Nous avons récemment publié sur ce site la traduction de la première partie du « didacticiel » climatique fourni au juge fédéral W. Alsup par William Happer, S. Koonin, Richard Lindzen dans le cadre d’une action en justice lancée par deux villes de Californie contre cinq compagnies pétrolières (l’original du document est accessible en suivant ce lien).
Cette synthèse comporte une deuxième partie intitulée « Réponses à des questions particulières » qui comprend huit questions. Après avoir traduit la réponse aux questions 1 et 2, nous proposons ci-dessous la traduction des réponses aux questions 3, 4 et 5.
Question 3:
Quel est le mécanisme par lequel du rayonnement infrarouge absorbé par le CO2 de l’atmosphère est transformé en chaleur et revient au niveau de la mer
Les molécules de CO2 rayonnent fort lentement, il leur faut une seconde pour perdre leur énergie [NdT : de vibration rotation] en émettant un quantum de rayonnement infrarouge. Mais une molécule de CO2 peut aussi perdre son énergie [de vibration -rotation] dans toutes les collisions qu’elle subit avec des molécules N2 [ou O2], avec des milliards de collisions par seconde aux pressions du niveau de la mer [1]. L’énergie d’un rayonnement infrarouge absorbé par une molécule de CO2 est immédiatement transférée aux autres molécules de l’air par des collisions inélastiques et donc réchauffe l’air. Un rayonnement infrarouge qui ne subit pas de diffusion transmet fort bien de l’énergie, parce qu’il se propage à la vitesse de la lumière. Mais l’énergie par unité de volume stockée sous forme de rayonnement thermique dans l’atmosphère de la Terre est complètement négligeable en comparaison de l’énergie interne des molécules de l’air. Quoique les molécules de CO2 rayonnent fort lentement il y en a tant qu’elles produisent beaucoup de rayonnement, dont une partie arrive à la surface, au niveau de la mer. La figure suivante montre le rayonnement de l’air vers la surface mesuré à l’île de Nauru, dans l’océan Pacifique ouest tropical, et en un lieu plus froid, à Point Barrow Alaska, au bord de l’océan Arctique.
Figure 2-3
L’échelle horizontale est, ici, la fréquence du rayonnement exprimée en nombres d’onde (si l’on pouvait prendre un “instantané” d’une onde infrarouge, le nombre de pics comptés sur une longueur un cm est le nombre d’ondes [2]). Les lignes continues compliquées décrivent l’intensité du rayonnement descendant observé. Le mode de flexion du CO2 produit le rayonnement descendant aux fréquences comprises entre 580 cm-1et 750 cm-1. Le rayonnement descendant aux fréquences moindres que 580 cm-1 et supérieures à 1200 cm-1 est celui de la vapeur d’eau. A Nauru le gros du rayonnement descendant vient demolécules de CO2 et H2O qui sont à moins de quelques centaines de mètres au-dessus de la surface. L’air y est à peuprès à la température de la surface, 300 K. Le rayonnement aux fréquences en-dessous de 750 cm-1 et au-dessus de 1200 cm-1, bandes de fréquences où l’absorption moléculaire est très forte à toutes les fréquences ou presque, est peu différent du rayonnement d’équilibre thermique à l’équilibre (loi de Planck) à 300 K montré par la ligne en tiretés. Aux fréquences entre 750 cm-1 et 1200 cm-1 le rayonnement est bien moindre que la limite de Planck. A Point Barrow, la température de surface est bien plus froide qu’à Nauru et il y une nette inversion de température : la température de l’air augmente avec l’altitude au lieu de diminuer. Le rayonnement descendant au centre de la bande du CO2 à 667 cm-1 suggère une température de surface de 233 K (ou -40°C), de 12°C moindre que la température de la courbe en tiretés du corps noir qui correspond à la température de l’air plus chaud, en altitude. Les épaules plus intenses du rayonnement descendant du CO2 [vers 618 cm-1 et 720 cm-1] viennent de cet air plus chaud. Il n’y a, à Point Barrow, que peu de rayonnement descendant de la vapeur d’eau parce que le froid intense y a gelé le gros de l’humidité.
La réponse à la dernière partie de la question “Par quel mécanisme la chaleur va-t-elle vers la surface au niveau de la mer ” est que le rayonnement qui arrive au sol vient de molécules qui sont à des altitudes diverses et à des températures diverses. L’altitude d’émission est la distance sur laquelle l’absorption arrive à la surface sans avoir été trop absorbée, disons avec 50% d’absorption [3]. Aux fréquences fortement absorbées le rayonnement qui atteint la surface vient de molécules proches de la surface, à une altitude de quelques mètres aux fréquences du centre de la bande du CO2 à 667 cm-1. Les fréquences plus faiblement absorbées sont rayonnées depuis des couches plus élevées où la température est généralement moindre que celle de la surface. Mais parfois, comme à Point Barrow, l’air peut en altitude être plus chaud que la surface. La très basse température de surface à Point Barrow, que l’ondéduit de la figure, montre que le transfert de chaleur de la surface vers le cosmos s’y fait surtout par rayonnement. Les observations sont datées du début du printemps (10 mars) : le flux solaire reçu par la surface est alors très faible. Un transfert de chaleur vers le haut, par convection, ne peut pas se faire là où il y a une inversion de température.
Avec cette question 3, il nous faut expliquer comment la chaleur solaire absorbée par la surface repart vers l’espace de façon que la température de surface ne croisse pas continuellement. La figure montre qu’à Naurul’absorption du rayonnement de la surface par le CO2 et par la vapeur d’eau H2O est compensée par un égal rayonnement du CO2 et de la vapeur d’eau vers la surface : le transfert de chaleur, de jour, se fait essentiellement par convection, et non pas par rayonnement [puisque le transfert net de chaleur par voie radiative, entre surface et air, est nul]. La convection humide est essentielle : la vapeur d’eau de l’air ascendant relâche sa chaleur latente et,[en se condensant] forme des nuages Ces nuages ont un effet essentiel sur le transfert de chaleur par rayonnement. De l’air plus froid et plus sec, descendant, complète le circuit commencé par la convection. Des modifications mineures de la convection et de la couverture nuageuse ont, sur les températures de surface, bien plus d’effet que de gros changements de la teneur de l’air en CO2
Question 4 :
Le CO2 de l’atmosphère “réfléchit “-il de la lumière solaire vers le cosmos, de façon que cette lumière solaire réfléchie ne pénètre jamais dans l’atmosphère
La réponse la plus simple est NON, mais cela soulève divers points intéressants que nous discutons ci-dessous.
Les molécules peuvent ou diffuser ou absorber du rayonnement. Les molécules de CO2 absorbent efficacement une [petite] partie du spectre du rayonnement infrarouge thermique [4]. Le nombre de collisions subies par une molécule, des milliards chaque seconde,fait que les molécules de CO2 n’ont pas [toutes] la possibilité de perdre par rayonnement infrarouge thermique l’énergie reçue lors d’une collision. Les molécules de CO2 de l’atmosphère émettent du rayonnement infrarouge thermique, dont l’énergie est fournie par des collisions avec les molécules de O2 et de N2 et non pas par le rayonnement infrarouge thermique absorbé. Les molécules “rougeoient dans l’obscurité” par leur rayonnement infrarouge thermique.
A la figure ci-dessus la longueur d’onde est en abscisse sur l’axe horizontal. De gauche à droite le panneau en haut montre l’ultraviolet (UV), le visible et l’infrarouge. Le visible est aux longueurs d’ondes entre 0,4 µm et 0,7 µm. Le rayonnement thermique émis sur Terre est essentiellement aux longueurs d’onde supérieures à 3 µm. La ligne rouge en haut à gauche est le spectre idéalisé du rayonnement du Soleil, c’est-à-dire la puissance émise par le soleil sur chaque petite plage de longueurs d’ondes. Là le soleil et supposé être à une température ([de surface] de 5525 K.
A droite les spectres du rayonnement du sol pour différentes températures de surface. La ligne violette correspond à une température de 310 K ou 37°C, un jour d’été très chaud aux latitudes tempérées. La ligne bleue correspond à une température de 250 K ou -23°C, un jour d’hiver très froid. La courbe noire est pour 210 K ou – 63 °C, température typique de celles observées sur la calotte de glace de l’Antarctique. Les courbes de l’intensité spectrale ne sont pas à l’échelle mais sont dessinées pour montrer les longueurs d’onde où l’intensité est maximale. Le second panneau depuis le haut de la figure montre la fraction du rayonnement qui, pour une longueur d’onde donnée, passe directement de la surface au cosmos, sans avoir été absorbée ou diffusée par des molécules de l’air. Les panneaux du bas, 3 à 8, montrent comment l’opacité de l’atmosphère résulte des contributions de la vapeur d’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2), de l’oxygène et de l’ozone (O2 et O3), du méthane (CH4) de l’oxyde nitreux (N2O [5]) et de la diffusion Rayleigh de la lumière solaire à laquelle contribuent toutes les molécules de l’air. La couleur bleue du ciel par un jour clair et ensoleillé est la lumière solaire après diffusion Rayleigh. Comme les molécules de CO2 ne font que 0,04% du nombre total des molécules de l’atmosphère, leur contribution à la diffusion Rayleigh est tout à fait négligeable en comparaison de celles de N2 et O2. Cette figure montre que la vapeur d’eau est de très loin le principal absorbant. Elle absorbe l’infrarouge thermique émis par la surface et des rayonnements infrarouges solaire. La vapeur d’eau et ses condensats, dans les nuages d’eau liquide ou de glace, dominent les transferts de chaleur par voie radiative dans l’atmosphère ; le CO2 n’a qu’une importance très secondaire.
Si la question 4 était “Est-ce que les nuages renvoient de la lumière solaire vers l’espace de façon que cette lumière réfléchie [ou rétrodiffusée]ne pénètre pas l’atmosphère”,la réponse serait “Oui”. On sait bien que les nuages bas, un jour ensoleillé, font de l’ombre et refroidissent la surface de la Terre en rétrodiffusant la lumière solaire vers l’espace, avant qu’elle soit absorbée et transformée en chaleur à la surface. Cette figure montre que fort peu du rayonnement thermique de la surface arrive en haut de l’atmosphère sans avoir été absorbé, ce même s’il n’y a pas de nuages. Le rayonnement émis par la surface est remplacé par le rayonnement émis par les molécules de gaz “à effet de serre” ou par le haut des nuages, à une altitude telle que ce rayonnement ne soit plus significativement absorbé par les molécules ou les nuages des couches supérieures, et parvienne effectivement au cosmos. Comme le rayonnement de la surface est remplacé par le rayonnement moins intense de couches plus hautes et plus froides, le rayonnement thermique du globe est moindre que celui de la surface, plus chaude. [NdT :les auteurs écrivent : moindre que la chaleur que la surface enverrait au cosmos s’il n’y avait pas de gaz “à effet de serre”. [6]]. La figure implique qu’une partie de l’infrarouge solaire peut être absorbée par le CO2. Mais il n’ya que 5% environ du flux solaire à des longueurs d’ondes supérieures à 3 microns, là où sont les plus fortes raies d’absorption du CO2. La température de surface du soleil est si chaude que le gros de son rayonnement est aux longueurs d’onde du visible ou du proche infrarouge où le CO2 n’a pas de bandes d’absorption.
Question 5 : En dehors du CO2, que devient la chaleur des tuyaux d’échappement, des radiateurs des moteurs et tout le reste de la chaleur produite par la combustion de combustibles fossiles. Comment, si tant est qu’elle le fasse, cette chaleur contribue-t-elle au chauffage de l’atmosphère.
Le gros de l’énergie employée par les hommes vient de combustibles fossiles, le nucléaire et les renouvelables apportant le reste, comme le montre le diagramme ci-dessous :
Il découle de la deuxième loi de la thermodynamique qu’après utilisation de cette énergie pour le chauffage, le transport ou la production d’électricité, cette énergie arrive pratiquement en totalité dans le système climatique et est finalement rayonnée vers le cosmos comme les autres émissions naturelles du globe en infrarouge thermique. [Une toute petite fraction devient de lalumière visible qui part directement vers l’espace à travers l’atmosphère transparente, mais, même celle-là est transformée en chaleur quelques part dans le cosmos.]. Quel est, surleclimat, l’impact de cette chaleur produite par l’humanité ? Il y a des effets locaux là où se concentre l’emploi de cette énergie, par exemple dans les villes ou près des centrales thermiques. Mais l’effet en est fort petit à l’échelle du globe. Pour le voir, convertissons l’énergie annuelle de 13,3 milliards de tonnes d’équivalent pétrole en 560 1018 Joules et divisons par 32 millions de secondes par an, pour trouver une puissance consommée globalement de 17,5 milliards de Watt, ou rapporté à la surface de la Terre, 510 1012m², un flux de chaleur anthropique de 0,03 W/m². Ce flux est de quatre ordres de grandeur (un facteur dix mille) plus petit que les flux naturels de chaleurs qui parcourent le système climatique, et de deux ordres de grandeur (un facteur cent) plus petit que le “forçage radiatif anthropique” [7]. Le flux géothermique (essentiellement produit par la désintégration radioactive ce certains éléments à l’intérieur de la Terre) est comparable. S’il peut être considérable dans des sources localisées (volcans, sources chaudes, évents géothermiques au fond des océans, …), la moyenne en est de 0,09 W/m² ,trois fois lachaleur venant directement de la consommation d’énergie par l’humanité, mais bien trop petite pour avoir un effet direct sur l’équilibre des flux de chaleur du climat. Mais on peut voir des effets indirects, par exemple la fonte de glace provoquée par des volcans situés sous la calotte de glace de l’Antarctique.
[1] NdT : Six milliards environ de collisions par seconde au niveau de la mer (pression d’une atmosphère). Ordres de grandeur : sections efficaces de collision des molécules N2, O2, Ar : 0,43 nm², 0,4 nm² et 0,36 nm², libre parcours moyen en conditions standard 70 nm, vitesse moyenne 450 m/s , 6 109 collisions par seconde
[2] NdT : 1 cm-1 vaut environ 30 GHz (Giga Hertz ou 109Hz), 1000 cm-1 30 THz (Tera Hertz ou 1012Hz)
[3] NdT : Les auteurs oublient de signaler qu’un transfert de chaleur par voie radiative entre l’air et la surface est : “rayonnement de l’air absorbé par la surface” moins “rayonnement de la surface absorbé par l’air” et NON PAS la valeur d’un rayonnement unidirectionnel “air vers surface”. Le transfert de chaleur air vers surface est plutôt légèrement positif en présence d’une inversion de température (Point Barrow) et est nul ou négatif à Nauru. Une transmission de 50% correspond, en rayonnement diffus, à une épaisseur optique de 0,42 ce qui correspond à une couche mince proche de la surface, puisque l’épaisseur optique totale de l’air, est, sur les bandes d’absorption de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone de quelques centaines. Par exemple pour le CO2 aux fréquences où son épaisseur vaut 200, la couche à 50% correspond à une fraction 0,42/200 = 2 millièmes des 10 tonnes d’air par m², soit 20 kg/m² d’air qui occupent en gros les 20 premiers mètres au-dessus de la surface.
[4] NdT : Entre 18 THz et 21 THz alors que le spectre de l’infrarouge thermique aux températures terrestres va de 1 THz à 70 THz
[5] NdT : aussi appelé gaz hilarant
[6] NdT : Cette comparaison, très souvent faite, entre une atmosphère sans vapeur d’eau et l’atmosphère réelle est très trompeuse ; elle suppose implicitement que la température de surface serait la même dans ces deux cas ; la Lune donne le corrigé : températures moyennes de -67°C à l’équateur, entre 120°C sous le soleil au zénith et -200°C sur la face dans l’obscurité, et en moyenne -160°C aux pôles. L’idée même d’une Terre, avec des océans mais sans vapeur d’eau dans l’air, est bizarre.
[7] NdT : Le “forçage radiatif” est, selon le GIEC, une énergie produite dans la haute troposphère par un moindre rayonnement vers le cosmos de ces couches hautes ; cette quantité ni mesurable ni observable est évaluée par des “modèles”et serait donc de la chaleur très miraculeusement produite à partir de rien, sans réaction chimique ou nucléaire, etde la chaleur qui, autre miracle antiphysique, irait du froid de la haute troposphère vers le chaud de la surface, pour,à 93% selon le GIEC, finir dans les océans. Le GIEC la chiffre à 2,3 W/m² en 2011 … mais les observations de l’océan ne montrent que 0,25 W/m², dix fois moins ! En réalité la quantité de vapeur d’eau entre 200 mbar et 400 mbar régule en permanence le rayonnement du globe vers le cosmos ; moins de vapeur d’eau à 300 mbar et le rayonnement de la vapeur d’eau viendra de couches plus basses et plus chaudes ; ce qui est observé depuis 1950, avec depuis presque quarante ans que l’on a des observations satellitaires, une augmentation de quelques Watt/m² du rayonnement du globe vers le cosmos et non pas une diminution !