Physique des rayonnements d’une bouillotte et de la chaleur qu’elle induit dans les gaz qui l’entourent; examen en thermodynamique et en Infrarouges (IR).
Introduction
L’existence d’un effet de serre du CO2 dans la troposphère ayant entraîné l’idée que l’humanité aurait une influence sur le climat global, l’objet des présentes recherches est de faire vérifier quelles sont – par la préparation d’expériences en physique classique et de calculs en physique quantique – les valeurs limites supérieures de l’intensité de ce phénomène, à l’échelle locale.
Il ne s’agit pas de faire de la climatologie, mais bien de retourner au laboratoire de physique et à l’ordinateur, pour travailler sur des valeurs mesurées ou calculées.
Expériences à l’échelle locale
Procurons-nous une bouteille géante de champagne, pour fêter le succès de l’entreprise: sa contenance est de 30 l. (c’est un Melchisédeck); à défaut, on peut utiliser des bouteilles plus modestes, comme un Magnum de 1.5 l ou une bouteille plus ordinaire sous la main (0.75 l). On pourra aussi employer une surface plate en verre, comme une face d’un grand aquarium, si l’on rechigne à estimer les effets de courbures. Chimiquement, le verre est très proche de beaucoup de roches, qui contiennent silicates, carbonates et traces de métaux qui donnent la couleur verte; ce matériau transparent à la lumière visible est cependant opaque aux “rayonnements infrarouges” (photons IR); ceux-ci nous sont invisibles, mais certains sont décelables par la peau comme “chaleur” (dans ce cas, comme la température de votre main est aux environs de 310 K, alias 37°C, avec un radiateur comme une bouillotte à 288 K vous ne détecterez RIEN, leur intensité étant trop faible).
Dans nos expériences, nous attendons de la bouillotte qu’elle émette des IR à sa surface comme une roche des continents le fait, à la température moyenne du Globe (288 K, alias 15°C): ce n’est pas la lampe qui est le plus important de l’expérience, mais d’une part le spectre IR qu’elle émet et d’autre part le comportement du gaz irradié.
Rappel de données (2019):
§ Définition en physique: un effet de serre est le résultat global du comportement en rayonnements, de gaz re-émettant une partie de l’énergie reçue, dans toutes les directions; c’est ce qu’on appelle le forçage radiatif. L’effet de serre du CO2 en troposphère serait donc le reflet d’un miroir semi-transparent, renvoyant une partie de l’énergie vers l’émetteur, vers sa source.
NB: On peut comparer le processus réel dans la troposphère à celui d’un isolant multi-couches, d’un édredon: en fait il ne peut pas y avoir d’effet de miroir IR dans un gaz à pareille densité, qui transforme (la discipline scientifique concernée est la physique quantique) à très forte probabilité les IR absorbés en chaleur, car faisant partie des spectres des molécules présentes dans l’air … Il faut alors appliquer à cette chaleur les lois de la thermodynamique, qui est de la physique classique.
§ L’air contient environ 413 ppmv (parties par million en volume) de CO2, soit environ une molécule sur 2’400, en 2020; le taux d’accroissement annuel est de l’ordre de 2.2 ppmv/an. Chaque molécule de CO2 peut émettre/absorber des centaines de milliers de raies IR.
§ A propos d’humidité, d’eau H2O: 1 m3 d’air pèse 1.292 kg (standard international au niveau de la mer). L’air à 15°C peut d’expérience contenir (à 100% d’humidité relative) au plus 10.5 g de vapeur d’eau par kg d’air, ce qui est l’humidité absolue dans ces conditions; documentation:
Source belge, lien: Energie+ au chapitre: L’humidité absolue
Proportion de la trace de vapeur d’eau maximale, estimée par calcul à 15°C et 100% d’humidité relative: dans l’hypothèse de première approximation, que toutes les molécules (de l’air et de l’eau en vapeur) occupent chacune le même volume – on a environ (rapport des masses)*(rapport inverse des masses molaires) à savoir au plus (10.5 g /1’292 g)* (28.965/18) = 0.013078 =~ 13’000 ppmv. Chaque molécule de H2O en vapeur peut émettre/absorber plus de 18’000 raies IR .
§ L’air contient environ 1.9 ppmv de méthane (CH4). Chaque molécule de CH4 peut émettre/absorber des centaines de milliers de raies IR.
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§ Faisons des expériences de physique avec une bouteille récupérée : on la remplit d’un caloporteur (dont on peut mesurer la température), pour assurer une grande inertie pendant les mesures; puis on s’arrange d’amener l’ensemble à 288 K; c’est devenu une bouillotte expérimentale, dont des dispositifs de refroidissement – cas du gaz environnant chaud – ou de chauffage – cas du gaz environnant froid – seront indispensables pour assurer la stabilité à 288 K.
Ce que vous avez fabriqué là est un peu froid pour être une bouillotte dans un lit – mais représente un assez bon modèle thermique moyen de la surface de roches des continents.
§ Attention que dans l’étude qui suit, il s’agit d’IR dans des gaz, et non pas du comportement dans ces gaz de gouttes, de cristaux ou de poussières, d’évaporation, de sublimation, de condensation, en un mot de nuages, où les mécanismes d’échanges de rayonnements et de chaleur sont très différents et entraînent une complexité de comportement observable beaucoup plus importante encore.
§ Si toute la chaleur présente à la surface de la bouillotte était fournie par des rayonnements, selon la loi de Stefan-Boltzmann, on trouverait comme puissance à fournir (ou émise) dans le vide pour assurer cette température au corps noir 390.0794 W/m2; le corps noir est en physique le meilleur émetteur/absorbeur possible; la chaleur locale (alias agitation thermique des molécules) est évacuée par les gaz de l’air ambiant, mauvais conducteurs de la chaleur, mais aussi émetteurs d’IR, dont le spectre est alors celui des gaz composant l’air à 288 K; donc c’est à cause de cette propriété d’isolation thermique relative de l’air, que l’évacuation (autre que les IR) vers l’espace est lente.
§ En mesurant ses IR, vous confirmerez que cette bouillotte à 288 K, baignant dans de l’air à pression atmosphérique courante, est un émetteur IR: le rayonnement en W/m2, se mesure de près avec un photomètre ou mieux avec un spectrophotomètre IR.
On pourra aussi observer avec une caméra thermique: en déterminant comment la bouillotte évacue sa chaleur autrement que par rayonnements (dans un air de laboratoire froid, par exemple à 0°C), on découvre qu’il en part par conduction (l’air est chauffé dans la couche-limite) et par convection (l’air plus chaud que celui de l’environnement monte, ce qui amplifie le contact à la couche-limite). On peut modifier la température de l’air entourant la bouillotte pour des tests, en restant à la pression du laboratoire: par exemple à 45°C ou à -52°C; pour conserver à la bouillotte ses 288 K, il faudra de quoi refroidir ou réchauffer le liquide qu’elle contient; on pourra ainsi tester s’il existe des IR faisant partie du spectre du CO2 (émis par la bouillotte) et mesurer quels IR re-émis par le gaz dans toutes les directions existent ; avec une concentration de 2’400 molécules d’air par rapport au gaz testé CO2 (c’est ~ la concentration actuelle), il y en aura, mais l’effet sera microscopique; en effet, chaque fois qu’un photon IR touche une molécule de CO2 et se fait absorber, elle sera donc excitée – mais elle ne pourra généralement rien re-émettre à une fréquence aussi ou plus élevée, car son énergie va être prélevée illico en partie par collisions avec la foule des molécules voisines (principalement azote N2, oxygène O2, argon Ar) … la densité de l’atmosphère du laboratoire est en effet très forte. De plus, à l’aide de spectrophotomètres, on pourra déterminer, soit en direction de la bouillotte, soit à l’opposé, le spectre des IR physiquement présents: une différence viendra du fait que la chaleur n’a pas dans un gaz à presque 15°C exactement le même comportement d’émissions d’IR qu’à la surface d’un solide (évidemment d’une autre composition chimique); mais un gaz à 15°C ne pourra pas dans cet échange modifier les 15°C de la couche-limite gaz-solide: c’est de la thermodynamique élémentaire; les quantités mesurées dans ces conditions, d’un éventuel “effet de serre” (de forçage radiatif), sont dans l’ordre de grandeur de l’incertitude de mesure …
Refaire les expériences avec la surface de la bouillotte restructurée (couleur, texture), ou avec une bouillotte en partie très froide (et très chaude pour le reste), mais de température moyenne 288 K.
§ Ayant fini une série d’expériences avec la bouillotte, il faudra évidemment aussi mesurer à 288 K ce que fait en IR une surface d’eau de mer. Cela veut dire que l’on devra pouvoir travailler au laboratoire avec un appareillage mesurant une surface horizontale (l’air étant donc mesuré au-dessus, dans l’axe vertical).
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§ Calculs à toutes les échelles, à l’aide d’informatique.
On peut appliquer la loi simple de Beer-Lambert et utiliser la base de données HITRAN pour faire les calculs en physique quantique; tout ceci peut se traiter avec précision, c’est ce qu’a fait le Pr. Reinhart pour estimer un maximum de cette absorption des IR, par le CO2 atmosphérique en traces croissantes, près de la surface du Globe. La lampe IR choisie est la meilleure possible physiquement, le corps noir chauffé à 288 K: la véritable lampe IR que représente le Globe est évidemment moins intense. Vers la surface (l’endroit où le flux IR est maximal, supposé venir d’une lampe IR idéale de 390 W/m2), l’augmentation d’absorption des IR par le CO2, passant de 280 ppmv (parties par million en volume) à 400 ppmv de concentration entraîne une augmentation de température locale (calculée) de l’air inférieure à 0.12 K; c’est le plafond de la contribution des IR de la bouillotte au transfert d’énergie entre bouillotte et air voisin, par interaction des IR avec le CO2 actuellement présent dans l’atmosphère; la lampe IR réelle étant moins intense que le corps noir, l’interaction, source de cette augmentation de température locale, est encore plus petite.
En passant de 400 ppmv à 800 ppmv, le Pr. Reinhart a trouvé que l’augmentation de température calculée serait inférieure à 0.24 K; qu’en poussant la concentration de 400 ppmv à 4’000 ppmv de CO2 dans l’atmosphère – au rythme actuel de nos émissions il y faudrait plus de 1’600 ans et il faudrait supposer qu’aucun mécanisme naturel ne vienne absorber le CO2 supplémentaire – l’échauffement calculé serait inférieur à 0.8 K.
Finalement, on peut calculer ce qui nous attend dans 10, 30, 70 ou 100 ans; en 100 ans et au rythme d’augmentation actuel, on aura atteint un peu plus de 630 ppmv de CO2 dans l’atmosphère; l’échauffement qu’on peut en attendre est estimé inférieur à 0.2 °C.
Foi d’expérimentateur et foi de physicien au sortir de ces calculs, il n’y a, avec la meilleure lampe IR possible à 288 K, pas les conditions réunies pour obtenir, avec de l’air contenant la trace de CO2 actuelle ou dans un siècle, un effet de serre par forçage radiatif … a fortiori, avec les IR réels du sol ou de la mer, elles sont encore moins réunies.
§ Conclusions des observations et calculs à petite échelle; l’évacuation de chaleur est composée de la somme énergétique de trois mécanismes: de conduction (transmission de chaleur par contact dans la couche limite solide-gaz, puis départ en respectant la loi des gaz parfaits, dans de l’air calme), de convection (air en mouvements) et d’IR; l’effet local sur l’air des IR – moins de 0.1 K d’échauffement (par absorption par le CO2, donc ordre de grandeur 0.1°C) – est assez faible pour qu’on puisse en pratique exclure un effet de serre comme il est défini, mesurable et qui serait directement dû au CO2 localement. Les mêmes raisonnements s’appliquent aux autres traces encore plus minimes de gaz à molécules de plus de deux atomes (aux spectres IR très riches, comme par exemple le gaz méthane CH4).
§ La température à la surface du Globe est déterminée par la vitesse d’évacuation de l’énergie incidente: les IR vont à la vitesse de la lumière, mais ils sont absorbés par la basse atmosphère et transformés en chaleur, ce qui va empêcher un retour d’importance de rayonnements de même niveau énergétique au Globe émetteur; mélangée aux autres sources de chaleur, son évasion vers l’espace est lente (mauvaise conduction de la chaleur par les gaz: c’est tout bonnement un isolant) et donc la température locale est en moyenne bien plus élevée que sans atmosphère (par exemple comme sur la Lune). C’est la faible conduction de l’air qui va déterminer la basse vitesse d’évacuation de chaleur et ce paramètre se calcule, connaissant le facteur de conduction de chaque gaz; mais il est actuellement très faiblement influencé, par la concentration en traces de l’ordre de 1/2’400 du CO2, ou de 1/526’000 de CH4 dans l’atmosphère, par exemple. Augmenter au double la trace de CO2 ne va changer que de l’ordre de 0.4‰ son influence sur la conduction de l’air.
Le rôle de l’eau, sous forme de vapeur jusqu’à ~ 31 fois plus abondante que le CO2, est à part, avec sa faculté de fabriquer facilement des nuages de gouttes ou de cristaux et donc de disparaître (par condensation) ou apparaître sous forme vapeur (par évaporation ou sublimation), avec d’énormes transferts de chaleur à chaque conversion.
Conclusion: la température générale du gaz n’est en pratique pas modifiée physiquement par la présence de traces de CO2, CH4 ou autres gaz à plus de 2 atomes/molécule dans l’atmosphère dense; ces traces sont importantes pour piéger les IR dans la masse de l’atmosphère sur des Km (quelle que soit leur direction de provenance), mais leur influence locale est microscopique … est à la limite du mesurable.
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§ Dans la stratosphère et au-dessus, c’est une autre histoire: l’énergie parvenue à la surface du Globe et absorbée (transformée en chaleur) y sera presque totalement renvoyée vers l’espace, où il n’y a pratiquement plus de gaz permettant de définir une température, donc plus de matière support de la chaleur:
– L’énergie, évacuée en troposphère sous forme de chaleur, est transformée donc à très haute altitude dans la stratosphère, et se propage dans le vide encore plus loin, sous la forme d’IR de très basses fréquences (leur vitesse est celle de la lumière), dont le spectre permet de reconnaître tous les corps chimiques présents dans l’atmosphère et ayant participé à leur émission …
– Effet de serre venant de la stratosphère ou au-dessus; la plupart des rayonnements IR (ne faisant pas partie de la fenêtre optique, comme l’ont constaté à leur grand regret les physiciens intéressés par les IR en astrophysique) seront interceptés par l’atmosphère à plus haute densité – tout comme ceux venus de l’espace – donc en pratique sans effet mesurable sur la température dans la basse troposphère.
Conclusion finale
Par le calcul, on découvre que le forçage radiatif, obtenu par la présence de gaz à plus de deux atomes par molécule et pourvus d’un très riche spectre IR, se dilue dans tout le volume de l’atmosphère à forte densité (troposphère) et qu’à la température moyenne du Globe internationalement admise de 288 K (alias 15°C) l’échauffement local à la surface du Globe obtenu ainsi est minuscule. Avec les autres gaz de l’atmosphère, ils participent au ralentissement de l’évasion de chaleur vers l’espace, mais dans une mesure très inférieure à ce qu’on croyait jusqu’ici: la variation du forçage radiatif dont ils sont responsables par leur variation de concentration doit être révisée, à l’aide de calculs informatisés en physique quantique et de mesures en physique classique au laboratoire.
En considérant les ordres de grandeurs déjà mis en évidence à cette date par les calculs en physique quantique: l’influence d’un effet de serre très au-delà de 0.1°C est invraisemblable, qui aurait été provoqué par les émissions anthropiques de CO2 des 150 dernières années. 30.6.2020, Rév. 9.9.2020
André Bovay-Rohr, Physicien
Reconnaissance de l’auteur
Je tiens à exprimer ma gratitude aux scientifiques de très haut niveau – Dr. Christophe De Reyff, Pr. Franz-Karl Reinhart et Pr. Pierre Jacquot – pour beaucoup de discussions très intéressantes, ainsi que pour la lecture critique du manuscrit.
Bibliographie
§ Pr. F. K. Reinhart, Infrared absorption of atmospheric carbon dioxide 2014, Rev. 2017
§ A. Bovay-Rohr Suggestion au GIEC: calculs à (re) faire sur CO2 et CH4 2020 – il est conseillé de lire tous les liens de documentation, ne serait-ce que du point de vue historique.
§ A. Bovay-Rohr Does a 288 K hot water bottle induce a measurable greenhouse effect? 2020
§ A. Bovay-Rohr Verursacht eine 288 K Wärme-Bett-Flasche einen messbaren Treibhauseffekt? 2020
Commentaires
§ Le 31 août 2020 à 14:36 «… Sur le fond, la bouillote expérimentale que vous imaginez s’inscrit dans la lignée des expériences d’Eunice Foote, de John Tyndall ou de Robert Wood, mais, contrairement à ceux-ci, vous posez correctement le problème et vous vous appuyez sur une instrumentation adéquate. Le tour de force tient à ce que vous proposez des expériences réelles, dont l’issue est tellement évidente qu’elles ne donnent même pas envie d’être effectuées. Ainsi, la bouillote d’André Bovay-Rohr s’apparente à une Gedankenexperiment, au même titre que le bain d’Archimède, la pomme de Newton, le démon de Maxwell, ou le chat de Schrödinger – foi de physicien!
Vous faites, à mon avis, une analyse pertinente de ce qui relève, dans cette question du CO2, de la thermodynamique, et ce qui revient à la physique quantique: l’activité quantique d’émission-absorption de ce gaz est certes considérable, mais ne se traduit pas par un réchauffement significatif de l’atmosphère; reste donc la thermodynamique, qui exclut un rôle particulier quelconque du CO2 par rapport à l’air. C’est limpide! …»
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