Geologie

Effet de Serre, Forçage radiatif : Confusions et hyper simplifications. Par Pierre Beslu Table des matières 1 Effet de Serre, Forçage radiatif  1 2 Première étape : Une terre réduite à sa lithosphère 3 3 Deuxième étape : l' « effet de serre » facteur d'homogénéité ou non ? 5 4 Troisième étape : l'atmosphère 6 4.1 L'atmosphère sans GES 6 4.2 L'atmosphère avec vapeur d'eau 7 5 Quatrième étape : La Thermosphère ou la terre réelle 11 5.1 Et les océans ? 14 6 Conclusion 14 7 ANNEXES 16 7.1 Température moyenne et effective de la terre 16 7.2 Vérification du calcul standard 18 7.3 L'atmosphère 21 7.3.1 Le Cas de Vénus 22 7.4 Forçage radiatif : Quantification 24 1 Effet de Serre, Forçage radiatif  « L'effet de serre existe et heureusement car grâce à lui, on ne se gèle pas sur terre puisqu'il réchauffe l'ensemble de la terre de 33°C, faisant passer sa température moyenne de -18 à +15°C». Une telle allégation est prononcée très souvent aussi bien par les carbocentristes que par les climatosceptiques. Et après une telle affirmation basée sur des calculs sur lesquels nous allons revenir, le commun des mortels non spécialiste ou même le scientifique pressé ne peuvent qu'opiner du chef et conclure : « Ce que le GIEC appelle « l'effet de serre » ou plutôt « le forçage radiatif » dû au Gaz à effet de serre (GES) existe ». Si je fais ce distinguo entre ces deux, termes, c'est qu'il y a déjà ici une première confusion. Dans une serre (en verre) ce n'est pas (ou si peu) « le piégeage » des rayonnements à ondes longues (IR) par le verre de la serre qui est responsable de la température plus chaude qui règne dans la serre mais le fait que l'air de l'intérieur de la serre n'échange plus (ou très peu) avec l'air froid de l'extérieur. L'effet de serre proprement dit a donc très peu à voir avec l'émission et la réémission des rayonnements infrarouges. En revanche, le forçage radiatif signifie bien la conséquence du blocage des infrarouges (IR) par les gaz à effet de serre et leur réémission vers le sol. Grâce à ce dernier, nous affirme-t-on à longueur de temps, la vie sur terre est agréable sauf dans les régions extrêmes comme celles situées près des pôles ou dans les déserts. L' « effet de serre radiatif » est en quelque sorte une « une grâce originelle » qui a été finement réglée et qu'il ne faut pas perturber. La température de -18°C, température calculée dont le détail du calcul est donné en annexe (§7.1), résulte de l'égalité entre le flux de rayonnement en provenance du soleil et de l'émission du flux de rayonnement Infrarouge qu'émettrait un corps gris ou noir possédant les caractéristiques de la terre (distance au soleil, diamètre, albédo..). En revanche, la température moyenne globale de la terre (+15°C), même si elle est traitée, corrigée, contestable et contestée, dérive de mesures. Il serait déjà judicieux de se rappeler ici que l'émission de rayonnement dépend de la température et non l'inverse. Pourtant le postulat est que les échanges de chaleur entre le sol terrestre et l'espace ne sont que radiatifs et donc que l'équilibre radiatif au niveau du sol terrestre régit la température de celui-ci. Il faut aussi noter et préciser que dans cette comparaison (des -18°C avec les 15°C) à la quelle tout le monde se réfère, on confond température effective et température moyenne comme nous le montrons en Annexe au §7.1, à la suite de Gerlich et Tscheuschner1. Pour ne pas tout compliquer, nous considérerons cependant que la température effective de la terre parce que la distribution de température est assez homogène (grâce au mouvement de convection de l'atmosphère et à l'inertie des océans), ne s'écarte pas trop des 15°C et nous conserverons, sauf mention spéciale, pour les calculs et les exemples cette valeur. D'après le GIEC donc, la différence entre les 15°C estimés pour la température moyenne/effective de notre terre et la température effective calculée de -18°C, s'explique par un « effet de serre/forçage radiatif» créé par les GES de l'atmosphère terrestre. A la température de 15°C, le sol de la Terre évacue, par rayonnement, selon la loi de Stephan-Boltzmann une puissance par unité de surface (un flux) de 390 w/m2. La différence entre cette puissance rayonnée par le sol et celle arrivant sur le même sol en provenance du soleil (240w/m2) est de 150w/m2. Ces 150w/m2, disent les défenseurs du GIEC, sont produits par le rayonnement infrarouge réémis par les GES (et les nuages) après absorption du rayonnement thermique émis par la terre également sous forme d'infrarouge. Ils baptisent l'ensemble du processus « effet de serre » mais nous le désignerons désormais -sauf exception- sous le vocable de « forçage radiatif ». Ce terme ne comporte, en effet, pas la même ambiguïté que l'effet de serre et l'expression forçage fait bien apparaître son caractère artificiel. En revanche, par commodité et habitude nous conserverons le terme GES pour désigner la vapeur d'eau, le gaz carbonique et le méthane. Ces 150 W/m2 représentent donc la valeur du forçage radiatif résultant de l'effet de tous les GES présents dans l'atmosphère. D'ailleurs, ajoutent les carbocentristes, cela est corroboré par le rapport N°25 de l'Académie des sciences qui rapporte les mesures effectuées par les satellites ERBE qui donnent 160w/m2 (donc proche des 150 w/m2) pour l'effet de serre total, dont 100w/m2 pour l'eau et 30w/m2 pour la vapeur d'eau condensée dans les nuages et donc 30 w/m2 pour les autres GES c'est-à-dire principalement le gaz carbonique2. Remarque n°1 : On peut s'étonner que le GIEC trouve tolérable une différence de 10 w/m2 (150 au lieu de 160 w/m2, lui qui attribue dans son rapport de 2007, au forçage radiatif une valeur de 3,7 W/m2 sur la quelle il va faire reposer toute l'augmentation des températures dans le futur. Remarque n°2 : une différence de 160 w/m2 correspond à une température effective de la terre de 17°C que j'estime (voir annexe) plus probable et qui est donc bien, légèrement différente de la température moyenne de 15°C. Quoi qu'il en soit, il est facile et tentant de suggérer que ce surplus d'énergie rayonnante (150 ou 160w/m2) aura pour effet d'augmenter toutes les températures et donc la température du sol. Un point qui semblerait donc confirmer la thèse du GIEC En fait, dans cette démarche, on brûle les étapes et on se trompe, in fine, complètement. Le forçage radiatif n'est pas à l'origine du surplus de température de 33°C et encore moins du fait de la terre soit une planète presque partout accueillante pour les êtres vivants. Nous allons pour le montrer, reprendre, ci après, les choses progressivement. 2 Première étape : Une terre réduite à sa lithosphère Le corps céleste qui, ci-dessus, est l'objet du calcul aboutissant à la température effective de -18°C, est non seulement sans GES mais sans atmosphère et on peut ajouter, sans océan. Ce n'est donc pas la terre actuelle ni la terre passée. Ce serait une terre qui ne comporterait que la lithosphère. On verra plus loin que ce point est très important par les différences que cela implique, mais considérons que c'est là notre première étape : Comparer la terre réelle (avec une température effective voisine de 15°C) et une planète « morte » fictive située à la même distance du soleil sans atmosphère ni océan. Notons d'abord que la réflectance de la terre, c'est-à-dire la proportion de lumière et d'énergie qu'elle renvoie dans l'espace est liée principalement à la présence d'eau via les nuages, les espaces enneigés ou glacés. Une terre réduite à sa lithosphère donc sans eau et aura en toute rigueur un albédo ou une réflectance plus faible qui a toutes les chances d'être voisine de celle attribuée à la lune. On voit déjà que le calcul conduisant à -18°C pose problème car le même calcul avec un albédo moyen de 7% (celui de la lune) au lieu de 30% conduit à une température effective de 0,6°C au lieu de -18 °C3. On peut faire le reproche que tout ce qui précède est basé sur des calculs. C'est vrai et cela peut gêner certains, soit parce que, étant non scientifiques, ils préfèreraient des mesures soit parce que se posant des questions sur la loi de Stephan-Boltzman ou de son application (ambigüité ou confusion entre température moyenne et effective, la non prise en compte de la rotation des planètes sur elle-même etc.), ils préfèreraient des observations. Un moyen autre que les calculs, très utilisé en physique appliquée, serait de disposer d'une maquette sur laquelle on pourrait faire des mesures de température. V?ux pieux, me direz-vous. Et bien non, cette « maquette », existe et c'est justement la lune. Elle est certes plus petite que la terre comme souvent les maquettes et est quelquefois un tout petit peu plus proche ou un petit peu plus éloignée du soleil mais en moyenne à la même distance de celui-ci. On peut alors grâce à la lune, d'abord vérifier le bien fondé de la loi de Stefan-Boltzman (utilisée plus haut) en calculant la température à l'équateur de la surface éclairée perpendiculairement par le soleil et la température maximale observée environ +123°C  ; l'accord est parfait comme montré en Annexe au §7.2. Mais l'exemple de la lune qui est bien représentative d'une planète réduite à sa lithosphère montre aussi l'écart de température qui existe entre sa surface éclairée (?+100 °C) et sa surface dans la nuit dont la température est en moyenne de -153°C et peut même localement descendre en dessous de -230°C. Ces différences révèlent et confirment que parler de température moyenne4 ou effective n'a pas grand sens pour un humain. En effet, 0,6 °C est une température vivable ce qui n'est plus le cas des températures voisines et parfois supérieures à 100 °C qui règnent sur une grande partie de la surface éclairée ou les -153°C de la nuit lunaire. Les températures très basses (jusqu'à -233°C) observées sur la face de la lune non éclairée tient au fait que le jour lunaire dure 28 jours et la lune tournant lentement sur elle-même, les deux faces peuvent être considérées comme quasiment indépendantes thermiquement, caractéristique qui rend le calcul de Stephan Boltzman justifié et applicable sans trop de réserve. Les calculs concernant la terre conduisant au -18°C ou au 0,6 °C ne prennent pas en compte bien sûr cette rotation et tout se passe comme si la planète étudiée, censée représentée la terre, offrait toujours la même surface au soleil. Pour être exact dans le calcul concernant notre « lithoterre », il faudrait tenir compte à la fois de sa vitesse de rotation plus rapide et de sa chaleur interne. Néanmoins, il ne s'agit là que de corrections secondaires pour ce qui nous occupe et la surface non éclairée d'une terre réduite à sa lithosphère sera plus chaude certes que celle de la lune mais restera très froide. Quand à la surface éclairée, les températures seront très voisines de celles observée sur la lune donc très chaude. Dans la suite, pour s'affranchir de ces conditions particulières comme la rotation de la terre, on s'en tiendra à la seule surface éclairée et aux régions polaires plongées dans la nuit hivernale pendant des durées de plusieurs jours et pouvant atteindre plusieurs semaines  La température effective de la surface éclairée par le soleil d'une terre réduite à sa lithosphère sera alors de 52,4 °C et sa température moyenne sera de 36,5°C. Mais là encore, même en ne considérant la seule surface au soleil, on peut s'apercevoir que parler de température moyenne ou effective n'a toujours pas grand sens pour un humain. En effet, 30, 15 °C sont des températures vivables et même agréables mais on peut voir dans le tableau de l'annexe au § 7.2 que dans la « réalité », la majeure partie de la surface éclairée de la planète possédera des températures voisines de 90 °C pendant une bonne partie de la journée pouvant même à midi sous les tropiques être supérieures à 110°C. Dans le même temps, les régions polaires plongées dans la nuit auront, elles des températures voisines de celles relevées sur la surface non éclairée de la lune qui rappelons le sont en moyenne de -153°C. Il résulte des calculs aussi bien que de l'observation de la lune que sur une terre réduite à sa lithosphère, on grillerait l'été le jour et on serait congelé l'hiver et la nuit et cela malgré des températures moyennes sympathiques. Et, sur un plan thermique à moins de migrer sans cesse, vivre sur une telle planète n'est pas envisageable. 3 Deuxième étape : l' « effet de serre » facteur d'homogénéité ou non ? Nous allons voir maintenant si le « forçage radiatif » -pour ne pas dire l'effet de serre- peut arranger les choses, idée qui transparaît implicitement dans l'affirmation générale presque consensuelle du chapitre 1. Nous allons donc étudier le cas de la planète précédente (la terre réduite à sa lithosphère) que nous allons entourer, en altitude d'une mince couche absorbante possédant deux fonctions : 1) Réfléchir 30% de la lumière solaire afin que la planète reçoive le même flux lumineux que notre terre. L'ensemble aura alors le même Albédo que notre terre actuelle soit 30% ce qui facilitera les comparaisons. 2) Et surtout d'avoir le même rôle qualitatif et quantitatif que celui attribué aux GES de notre terre: c'est-à-dire d'absorber le rayonnement thermique émis par le sol sous forme d'IR et de les réémettre dans toutes les directions. En termes d'intensité de rayonnement ou de flux d'énergie, cela revient à dire que lorsque le sol de la terre émet 390 w/m2, 240 environ sont transmis dans l'espace et 150 w/m2 réfléchis par la couche barrière. Une telle couche assure donc au système une transmittance d'environ 61,5 %. Dans de telle conditions, il est évident que plus le sol sera chaud plus les flux d'énergie émis et réémis seront élevés. Le fait que nous ayons posé que cette couche soit mince permet d'utiliser sans restriction, la loi de Stephan-Boltzmann Nous avons, pour effectuer ces calculs, attribué aux IR émis par le sol, une transmittance de 61,5% qui pour un éclairement de 240 w/m2 correspond bien à un « renvoi » par les GES de 150 w/m2 vers le sol ce qui est en accord avec les données du GIEC. Les résultats sont rapportés sur le tableau 1. Les températures maximales et minimales les plus courantes sur notre globe, en février 2011, publiées journellement par Météo France sont, en général de +38°C et de -52°C. Les températures calculées avec forçage radiatif paraissent donc toutes « hors course » même près du 45ème parallèle lors du solstice d'hiver bien qu'une température de 27°C, ait été relevée en Décembre 1985, à Pau -Latitude 43,39°). Elles sont totalement irréalistes l'été, même près du 60ème parallèle (Oslo). Au Nord du cercle polaire pour les surfaces qui restent sans soleil plusieurs semaines, l'effet de Serre calculé comme précédemment augmenterait la température d'environ 15°C ce qui conduirait à avoir dans cette zone des température autour de -137 °C. Or le record de froid relevé sur la terre est lui de -89 °C. Tableau 1 Température locale sur la surface de la terre calculée par la loi de Stephan sans effet par temps clair au soleil, sans et avec effet de serre. Lieu Moment Température Maximale Moyenne journalière du lever au coucher du soleil Température sans effet de Serre °C Température avec effet de serre °C Température sans effet de Serre °C Température avec effet de serre °C Equateur Equinoxe 87 129 65,85 109,6 Région tempérée (45éme //) Solstice d'été 81 126 60 ...