La Terre est une planète – pas une serre !

La présente étude, sur les mécanismes physiques de l’atmosphère, est destinée au public francophone le plus vaste possible, intéressé par l’effet de serre. Cet effet est attribué depuis quelques décennies au CO2, entre autres gaz, et concernerait toute la Planète; une vérification simple, en physique, montre que c’était une profonde erreur …

Documentation indispensable

 § Température selon l’altitude

2018-07-25-terre-atmos

Schéma mesuré en France

§ Pression selon l’altitude

2018-07-25-terre-press

Source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Altimètre  Schéma mesuré en France

§ Fenêtres optiques atmosphériques

2018-07-25-terre-transpar

 Source: NASA

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Suivre une ligne sûre. Dans nombre de schémas que j’ai vus en climatologie, on y trouve souvent présentés en W/m2 de la même façon les flux de rayonnements ou les flux de chaleur – c’est peut-être pourquoi a émergé l’idée du principe de l’effet de serre, loin de la thermodynamique. La complexité des descriptions fait perdre de vue la grande ligne à suivre, pour les comprendre et les vérifier. L’idée est ici de simplifier au maximum le modèle très général du climat, en détaillant le rôle décisif de notre source de chaleur et de lumière: le Soleil. Comme il s’agit aussi d’éclaircir le rôle des gaz dits « à effet de serre » (constitués de molécules de plus de 2 atomes, au spectre d’absorption/émission infrarouge IR très étendu, alias ici « gaz à grosses molécules »), on va se limiter ici à prendre des instantanés de fonctionnement d’une colonne atmosphérique à midi.

Limitation de l’étude; on ne va considérer que la portion de l’atmosphère qui nous concerne directement: la troposphère, dont le sommet, la tropopause, est en général vers la température de -55°C, avec un gradient linéaire connu de l’ordre de -0.65°C par 100 mètres d’altitude croissante depuis le sol (aux latitudes de l’Europe !): c’est un phénomène connu depuis longtemps, qui représente une moyenne d’un transfert de chaleur, de source chaude vers source froide. C’est aussi dans cette zone qu’on trouve la plupart des phénomènes de la météo courante. La troposphère est la zone où la densité de l’air est dans le domaine de validité de la loi des gaz parfaits (P x V) / T = constante.

On ne tiendra ici pas compte des bilans énergétiques, des accumulations faites sous forme de chaleur (transformations de phases de l’eau, ou d’eau chaude, ou d’eau très froide, ou de glace), sous forme de remplissage d’eau des barrages ou sous forme de chimie de la vie (photosynthèse et ses suites); ces accumulations introduisent des délais de réactions du climat; on devrait parfois aussi tenir compte des productions de chaleur venue du sol (volcanisme). Comme les accumulateurs sont aussi bien capables d’absorber de gigantesques quantités de chaleur et d’énergie, que d’en restituer, on les exclut de la présente étude – dans la mesure où leurs mécanismes sont indépendants des gaz à grosses molécules.     

Définitions:

1) Le climat local est la distribution statistique des conditions de l’atmosphère terrestre dans une région donnée pendant une période donnée.

2) Le climat terrestre global est la synthèse de tous les climats locaux; il résulte de la situation astronomique de la Terre, de la présence à la surface de grandes quantités d’eau dans ses états vapeur, liquide (71% de la surface sont des océans) et solide (glaciers et calottes), ainsi que de la présence de sols, le tout couvert d’une atmosphère faite d’un mélange de gaz parfaits.

§ Le soleil chauffe le sol: la source chaude. La source d’énergie principale qui détermine le climat terrestre est le rayonnement solaire, mélange plus ou moins stable de photons et de particules venant de notre étoile à ~150 millions de km; il existe d’autres sources de l’espace, minuscules, comme la Lune. Une partie de ce rayonnement parvient jusqu’au sol, par les fenêtres optiques atmosphériques (ou par les variations de champ électromagnétique).

Les photons absorbés par les objets du sol sont transformés en chaleur, qui va être communiquée aux gaz en contact immédiat avec le sol; le plus souvent, ce processus va entraîner beaucoup de turbulence … Parmi les rayonnements parvenus jusqu’au sol, ne se trouvent que très peu d’IR, l’atmosphère y étant opaque.

Nous avons ainsi identifié (en thermodynamique) la principale source chaude du modèle général: les effets au sol du Soleil.

§ L’espace absorbe toute l’énergie fournie par la Terre: la source froide. Selon la loi de conservation de l’énergie, la totalité de cette énergie entrante doit, soit être accumulée, soit repartir vers l’espace. La température T vers le sol (en °K, température de l’air, mesurée dans les conditions standard de stations de météorologie en °C+273.15), va être déterminée par la loi des gaz parfaits (loi bien vérifiée tant que la pression se trouve dans son domaine de validité, ce qui est le cas vers ~ 1 atm, plus de 1000 hPa). A noter qu’au-dessus de la tropopause, cette loi des gaz parfaits ne s’applique plus (pression de l’ordre de 220 hPa). A la tropopause, les photons qui repartent vers l’espace – énergie provenant du sol surtout par conduction thermique et par mouvements de  l’air, après traversée de l’atmosphère vers le haut – sont surtout de l’IR (délestage de chaleur, énergie de haute entropie donc, de gaz raréfiés, par rayonnements de très basse énergie).

Parce que l’atmosphère est largement opaque aux IR, le sol ne peut les recevoir qu’à courte distance. C’est ainsi que la Terre se débarrasse de l’énergie entrée ou de l’énergie tirée des accumulateurs, transformée en chaleur au sol, naturellement ou artificiellement. Ainsi est identifiée (en thermodynamique) la source froide du modèle général: l’espace, dans toutes les directions autres que celle du Soleil.

Remarque. Tout physicien qui se respecte trouvera le concept d’ « effet de serre » suspect: ce serait une portion de zone de la troposphère qui cèderait de sa chaleur par rayonnement au sol, donc à la zone la plus chaude de la troposphère, la source chaude … On peut imaginer un débit de chaleur vers le haut de la troposphère, variable selon la richesse du mélange de CO2 à l’air – cela reste à quantifier – mais aucune augmentation de température moyenne de la source chaude n’est possible en thermodynamique. Le flux des pertes de chaleur de la Terre vers l’espace ne sera pas touché par une modification du mélange de gaz parfaits, pas plus que le flux solaire vers la source chaude, ni la température qui en résulte au sol.

§ Perturbateurs de flux solaire. On observe des processus mettant en jeu des matières à présence non continue, dans l’atmosphère, jouant le rôle d’écrans, d’absorbeurs, de diffuseurs optiques ou de miroirs semi-transparents, pouvant changer d’état (eau sous formes non-vapeur, poussières ou cristaux, particules fines, brumes, nuages de gouttes d’eau ou d’acide sulfurique du volcanisme): leur présence modifie, affaiblit surtout, les rayonnements entrants, donc surtout la source chaude. Avec les nuages de gouttes, on observe un effet de ralentissement du flux de chaleur vers l’espace, pour autant que leur présence soit temporaire la nuit … car alors le jour le flux entrant est aussi ralenti.

Les autres interventions majeures sur la source chaude à considérer sont les changements de propriétés d’absorption par le sol de la lumière: il suffit que le sol se couvre de végétaux ou change de couleur, ou dans une région très habitée, par un bétonnage ou un goudronnage importants.

§ Pour vérification, un exemple

On aurait pu observer en 1818 – avec un appareillage comme celui de 2018 ! – dans un lieu désertique de l’hémisphère Nord, un volume V, à pression P=1013.25 hPa (=1 atm) du mélange d’air du lieu (78.084% d’azote, 20.946% d’oxygène, 0.934% d’argon, sans humidité et 280 ppmv de CO2; on néglige les 0.008 % des autres traces); on aurait mesuré à midi vers le solstice d’été une température T de l’air de 320.73 °K ±0.01°K (47.58°C), avec le soleil irradiant ce sol de 1000 W/m2 en UV et lumière visible: donc le coefficient d’absorption local du rayonnement solaire aurait été (par calcul, utilisant la loi de Stefan-Boltzmann et sa constante du même nom 5.67×10-8), de ~ 60%. Pourquoi choisir midi, le jour le plus chaud de l’année ? Pour que tous les effets thermiques principaux et tous les effets secondaires se manifestent.

Dans le même lieu désertique, physiquement inchangé, à la même heure au solstice d’été de l’année 2018, le mélange contient maintenant 412 ppmv de CO2 (ajout de 132 ppmv, qui ont remplacé autant d’oxygène), mais le CO2 est aussi un gaz parfait. Que devient T ? Avec un appareillage tout aussi précis, on observe 320.73 °K, température imposée par la source chaude et par les 600 W/m2 de chaleur inchangés, à évacuer par les gaz parfaits de l’atmosphère locale.

Remarque. Les gaz à grosses molécules ne peuvent que diminuer et non augmenter le flux solaire entrant: comme effet sur les fenêtres optiques atmosphériques, il y a interception des IR.

S’il y avait réchauffement , par exemple à 322 °K, c’est que la source chaude aurait changé et que l’on aurait affaire à 1016 W/m2 comme apport au sol, avec 60% de coefficient d’absorption inchangé – ou à un changement dans le paysage, coefficient d’absorption par le sol (apport solaire de 1000 W/m2 inchangé) modifié en 60.955%; on peut aussi avoir affaire aux deux sortes de modifications à la fois, chacune plus minime évidemment. Donc pour provoquer un réchauffement local, de très minimes modifications du flux solaire ou du paysage suffisent; cela ouvre des pistes sur ses causes en pays civilisés !

§ Soulagements, déceptions et travaux scientifiques futurs

1. L’humanité est peut-être responsable de réchauffements climatiques régionaux, mais très vraisemblablement, elle est beaucoup trop insignifiante, sur la vaste Terre, pour influencer le climat global. Ce ne sont pas ses 132 ppmv de CO2 qui vont réussir à le perturber.

2. Echapper à la prochaine glaciation aurait été merveilleux, si les gaz à grosses molécules, dont le CO2, avaient bien un effet de réchauffement climatique; 15’000 fois hélas, ce n’est pas le cas: il faudra que l’humanité s’adapte pour survivre … Illustration: une seule très grosse éruption volcanique, comme celle du super-volcan de Toba, a libéré en une fois il y a ~ 73’000 ans des quantités monstrueuses de CO2 (dégazage de 2800 km3 d’équivalents de roches + 800 km3 de cendres dispersées): une fois passés les effets des poussières et des nuages d’acide sulfurique, le CO2 n’a pas eu d’effet de frein sur la glaciation Würm … A l’époque, presque toute l’humanité a péri.

3. Il faut trouver maintenant par quels phénomènes physiques réels un réchauffement observé, par exemple en Suisse, est provoqué: il y a du pain sur la planche pour les physiciens, les météorologues et les climatologues.

Conclusion scientifique

La vérification en physique, d’un allégué effet de serre (provoqué par des traces de gaz à grosses molécules dans l’atmosphère, dont le CO2) sur le climat, aboutit à un non-sens thermodynamique. 

Bibliographie 

§ Météo de base      http://www.wikidelta.com/images/pdf/meteorologie-cours-de-base-deltaplane-avion-planeur-parapente.pdf   

NB: Wikidelta est un site suisse bénévole créé en 2008 par Nicolas Vuille avec comme objectif de réunir le plus d’infos possible concernant le deltaplane …

§ Cours de météorologie – ENPC  de David Pollack (INP Toulouse, ENM Météo France), mars 2013      http://cerea.enpc.fr/fich/support_cours/POLU1_2012-2013/ENPC_CH01_portrait_atm.pdf      

   Extrait de ce cours, détail important à propos des IR:  2018-08-22-ir

§   http://pascal.sca.uqam.ca/~sca5002/Presentations/1.Thermodynamique/01-ThermoLoi0.pdf    (SCA.UQAM: Université du Québec à Montréal, Groupe des Sciences de l’Atmosphère )

§   http://www.lmd.jussieu.fr/%7Ejldufres/exposes.html   de Pr. Dufresne  (LMD.JUSSIEU: Laboratoire de Météorologie Dynamique, Ecole polytechnique et universités)   … dont l’exposé du cours donné à l’Ecole des Mines de Rabat (2017), pour ses données:

        Température de surface d’une planète, échange radiatif et effet de serre    

        Profil vertical et thermodynamique de l’atmosphère   

§   Le CO2 redevient vital et sans effet de serre  

André Bovay-Rohr, Colombier-sur-Morges (VD, Suisse), le 25 juillet 2018

rév. 27.7.2018, rév. 17.8.2018, rév. 22.8.2018

Compléments d’article

Il faut rappeler que « la chaleur monte » parce qu’un volume de gaz parfait, plus chaud que celui du milieu où il se trouve, est plus léger: il est soumis à une poussée d’Archimède. En effet, l’équation des gaz parfaits peut aussi s’écrire: P x V = constante x T. Donc à une altitude donnée dans la troposphère (la pression P étant imposée), une bulle de gaz chaud va monter, car le volume V est proportionnel à la température T, va donc augmenter … C’est bien ce qu’on observe lors de la formation d’un cumulus ou lors de l’explosion accidentelle d’une quantité de gaz naturel; les pilotes de planeurs appellent une colonne d’air chaud une « pompe », qu’ils utilisent aussi bien que le font les grands oiseaux pour prendre de l’altitude. Une zone de la troposphère, chauffée par absorption de rayonnements IR (à cause de gaz à grosses molécules, par exemple) va être débarrassée de son énergie à la fois par gain d’altitude et par conduction. C’est ce qui se passe en partie, avec les rayonnements ne parvenant pas jusqu’au sol.

Périodiquement, le climat présente des crises de réchauffement naturelles, connues des climatologues: c’est une piste pour expliquer le réchauffement actuel, le CO2 n’y étant manifestement pour pas grand-chose! Voir                                                  Evénements de Dansgaard-Oeschger  et leurs semblables de l’Holocène.

André Bovay-Rohr, Colombier-sur-Morges (VD, Suisse), le 9 août 2018

Lettre de lecteur dans 24Heures du 16 août 2018, envoyée par courriel; les données en rouge ont été supprimées, celles en orange, rajoutées par la Rédaction.    [l’éditeur] Titre: 

Climat mal compris – CO2 sans effet de serre  

Madame la Rédactrice, 

La présente fait suite à l’article paru le 11 août 2018 en page 4, sous le titre « Les verts veulent lancer une offensive sur le climat ». 

Des travaux scientifiques en profondeur ont révélé que l’influence humaine sur le climat global est des plus incertaines: le CO2 n’a pas d’effet de serre, pas plus que le gaz naturel … Il ne sert donc à rien d’instaurer un régime de rigueur contre le CO2, sinon pour économiser de précieuses ressources énergétiques non renouvelables. Sans parler que les statistiques font douter d’un réchauffement climatique global: mais il y a en Suisse un indéniable réchauffement, comme en beaucoup d’autres régions. Chaque mesure prise, pour espérer faire face efficacement à des événements dangereux comme canicules ou inondations, doit être décidée ici, sans imaginer une influence humaine globale. 

Il y a plus ennuyeux: les parcs d’éoliennes en grandes quantités ont pour conséquences en aval chaleur accrue, sécheresse et smog accru – alors que leur production est faible et très chère. L’intervention des communes, des cantons et de la Confédération dans ce domaine est donc plus néfaste qu’utile … Les sources d’électricité comme photovoltaïque ou éolienne sont déstabilisatrices du réseau et coûtent des dizaines de fois plus que les autres: là aussi les subventions sont malsaines. 

La vérification en physique de l’aberration que représente le concept d’effet de serre a pris beaucoup de temps et était très difficile, j’en suis le premier désolé. Documentation sur le livre de bord internet (blog) «  Toutes les énergies ». 

André Bovay-Rohr, Colombier-sur-Morges (VD, Suisse), le 12 août 2018

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