Calcul de la température moyenne de la terre
... la terre (+15°C), même si elle est traitée, corrigée, contestable et contestée, ....
En effet, 0,6 °C est une température vivable ce qui n'est plus le cas des .... Il se
produit ce que le thermodynamicien appelle une détente adiabatique[5]. ...... [13]
Pour les autres point de vue (thermodynamiques, aérodynamiques, hydrauliques
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2 Latmosphère avec vapeur deau PAGEREF _Toc286484814 \h 7
5 Quatrième étape : La Thermosphère ou la terre réelle PAGEREF _Toc286484815 \h 11
5.1 Et les océans ? PAGEREF _Toc286484816 \h 14
6 Conclusion PAGEREF _Toc286484817 \h 14
7 ANNEXES PAGEREF _Toc286484818 \h 16
7.1 Température moyenne et effective de la terre PAGEREF _Toc286484819 \h 16
7.2 Vérification du calcul standard PAGEREF _Toc286484820 \h 18
7.3 Latmosphère PAGEREF _Toc286484821 \h 21
7.3.1 Le Cas de Vénus PAGEREF _Toc286484822 \h 22
7.4 Forçage radiatif : Quantification PAGEREF _Toc286484823 \h 24
Effet de Serre, Forçage radiatif
« Leffet de serre existe et heureusement car grâce à lui, on ne se gèle pas sur terre puisquil réchauffe lensemble 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 quopiner du chef et conclure : « Ce que le GIEC appelle « leffet 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, cest quil y a déjà ici une première confusion. Dans une serre (en verre) ce nest 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 lair de lintérieur de la serre néchange plus (ou très peu) avec lair froid de lextérieur. Leffet de serre proprement dit a donc très peu à voir avec lémission 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 quil ne faut pas perturber.
La température de -18°C, température calculée dont le détail du calcul est donné en annexe (§7.1), résulte de légalité entre le flux de rayonnement en provenance du soleil et de lémission du flux de rayonnement Infrarouge quémettrait 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 lémission de rayonnement dépend de la température et non linverse. Pourtant le postulat est que les échanges de chaleur entre le sol terrestre et lespace ne sont que radiatifs et donc que léquilibre 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 Tscheuschner.
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 latmosphère et à linertie des océans), ne sécarte pas trop des 15°C et nous conserverons, sauf mention spéciale, pour les calculs et les exemples cette valeur.
Daprès 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 dinfrarouge. Ils baptisent lensemble 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 leffet de serre et lexpression forçage fait bien apparaître son caractère artificiel. En revanche, par commodité et habitude nous conserverons le terme GES pour désigner la vapeur deau, 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. Dailleurs, 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 carbonique.
Remarque n°1 : On peut sétonner 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 laugmentation 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 jestime (voir annexe) plus probable et qui est donc bien, légèrement différente de la température moyenne de 15°C.
Quoi quil en soit, il est facile et tentant de suggérer que ce surplus dénergie rayonnante (150 ou 160w/m2) aura pour effet daugmenter 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 nest pas à lorigine 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.
Première étape : Une terre réduite à sa lithosphère
Le corps céleste qui, ci-dessus, est lobjet 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 nest 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 cest 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 dabord que la réflectance de la terre, c'est-à-dire la proportion de lumière et dénergie quelle renvoie dans lespace est liée principalement à la présence deau 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 dêtre 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 °C.
On peut faire le reproche que tout ce qui précède est basé sur des calculs. Cest 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 dune maquette sur laquelle on pourrait faire des mesures de température. Vux pieux, me direz-vous. Et bien non, cette « maquette », existe et cest 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, dabord vérifier le bien fondé de la loi de Stefan-Boltzman (utilisée plus haut) en calculant la température à léquateur de la surface éclairée perpendiculairement par le soleil et la température maximale observée environ +123°C ; laccord est parfait comme montré en Annexe au §7.2.
Mais lexemple de la lune qui est bien représentative dune planète réduite à sa lithosphère montre aussi lécart de température qui existe entre sa surface éclairée (H"+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 moyenne ou effective na pas grand sens pour un humain. En effet, 0,6 °C est une température vivable ce qui nest 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 (jusquà -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 sagit là que de corrections secondaires pour ce qui nous occupe et la surface non éclairée dune 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 saffranchir de ces conditions particulières comme la rotation de la terre, on sen 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 dune 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 sapercevoir que parler de température moyenne ou effective na 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 lannexe 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 lobservation de la lune que sur une terre réduite à sa lithosphère, on grillerait lété le jour et on serait congelé lhiver 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 nest pas envisageable.
Deuxième étape : l « effet de serre » facteur dhomogénéité ou non ?
Nous allons voir maintenant si le « forçage radiatif » -pour ne pas dire leffet de serre- peut arranger les choses, idée qui transparaît implicitement dans laffirmation 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 dune mince couche absorbante possédant deux fonctions :
Réfléchir 30% de la lumière solaire afin que la planète reçoive le même flux lumineux que notre terre. Lensemble aura alors le même Albédo que notre terre actuelle soit 30% ce qui facilitera les comparaisons.
Et surtout davoir le même rôle qualitatif et quantitatif que celui attribué aux GES de notre terre: c'est-à-dire dabsorber le rayonnement thermique émis par le sol sous forme dIR et de les réémettre dans toutes les directions. En termes dintensité de rayonnement ou de flux dénergie, cela revient à dire que lorsque le sol de la terre émet 390 w/m2, 240 environ sont transmis dans lespace et 150 w/m2 réfléchis par la couche barrière. Une telle couche assure donc au système une transmittance denviron 61,5 %.
Dans de telle conditions, il est évident que plus le sol sera chaud plus les flux dénergie émis et réémis seront élevés. Le fait que nous ayons posé que cette couche soit mince permet dutiliser 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 dhiver bien quune température de 27°C, ait été relevée en Décembre 1985, à Pau -Latitude 43,39°). Elles sont totalement irréalistes lété, même près du 60ème parallèle (Oslo).
Au Nord du cercle polaire pour les surfaces qui restent sans soleil plusieurs semaines, leffet de Serre calculé comme précédemment augmenterait la température denviron 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.
LieuMomentTempérature MaximaleMoyenne journalière du lever au coucher du soleilTempérature sans effet de Serre °CTempérature avec effet de serre °CTempérature sans effet de Serre °CTempérature avec effet de serre °CEquateur Equinoxe 87 129 65,85 109,6 Région tempérée (45éme //)Solstice dété 81 12660 103Solstice dHiver 7,5 43 -8,9 25Oslo (59,55 N)Solstice dété 68 112 48 89Solstice dHiver-63 -36 -75,3 -49,8
On voit donc que leffet standard attribué au GES par le GIEC qui ne considère que les échanges de chaleur sur une base purement radiative et fait tout reposer sur la loi de Stephan, certes, réchauffe les parties froides de la terre mais a surtout pour effet de « surchauffer » les régions chaudes au point que les températures prédites sont totalement irréalistes.
Il accentue même un peu lécart de température entre les extrêmes qui existeraient sans « forçage radiatif » contrairement à ce que pourraient laisser penser les affirmations habituelles.
Il nest donc, dans tous les cas, plus possible de laisser penser que nos climats sont tempérés et vivables grâce au seul « forçage radiatif » provoqué par les GES naturels, H2O et CO2.
Il faudrait donc arrêter dutiliser cet argument qui pourtant, à mon avis, a certainement joué consciemment ou inconsciemment, auprès des membres de lacadémie des sciences pour quils sautorisent à écrire dans leur rapport du débat sur le changement climatique « que laugmentation du réchauffement climatique de 1975 à 2003 est principalement due à laugmentation de la concentration du CO2 dans l'atmosphère.»
Troisième étape : latmosphère
Latmosphère sans GES
Puisque « le forçage radiatif » seul na pas leffet escompté, nous allons revenir légèrement en arrière et supprimer autour de notre « litho-terre », le « film mince » qui reflétait une partie de la lumière solaire et qui surtout stoppait les IR.
En revanche et pour être fidèle à notre démarche daller pas à pas, nous allons rajouter autour de cette lithosphère fictive, une atmosphère identique à celle de la terre à lexception, dans un premier temps, de la présence de gaz à effet de serre donc sans eau et sans gaz carbonique.
Lair composé donc de N2, dO2 et éventuellement de gaz rares que nous considérons est donc sec et lorsque on sélève il se raréfie et la pression diminue (VoirAnnexe §7.4). La température de lair diminue alors avec laltitude. Il se produit ce que le thermodynamicien appelle une détente adiabatique. En effet, en condition adiabatique, lorsque l'air se comprime, il s'échauffe, et lorsqu'il se détend, il refroidit. Cette variation, autrement dit le gradient de la température de l'air, ne dépend alors que de la pression atmosphérique et diminue de près de 1°C quand on sélève de 100 m.
Ce gradient est dit gradient adiabatique sec et la température varie plus exactement de 9,76 °C par km.
Si donc on se place sur « cette terre » avec atmosphère mais sans Gaz à effet de Serre ou GES, à un endroit où la température au sol est de + 15 °C et quon sélève jusquà 10000 m, la température ambiante devrait être en raison de la détente adiabatique de 82,6°C.
Or ceux qui ont pris ces dernières années un vol aérien « long courrier », ont pu constater quà cette altitude, la température extérieure est voisine de -50°C, soit une différence de température de plus de 30 °C.
On peut encore une fois légitimement se demander si un tel réchauffement nest pas la marque du forçage radiatif préconisée par le GIEC ? Mais ne nous emballons pas et ne nous laissons pas abuser par les apparences car on va avoir au §4.2 la parfaite illustration que concomitance ou corrélation nimplique pas forcément causalité.
Latmosphère avec vapeur deau
En effet et malheureusement pour les carbocentristes, nous allons le voir, telle nest pas lexplication. Pour cela, rajoutons maintenant à cette atmosphère un seul gaz, le dioxyde dhydrogène soit de la vapeur deau ! Pour simplifier et rester dans la démarche par étape, nous allons considérer que cette eau arrive à la bonne concentration non par évaporation des océans mais par un autre moyen comme de puissants et nombreux geysers.
La teneur en vapeur deau dans cette atmosphère sera en revanche maintenue au niveau de latmosphère terrestre daujourdhui c'est-à-dire à un niveau faible (4µ). Le phénomène nest donc pas additif mais se sature. Toutefois, la valeur de 390 w/m2 correspond à une température moyenne (15°C). Si on prend comme il le faudrait la température effective, celle-ci risque dêtre plus élevée. Si elle est par exemple denviron 17°C, le flux sera un peu supérieur à 400 w/m2. Le flux réfléchi serait alors de 160 w/m2 .
On peut bien sûr se servir dastuce pour retrouver les -18°C. Il faudrait considérer que la surface terrestre est par exemple composée de sable clair possédant une valeur dalbédo de 30%. Encore faudrait-il le dire.
La température moyenne globale de la terre na pas grand sens physique car la température nest pas une variable extensive.
Une masse de gaz n'échangeant pas de chaleur avec son environnement est dit adiabatique.
En soi, la présence de vapeur d'eau n'a pas d'influence sur le gradient adiabatique.
Jai moi-même, un moment propagé cette théorie.
André Legendre dans son excellent livre « lhomme est-il responsable du réchauffement climatique » EDP Sciences.
Elle sera cependant peu efficace en raison de sa température faible, de la quasi absence de vapeur deau de son atmosphère et dune concentration en CO2 20% plus faible
uvre déjà citée en 1
La loi de Stefan résulte de l'intégration sur toutes les longueurs d'onde du spectre continu émis par un corps chauffé (corps noir).
« the cardinal error of global climatology, that may have been overlooked so long due to the oversimplification of the real world problem towards a quasi one-dimensional problem.
Pour les autres point de vue (thermodynamiques, aérodynamiques, hydrauliques..), les codes de météorologie et les GCM considèrent bien lensemble terre-atmosphère-océans comme un tout.
uvre déjà citée en 1
Dans ce cas, je pense quil ne doit plus être possible docculter le fait que la Terre nest pas une planète morte et possède une chaleur interne et dégage de lénergie principalement grâce à sa radioactivité. Le calcul nest pas non plus exact car la rotation de la terre na pas été prise en compte. Néanmoins, on remarque que cette température est inférieure à celle de la lune.
Conserver pour la comparaison lAlbédo de 30% à cette terre fictive sans eau, peut être envisagé en supposant que la surface de la terre est recouverte de sable.
Celle habituellement utilisée ne peut être considérée au plus que comme un indice, semblable au CAC40 donc sans grande signification physique.
Voir cependant la note de bas de page 1 à ce sujet.
et encore na-t-on pas pris en compte que dans les régions froides le principal GES (H2O) est rare voire inexistant
Une masse de gaz n'échangeant pas de chaleur avec son environnement est dit adiabatique.
En soi, la présence de vapeur d'eau n'a pas d'influence sur le gradient adiabatique.
Comme la détente adiabatique humide explique très bien lévolution de température en fonction de laltitude de latmosphère terrestre sans faire non plus intervenir les échanges radiatifs !!! Il faudrait ici faire le calcul exact avec la composition de latmosphère vénusienne mais lordre de grandeur y est.
Toutefois, il n'en est pas de même en altitude, où l'atmosphère est beaucoup plus légère : à 100 km, la température varie quand même de +29°C le jour à -143°C la nuit.
C. Lorius, J. Jouzel, D. Raynaud, J. Hansen & H. Le Treut : «The ice-core record: climate sensitivity and future greenhouse warming Nature 347, 139-145 (13 September 1990)
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