les GES ne produisent aucune énergie au sein de l’atmosphère. Leurs molécules peuvent:
augmenter leur énergie de rotation/vibration en absorbant un photon de l’atmosphère.
diminuer leur énergie de rotation/vibration en émettant un photon dans l’atmosphère.
augmenter leur énergie de rotation/vibration en diminuant l’énergie cinétique de translation d’une molécule voisine à l’occasion d’un choc inélastique avec cette dernière.
diminuer leur énergie de rotation/vibration en augmentant l’énergie cinétique de translation d’une molécule voisine à l’occasion d’un choc inélastique avec cette dernière.
Du point de vue de l’atmosphère, le bilan énergétique de ces mécanismes est nul.
Les photons de rétro-radiation peuvent avoir été créés au sein de l’atmosphère, et ne seront généralement pas les mêmes que ceux qui ont été émis par la surface de la Planète. Ceci répond entièrement à l’objection faite par William Happer, et la comparaison avec la pluie reste valable. Il suffit de raisonner en terme d’énergie extraite et retournant vers deux réservoirs communicants.
3 Conclusions
Des mécanismes internes de transfert d’énergie entre la surface de la Planète et l’atmosphère ne peuvent en aucun cas modifier la température de surface. Ceci ne sera possible que si le rayonnement solaire incident et/ou l’albédo de la Planète varient.
Le nouveau schéma est équivalent au schéma précédent. La disposition des flux est différente, mais pas leurs valeurs, et les conclusions précédentes sont inchangées.
Il y a d’autres arguments qui montrent que les GES ne sont pas le bouton de contrôle du climat. Un calcul simple fondé sur des hypothèses réalistes permet de reconstituer les températures observées sans devoir recourir à un hypothétique effet de serre. Vous le trouverez ici.
Une liste d’arguments contre l’action des GES sur le climat se trouve ici.
Le modèle d’un récipient percé qui est alimenté en eau peut sembler très naïf. En réalité, il est très pertinent. L’équation différentielle de son modèle est la même que celle d’un modèle thermique simple du climat en chaque point de la Planète. C’est expliqué ici.
Une liste d’arguments qui montrent l’impact du Soleil sur le climat se trouve ici.