Existe-t-il vraiment une température moyenne globale ?

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Afin de comprendre ce qu’est la température, penchons-nous d'abord sur la nature des systèmes physiques.

Variables physiques

En général, les variables physiques vont par deux, les variables de potentiel et de flux. Un exemple familier est le flux d’eau, où la variable de potentiel est la pression et la variable de flux est le débit. Une complication vient de ce que parfois, les variables sont intégrées ou dérivées par rapport au temps, ce qui conduit à une distinction supplémentaire entre variables intensives et extensives.


Exemples de variables connues, le point représente la dérivée /dt
source Laboratory Online Computing, Brignell and Rhodes 1975

Il est facile d’être perdu par rapport au type de variable, mais la règle importante est que la somme des variables de potentiel est nulle dans une boucle alors que celle des variables de flux est nulle en un noeud. En électricité, elles sont connues comme les lois de Kirchnoff. Les variables de potentiel ou de flux sont généralement reliées entre elles par des lois simples comme la loi d’Ohm. Lorsque les variables de potentiel sont scalaires (i.e qu’elles n’ont pas de direction comme la vitesse), elles peuvent être représentées comme des contours sur une surface, tel les élévations sur une carte. Ainsi obtient-on des isobares et des isothermes.

On pourrait penser que la quantité de chaleur (en joules) ou le taux de transfert de chaleur (en watts) sont aisés à mesurer car après tout, la chaleur est soumise à la loi de conservation de l’énergie. De fait, ce n’est pas le cas. Même en laboratoire, les expériences sur des bilans de chaleur sont notoirement difficiles, voir par exemple la controverse sur la fusion froide. Les petites quantités de chaleur tendent à être perdues. Comme l’ancien professeur de physique de l’auteur le disait, le problème avec un bilan de chaleur est qu’il n'est pas équilibré. C’est encore plus difficile dans l’atmosphère, où chaque gaz du mélange a une capacité calorifique différente à température constante ou à volume constant. Un constituant essentiel, l'eau, a des chaleurs latentes pour la fusion et la vaporisation, c’est à dire des énergies potentielles qui ne sont pas disponibles pour modifier la température.

Du reste, la température est relativement facile à mesurer. A cause de l’universalité de la constante de Boltzmann, presque tout dépend de la température et vous pouvez faire un thermomètre avec presque rien.

Température

Comme nous l’avons vu dans le tableau, la température est une variable de potentiel (intensive) et son compagnon, le flux de chaleur est la variable de flux (extensive). Le phénomène physique à la base de la température, pour prendre le cas d’un gaz simple, est l’énergie cinétique moyenne des molécules du fait de l’agitation thermique. La théorie cinétique des gaz nous dit que cette énergie cinétique moyenne par molécule vaut 3kT/2, avec k étant la constante de Boltzmann et T la température exprimée en kelvin. La valeur de k est de 1,38054.10(-23) J/K.

A zéro K, il n’y a pas de mouvement et rien ne se passe. A température ambiante (soit 290 K), l’énergie cinétique moyenne est un quarantième d’électron volt. Naturellement les molécules ont des énergies différentes, qui se répartissent selon la loi de distribution de Maxwell.

Si les flux de chaleur étaient déterminés par la seule conduction, ce serait relativement simple. Pour un système donné, cela pourrait être modélisé comme un système électrique, parce que cela suivrait la même équation (Laplace); malheureusement, et particulièrement dans les systèmes climatiques, les flux de chaleur sont dominés par la convection, c’est à dire le mouvement physique du support. A l’échelle du globe, il y a d’autres facteurs. Cela inclut des changements périodiques du flux solaire dus aux fluctuations de l’activité du soleil, aux changements saisonniers liés à l’inclinaison de l’axe de la Terre sur son orbite et aux forces de Coriolis causées par la rotation du globe, ainsi qu’aux instabilités cycliques de moyen terme telles les oscillations El Nino et Nord Atlantique. Il n’y a donc pas d’équivalent pour la loi d’Ohm et la météo est très compliquée; ainsi, en dépit du recours aux plus puissants ordinateurs sur Terre, la prévision du temps dans nos journaux du matin est souvent peu fiable.

Températures moyennes

Dans un système bien-élevé, une estimation de la température moyenne globale peut être obtenue par échantillonnage. Comme nous l’avons vu dans la discussion sur les moyennes, la variance de l’estimation est inversement proportionnelle à la taille de l’échantillon et l’écart-type proportionnel à sa racine carrée.

Le système thermique terrestre, toutefois, n’est pas bien-élevé. Il est non-linéaire. Il est fortement non-stationnaire, comme le montre l’apparition des âges glaciaires. Dans l’histoire plus récente, on trouve la Période chaude médiévale et le Petit âge glaciaire, qui sont bien attestés par l’art, l’histoire, la littérature, l’archéologie, la dendrologie, l’entomologie, etc… Une autre complication vient des activités humaines. Bien qu’elles soient insuffisantes pour perturber l’effet de serre, qui fournit la chaleur pour la vie sur Terre, les îlots anthropiques de chaleur urbaine interfèrent avec l’échantillonnage. C’est un fait malheureux, par exemple, que la plus longue série continue de températures (Centre de l’Angleterre), soit prise dans une des zones les plus peuplées et industrialisées de la Terre.

La température moyenne globale est un concept théorique. Si nous étions capables d’avoir un grand nombre de mesures faites à espaces réguliers autour du globe, nous serions capables d’obtenir une estimation de la moyenne à un moment donné qui fasse sens, qui pourrait ensuite être moyennée sur une année pour produire un chiffre qui serait une représentation raisonnable de l’état thermique de la surface de la planète. Hélas, un tel réseau de stations au sol n’existe pas. Non seulement les instruments de mesure sont mal répartis mais beaucoup sont placés dans des sites thermiquement atypiques tels que des villes ou des aéroports et d’autres dans des zones rurales reculées où l’entretien est déficient. Ironiquement, c’est au niveau des océans que sont faites les mesures les plus hétérogènes. De fait, les stations météo de surface fournissent une base de données de qualité médiocre pour calculer la température moyenne globale.

Heureusement, il y a une alternative, le suivi satellite. Les micro-ondes émises par l’oxygène dans l’atmosphère dépendent de la température et fournissent ainsi un thermomètre distant et pratique. Parce que l’orbite du satellite balaye continuellement la surface de la Terre comme le faisceau d’un écran de télévision, cela revient à disposer d’un très grand nombre de thermomètres bien répartis. Avec pour résultat, une estimation crédible d’une température moyenne mondiale. Les résultats se recoupent bien avec les données collectées par ballons-sondes.

Mais les séries par satellite sont relativement courtes car c'est une technologie récente. Elles montrent une légère tendance au refroidissement, mais toute série finie montre des tendances qui ne reflètent pas nécessairement celles de la distribution parent. Toutes les données satellite nous disent qu’en ce moment, il n’y a pas de changements dramatiques de température.

Note 01/2006 : selon les révisionnistes, les données satellite montrent maintenant une légère tendance au réchauffement. Cela n’affecte pas la conclusion car les tendances apparentes dans des données prises au hasard ne sont jamais nulles étant donné que les variables dans le monde physique réel ne sont jamais constantes. Pour être plus précis, la tendance sur 25 ans de données est de 0,0076 °C par an. C’est peu !

Note 01/2007 : El Nino nous donne des raisons de douter sérieusement que la température moyenne mondiale de surface puisse être une mesure pertinente pour déterminer si la Terre se réchauffe ou se refroidit. El Nino est purement un phénomène convectif. Il n'est pas une source de chaleur et ne fait que redistribuer la chaleur, principalement des océans. Il est admis comme la cause du “record” des températures de surface en 1998 et à ce titre influence la pente des tendances, en particulier, celles établies sur des courtes périodes et ces tendances sont à leur tour largement utilisées pour prouver que la planète se réchauffe.

Pourtant, il est aisé de voir qu'une distribution différente des températures, visible par satellite, peut affecter les estimations de température moyenne mondiale fournies par les stations de surface car la répartition spatiale de celles-ci sur le globe est très inégale. Bien sûr, dire que El Nino cause un réchauffement local dans le Pacifique sous les tropiques ne pose pas problème, par contre, il est fallacieux d’affirmer que El Nino réchauffe l’ensemble de la planète, à moins qu'on puisse lui associer une source de chaleur nouvelle mais non encore identifiée.

Cela conduit à la question de savoir si d’autres oscillations moins importantes ne seraient pas à l'origine de faux signaux de réchauffement (ou de refroidissement) climatique.

Source John Brignell, NumberWatch, traduction par Araucan

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151.  Marot | 3/08/2008 @ 15:49 Répondre à ce commentaire

Attention, ce message ne sera pas indéfiniment valide.

Comparaison entre les fous du Goddard et UAH.
Voici la carte des anomalies du Goddard pour juin.

Remarquez bien les taches rouges du chauffard, aux États-Unis, en Atlantique nord, dans l’océan Indien, dans le golfe de Guinée, à l’est de l’Équateur, au sud-est du Japon, dans l’estuaire du Rio de la Plata et en Europe de l’est.

Et toujours l’Afrique est aux trois-quarts ignorée, l’Amérique du sud au tiers, comme l’Asie.
En plus la couverture des océans est faite par satellite à l’aune des préconisations d’une publication d’il y a 6 ans.

Comparaison avec UAH :
Les belles taches rouges citées plus haut n’existent plus.

152.  Marot | 6/09/2008 @ 11:27 Répondre à ce commentaire

Petit résumé des moyennes de températures par UAH en 2008
Sont affichés les écarts à la moyenne du mois calculée sur 1979-1998.

mois HN…..HS.. moyenne
01 -0,12 +0,02 -0,05
02 +0,25 -0,21 +0,01
03 +0,42 -0,25 +0,09
04 -0,17 -0,14 -0,02
05 -0,05 -0,31 -0.18
06 +0,01 -0,23 -0,11
07 +0,10 +0,00 +0,05
08 +0,17 -0,19 -0,01 (à réviser en octobre)

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