Le CO2 réchauffe-t-il l’atmosphère ?

Billet de Tom Vonk invité sur WUWT (Tom est un physicien et posteur depuis longtemps dans de nombreux blogs climatiques), traduit par Marot.

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Si vous cherchiez "effet de serre" dans Google et que vous receviez 1 centime pour chaque affirmation telle que … "Le CO2 absorbe l'énergie infrarouge sortant réchauffe l'atmosphère» – ou – "Le CO2 piège une partie du rayonnement infrarouge entre le sol et la partie supérieure de l'atmosphère"…   vous seriez millionnaire.

Même les sites web réputés avoir un bon niveau scientifique, comme "Science of Doom" publient des phrases comme ci-dessus. Ces déclarations sont toutes fausses et elles arrivent si souvent que j'ai soumis ce billet à Anthony pour éclairer cette question une fois pour toutes.

Effet de serreFig1 : Vision simpliste du CO2 piégeant la chaleur.

Si on se demande pourquoi il n'y a pas de papier relu par les pairs sur cette question, c'est parce que tout ce qui suit est dans les manuels scolaires. Nous allons utiliser des résultats de thermodynamique statistique et de mécanique quantique connus depuis quelques 100 ans et plus. Plus spécifiquement, voici ce que nous allons prouver  : "Un volume de gaz en équilibre thermodynamique local (ETL) ne peut pas être chauffé par le CO2." Je vais vous présenter trois notions nécessaires pour bien comprendre.

L'Équilibre thermodynamique local (ETL)

Cette notion a un rôle central, donc quelques mots sur sa définition. Tout d'abord, ce que n'est pas l’ETL. L’ETL n'est pas l’équilibre thermodynamique (ET), c’est une hypothèse plus faible. L’ETL ne nécessite cet équilibre que dans le voisinage de chaque point. Par exemple, la température peut varier dans le temps et l’espace à l’intérieur d’un volume de sorte qu’il n’est pas en équilibre thermodynamique. Toutefois, s’il y a un équilibre dans chaque petit sous-volume de ce volume, nous serions en ETL.

Intuitivement, la notion d’ETL est liée à la rapidité avec laquelle les particules se déplacent et à leur densité. Si la particule reste assez longtemps dans un petit volume pour interagir avec les autres particules de ce petit volume, par collision par exemple, alors la particule sera en équilibre avec les autres. Si elle ne reste pas assez longtemps elle ne peut pas se mettre en équilibre, il n'y a pas ETL.
Il y a deux raisons qui justifient que l'ETL est primordial.
D’abord, une température ne peut pas être définie dans un volume qui n'est pas en ETL. C'est facile à comprendre. La température est une énergie moyenne dans un petit volume en équilibre. Dès lors que sans ETL, il n'y a pas d'équilibre dans chaque petit volume, la température ne peut pas être définie. Ensuite, la distribution de l'énergie dans un volume en ETL suit des lois connues et peut être calculée.

La loi d'équipartition de l'énergie

L'énergie cinétique est présente sous plusieurs formes. Un gaz monoatomique n’a que de l'énergie cinétique de translation, le ½ m.V ² bien connu. Un gaz polyatomique peut aussi vibrer et tourner, il a donc en plus de l'énergie cinétique de translation, les énergies cinétiques de vibration et de rotation. Pour définir l'énergie cinétique totale d’une molécule, nous devons tenir compte de ces trois formes.

Soit la question suivante : "Si l'on ajoute de l'énergie à une molécule, que fera-t-elle ? Augmenter sa vitesse ? Augmenter sa vibration ? Augmenter sa rotation ? Un mélange des trois ? " La réponse est donnée par la loi d'équipartition de l'énergie. Elle dit: «En ETL l'énergie est partagée également entre ses différentes formes ».

Comme nous avons vu que la température est une énergie moyenne, et qu'elle n'est définie que sous condition d’ETL, on peut relier l’énergie cinétique moyenne <E> à la température. Par exemple <E> = 3/2.KT pour un gaz monoatomique comme l’hélium. Le facteur 3/2 vient des trois degrés de liberté de translation (trois dimensions d'espace). Il peut être reformulé en disant que l'énergie cinétique par degré de liberté de translation est de ½. KT. On en déduit les lois des gaz parfaits, les capacités de chaleur massique et bien plus encore. Pour les molécules polyatomiques avec vibration et rotation, les calculs sont plus compliqués. Le point important de cette loi statistique est que si nous ajoutons de l’énergie à un grand nombre de molécules, cette énergie sera partagée également entre les degrés de liberté de translation, rotation et vibration.

Mécanique quantique (MQ) des interactions des molécules avec le rayonnement infrarouge (IR).

Toutes les interactions entre molécules et rayonnement infrarouge sont régies par la mécanique quantique. Par conséquent, les processus ne peuvent pas être compris sans quelques notions de base.
Le point le plus important est que seuls les modes de vibration et de rotation d’une molécule peuvent interagir avec le rayonnement infrarouge. En outre cette interaction n’a lieu que si la molécule a un moment dipolaire non nul. Comme un moment dipolaire non nul implique de l'asymétrie dans la distribution des charges électriques, il est particulièrement important dans les molécules non symétriques. Par exemple, la molécule d'azote N-N est symétrique et n'a pas de moment dipolaire permanent.

Vibrations du CO2
Fig2 : Les quatres modes vibratoires du CO2.

O=C=O est symétrique et n'a pas de moment dipolaire permanent. C=O est non symétrique et  a un moment dipolaire permanent. Cependant pour interagir avec des IR, il n’est pas nécessaire que le moment dipolaire soit permanent. Bien que O=C=O n’ait pas de moment dipolaire permanent, avec certains modes de vibration, apparaît une asymétrie et ces modes absorberont et émettront des IR. L’azote N-N aussi, en collision avec une autre molécule sera déformé et aura un moment dipolaire transitoire qui lui fera absorber et émettre des IR.
Dans la figure de gauche vous voyez les 4 modes de vibration possibles du CO2. Le premier est symétrique et n’a pas de moment dipolaire, il n’interagit pas avec l’IR. Le deuxième et le troisième sont semblables et ont un moment dipolaire. Ces deux là forment la fameuse bande à 15μ. Le quatrième très asymétrique a aussi un moment dipolaire.

Que veut dire interaction entre un mode de vibration et IR ?

Les énergies de vibration sont quantifiées, elles ne peuvent prendre que certaines valeurs discrètes. Le schéma ci-dessus montre ce qui arrive quand une molécule rencontre un photon dont l'énergie ( h.ν ou ђ.ω) est exactement égale à la différence E1-E2 entre les deux niveaux d'énergie. La molécule absorbe le photon et «bondit» de E1 à E2. Bien sûr, le processus inverse existe aussi – une molécule dans le niveau d'énergie E2 peut «sauter» de E2 vers E1 et émettre un photon d’énergie E2-E1.Interaction CO2-IR

Fig3 :Interaction CO2 et infrarouges.

Mais ce n'est pas tout. Il y a aussi des collisions et pendant les collisions tous les processus suivants sont possibles :

– interaction translation-translation, collision banale des boules de billard,

– interaction translation-vibration, l'énergie est échangée entre les modes vibration et translation,

– interaction translation-rotation, l'énergie est échangée entre les modes rotation et translation,

– interaction rotation-vibration … etc.

Pour ce qui nous concerne ici, à savoir un mélange de CO2 et N2 sous rayonnement infrarouge, seuls deux processus sont importants: translation-translation et translation-vibration. Nous négligerons donc tous les autres processus, sans perte.

Démonstration.

Le processus translation-translation (collision de sphères) est bien compris depuis plus de 100 ans. Il peut être étudié par la mécanique statistique semi-classique. Le résultat est que les vitesses des molécules (énergie cinétique de translation) dans un volume de gaz en équilibre suivent la distribution de Maxwell-Boltzmann. Comme cette distribution est invariante à température constante, il n'y a pas de transfert net d'énergie et nous n'avons pas besoin d'analyser davantage ce processus.

Les deux processus sont à considérer :
CO2 + γ → CO2* (1) c'est à dire "une molécule de CO2 absorbe un photon infrarouge γ  et entre dans l’état vibratoire CO2 *"

CO2* + N2 → CO2 + N2⁺ (2) c'est à dire «une molécule CO2 excitée en vibration CO2* heurte une molécule N2 et tombe à un état énergétique vibratoire inférieur pendant que la molécule N2 augmente sa vitesse à N2⁺ ».

Nous utilisons deux symboles différents d’états excités pour distinguer les modes d'énergie – vibration (*) pour le CO2 et translation (⁺) pour N2. En d'autres termes, il y a transfert entre les degrés de liberté de vibration et de translation dans le processus (2). Ce processus dans des conditions de non-équilibre est parfois appelé thermalisation.

Le processus microscopique (2) est décrit par des équations réversibles. Toutes les interactions électromagnétiques et mécaniques sont régies par des équations invariantes si l'on inverse le temps. Ce n'est pas vrai pour les interactions électrofaibles mais elles ne jouent aucun rôle dans le processus (2). Encore une fois avec des mots simples, cela signifie que si le processus (2) se produit, le processus inverse, savoir CO2 + N2⁺ → CO2* + N2 se produit aussi. Ce processus inversé où la molécule rapide (c.-à-d. chaude) N2 ralentit et excite une molécule CO2 en vibration est celui du laser N2/CO2. La bonne façon d'écrire le processus (2) est donc :

CO2* + N2 ↔ CO2 + N2⁺ (3) où la double flèche ↔ au lieu de la flèche unique →  nous dit que ce processus va dans les deux sens. Maintenant, l'aspect le plus important est : «Quels est le rythme des processus → et ← ? »

Les conditions ETL et la loi d'équipartition de l'énergie donnent immédiatement la réponse : "Ces taux sont exactement égaux". Cela signifie que pour chaque collision où un  CO2 * excité en vibration transfère de l'énergie à un N2, il y a une collision où un N2⁺ transfère la même énergie à un CO2 et l’excite en vibration. Il n'y a pas de transfert net d'énergie du CO2 à N2 par l'interaction vibration-translation. Comme nous avons vu que le CO2 ne peut pas transférer de l'énergie au N2 par translation-translation, il n'y a pas de transfert net d'énergie (c.-à-d. "chauffage") du CO2 à N2.
Notre proposition est donc démontrée.
Le processus (1) a un corollaire intéressant, l'absorption IR par les molécules de CO2. Nous savons qu’à l'équilibre, la distribution des états quantiques de vibration (c.-à-d. le nombre de molécules dans un état d’énergie Ei ) est invariante et ne dépend que de la température. Par exemple, seulement 5% des molécules de CO2 sont en état vibratoires excité à la température ambiante, 95% sont au repos.
Par conséquent, pour maintenir constant le nombre de molécules excitées en vibration, chaque fois qu’une molécule de CO2 absorbe un photon infrarouge et entre en vibration, il faut qu’une autre molécule de CO2 se désexcite à un état d'énergie inférieure. Comme nous avons vu plus haut que cette détente ne peut pas arriver par des collisions avec N2 parce qu’aucun transfert net d'énergie n’est possible, seul le processus (1) est disponible. La bonne façon d'écrire le processus (1) devient alors :

CO2 + γ ↔ CO2* (1)

La double flèche montre que le processus d'absorption (→) se produit en même temps que le processus d'émission (←). Parce que le nombre de molécules excitées dans un petit volume en ETL doit rester constant, il s'ensuit que les deux processus d'émission/absorption doivent être équilibrés. En d'autres termes, le CO2 qui absorbe fortement l’infrarouge à 15μ émettra fortement à peu près autant de radiations à 15μ qu’il a absorbé. C’est indépendant de la concentration de CO2 et de l'intensité du rayonnement infrarouge.
Pour ceux qui préfèrent des preuves expérimentales à des arguments théoriques, voici une expérience simple qui confirme les affirmations précédentes. Prenons une sphère creuse remplie d’air à 15 °C. Installez un détecteur infrarouge à la surface de la cavité. Ceci est équivalent à l'atmosphère dans la nuit. La cavité émettra de l’IR selon la loi du corps noir. Certaines fréquences de cette radiation corps noir seront absorbées par les modes de vibration des molécules de CO2 présentes dans l'air.
Ce qui sera observé :
– Le détecteur montre que la cavité absorbe la même puissance à 15μ qu’elle en émet.
– La température de l'air reste à 15 ° C et plus particulièrement le N2 et O2 ne chauffent pas.
Ces observations démontrent donc que le CO2 émet autant qu’il absorbe et qu'il n'y a pas de transfert net d'énergie entre les modes de vibration de CO2 et les modes de translation de N2 et de O2. Si vous doublez la concentration de CO2 ou faites varier la température, les observations resteront identiques montrant que nos conclusions sont indépendantes de la température et des concentrations de CO2.

Conclusion et mises en garde.

Le point principal est que chaque fois que vous entendez ou lisez que le «CO2 réchauffe l'atmosphère», que «l'énergie est piégée par le CO2, que« l'énergie est emmagasinée par les gaz de serre » et des déclarations similaires, vous pouvez être sûr de ne pas avoir une source crédible d’information sur les rayonnements.

Mise en garde 1

Ce qui vient d'être démontré ne peut pas être interprété comme «le CO2 n'a pas d'incidence sur la dynamique de l'atmosphère-système terrestre». Ce que nous avons prouvé est que le CO2 ne peut pas chauffer la masse de l'atmosphère mais le système global ne se réduit pas à l'atmosphère. Il a deux interfaces – le vide d'un côté et la surface de la Terre de l'autre côté. Ni le premier ni le second ne sont en ETL et nos arguments n’y sont pas valides. La dynamique du système est régie par le taux d’échange du sol et dont les variations ne dépendent pas seulement de la convection, des changements de chaleur latente et de la conduction mais aussi du transfert radiatif. Les concentrations de CO2 (et H2O) jouent un rôle dans cette dynamique, mais ce n'est pas le but de ce post d’examiner ces aspects beaucoup plus complexes et mal compris.

Mise en garde 2

Vous pourrez lire ou entendre que «le CO2 n’a pas le temps d'émettre des infrarouges car son temps de relaxation est beaucoup plus grand que le temps moyen entre collisions». Nous savons maintenant que cette conclusion est clairement fausse mais paraît de bon sens si l'on accepte les hypothèses qui sont exactes. Où est alors le problème?

Bien que les collisions prédominent, le CO2 sera en effet souvent relaxé par le processus de collision. Mais de ce fait, il sera souvent excité par le processus de collision. Les deux processus se produiront à des taux égaux en ETL comme nous l'avons vu. Comme pour l’émission, nous parlons en général d'environ 10ⁿ molécules avec n de l'ordre de 20. Même si le temps moyen d’émission est plus grand que l’intervalle entre les collisions, Il y a encore un grand nombre de molécules excitées qui n’ont pas eu l'occasion de se relaxer par collision et qui émettront. Il n'est pas étonnant que ce soit aussi ce que montre l'expérience.

(Source)

@@@@@@

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401.  Cotissois | 20/08/2010 @ 12:20 Répondre à ce commentaire

1) Bon, je m’écrase devant quelqu’un qui a sans doute bien plus de légitimité que moi dans ce domaine
2) Tout le monde (même vous) on l’apprend en cours, mais si vous voulez je demanderai confirmation à un enseignant, si scientifique ne vous suffit pas
3) Puisque vous faites passer un message que je ne comprends pas, et que j’ai beau relire 20 fois votre message, et que je ne comprends pas, je vous demande humblement des explications convaincantes. Je sais très bien comprendre des articles de recherche en sciences de l’atmosphère (hors climat), donc vous devez être capable de me convaincre.

402.  Cotissois | 20/08/2010 @ 12:20 Répondre à ce commentaire

et merde, j’ai vendu la mèche 😀

Bon, c’est pas grave, vous savez maintenant hé 😀

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