Le CO₂ chauffe-t-il la troposphère? (suite).

Ce billet fait suite aux aux billets suivants parus sur WUWT et ensuite Skyfall ( et là). Merci à Marot pour la traduction.

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Troposphère :modèles et mesures

Ce graphique, vu sur de nombreux sites, ne faisait pas partie de l'essai de Vonk. Il a été ajouté Par Anthony Watts pour visualiser le sujet.

Par Tom Vonk (Posté le 31 août 2010 sur WUWT.)

Dans un billet récent j'ai examiné la question en titre. Vous pouvez le voir ici:
http://wattsupwiththat.com/2010/08/05/co2-heats-the-atmosphere-a-counter-view/ et http://www.skyfall.fr/?p=591

Ce billet a suscité beaucoup d'intérêt et de nombreux commentaires. Même si la plupart ont compris l'argument et que j'ai répondu aux autres, j'ai été invité à résumer le débat.

Avant de commencer, je répèterai ce que j'ai voulu examiner.

«Dans un un mélange gazeux de CO₂ et N₂ en équilibre thermodynamique local (ETL) et soumis à un rayonnement infrarouge, le CO₂ chauffe-t-il le N₂?"

Pour commencer, nous devons être vraiment sûrs que nous avons compris non seulement ce qui est contenu dans la question, mais aussi ce qui n'y est pas .

  1. La question ne contient aucune hypothèse sur la radiation. Surtout il n'y a pas d’hypothèse sur l’existence ou non d’un équilibre radiatif. Par conséquent, la réponse sera indépendante d'hypothèses concernant un équilibre radiatif. De même toutes les questions et développements qui concernent le transfert radiatif sont hors sujet.

  2. La question ne contient pas d’hypothèse sur la taille ou la géométrie du mélange. Ce peut être un cube de 1 mm³ ou une colonne de 10 km de haut. Tant que le mélange est en ETL, toute taille et toute géométrie opèrent.

  3. La question ne contient aucune hypothèse de conditions aux limites. Il en faudrait si nous posions des questions beaucoup plus ambitieuses, comme ce qui se passe aux frontières où il n’y a pas ETL et qui peuvent être constituées de solides ou de liquides. Nous ne posons pas de telles questions ambitieuses.

De plus, il faut être parfaitement clair sur ce que signifie "X chauffe Y". Cela signifie qu'il existe un mécanisme qui transfère une énergie nette (par exemple non nulle) de manière unidirectionnelle de X à Y. Peut-être aussi important, et certains commentateurs ne comprenaient pas ce point, dire "X chauffe Y" est équivalent à dire «Y ne peut pas refroidir X". Les messages critiques (sans les questions de transfert radiatif non pertinents, comme expliqué en 1) ci-dessus, ont été de deux types.

Type  1

L'argument dit «l’ETL n'existe jamais ou bien l’ETL s'applique pas à un mélange de CO₂ et N₂»

La réponse à la première variante est que l’ETL existe et je répète la définition du message original: "Un volume de gaz est en ETL si, pour chaque point de ce volume, il existe un voisinage dans lequel le gaz est en équilibre thermodynamique (ET) "

Deux remarques sur cette définition:

  • Il n'est rien dit, c’est sans importance, sur la taille de ce voisinage en tout point. Ce peut être un cube de 1 mm³ ou un cube de 10 m³.
    L'important est que ce voisinage existe (presque) partout.

  • L’ETL est nécessaire pour définir la température locale. Dire que l’ETL n'existe jamais équivaut à dire les températures locales n'existent jamais.

La deuxième variante admet que l’ETL existe, mais suggère qu’un mélange de CO₂ et N₂ ne peut pas être en ETL.

Les conditions d’ETL sont données lorsque l'énergie en tout point est répartie efficacement entre tous les degrés de liberté disponibles (translation, rotation, vibration). Les collisions moléculaires sont l’outil de répartition de l'énergie le plus efficace. Sans entrer dans un développement mathématique (voir la thermodynamique statistique si vous êtes intéressés), il est évident qu’il y a ETL quand il y a beaucoup de collisions moléculaires par unité de volume. Ceci dépend surtout de la densité, des gaz à densité élevée seront souvent en ETL alors que des gaz à très faible densité ne le seront pas. Pour ceux qui ne sont pas encore convaincus, tenez un thermomètre dans votre chambre, il est probable qu'il affichera une température bien définie partout – votre chambre est en ETL. Nous avons affaire ici à un mélange de CO₂ et N₂ dans les conditions de la troposphère qui sont précisément les conditions où l’ETL existe aussi.

Type 2

L'argument dit «Le temps moyen entre deux collisions est beaucoup plus court que le temps de dégradation moyen (par exemple : le temps nécessaire pour émettre un photon) et donc toute l'énergie infrarouge absorbée par les molécules de CO₂ est transférée immédiatement et de manière unidirectionnelle aux molécules N₂."

Simplement, le CO₂ n'a jamais le temps d'émettre des photons infrarouges parce qu'il a perdu son énergie vibrationnelle par collisions. Cette affirmation est en effet équivalente à «CO₂ chauffe N₂". Examinons maintenant la figure ci-dessus.

Courbe cinétique de Maxwell Boltzman

La bonne compréhension de cette figure fera plus que la réponse seule à la question initiale. Cela rendra aussi clair pour chacun ce qui se passe réellement dans notre mélange de gaz en ETL.La figure montre la répartition de l'énergie cinétique (axe des x) selon le nombre de molécules N₂ (axe des y). Cette courbe typique nommée distribution de Maxwell Boltzmann, est connue depuis plus de 100 ans et confirmée expérimentalement avec une grande précision.

Nous savons que la température est définie par <E>, énergie moyenne.C’est la courbe montrée dans le graphe qui définit la température d'un gaz. Une autre façon de dire la même chose est de dire que la courbe ne dépend que de la température. Si nous voulions la distribution pour un autre gaz que N₂, p.e. CO₂ ou O₂, elle serait donnée par une courbe identique. La courbe bleue donne la distribution de l'énergie cinétique à 25 °C, la courbe rouge donne la distribution à 35 °C.

L’énergie minimale est faible mais non nulle et il n'y a pas d'énergie maximale. Un point très important sur l'axe des x est l'énergie du premier état vibrationnel excité d'une molécule de CO₂. Vous notez qu’à 25 °C la majorité des molécules de N₂ n’a pas assez d'énergie cinétique pour exciter cet état de vibration. Seules celles situées dans l’aire bleu foncé du graphique ont assez d'énergie pour exciter l'état vibratoire par collision. Lorsque la température monte à 35 °C, vous notez que la proportion de molécules N₂ capable d'exciter la vibration de CO ₂ état d'une collision a nettement augmenté. Cette proportion est donnée par la somme des aires bleu foncé et bleu clair. Vous notez aussi que, comme il n'existe pas d'énergie maximale, il y aura une fraction de molécules N₂ capable d'exciter l’état de vibration de CO ₂ à n'importe quelle température.

Trivial jusqu'à présent? La suite ne sera pas beaucoup plus compliquée.

Les deux premiers points techniques suivants ne jouent aucun rôle dans l’exposé, je ne les mentionne que pour être complet.

  • La figure montre l'énergie cinétique de translation. Même si dans une certaine littérature (populaire), la température est définie comme étant une moyenne de l'énergie cinétique de translation, ce n'est pas tout à fait vrai.

La température est vraiment définie comme une moyenne de tous les modes d'énergie. Que dire alors des énergies de vibration et de rotation? À nos températures troposphériques basses, la distribution de l'énergie de vibration est très simple: environ 5% ou moins des molécules sont dans le premier état excité et 95% ou plus sont dans l'état fondamental. L'énergie de rotation peut être calculée classiquement sans correction quantique le résultat est qu'elle suit aussi une distribution de Maxwell Boltzmann. Par conséquent, si l'on veut tracer l'énergie totale (Etranslation + Evibration + Erotation) nous redimensionnons l'axe des x et obtenons exactement la même courbe que celle qui est montrée. Cependant, comme nous nous intéressons aux interactions T / V, c'est la courbe de l'énergie cinétique de translation qui nous intéresse.

  • Nous constatons l'omniprésence de l’ETL à nouveau. Cette courbe a été obtenue et expérimentalement confirmée si et seulement si, le gaz est en ET. Par conséquent, les deux énoncés suivants sont équivalents: «Le gaz est en ETL», «La distribution d'énergie à chaque point est donnée par la distribution de Maxwell Boltzmann".

Si vous pensez que ces affirmations ne sont pas équivalentes, relisez bien ce qui est plus haut. Maintenant nous pouvons démontrer pourquoi l'argument de Type 2 est faux. Imaginez que vous mélangez du N₂ froid représenté par la courbe bleue de la figure avec du CO₂ fortement excité en vibration. Le mélange ne serait alors plus en ETL et un transitoire aurait lieu. Dans le processus moléculaire (1) CO₂* + N₂ → CO₂ + N₂⁺ qui dit qu'une molécule CO₂ excitée en vibration (CO₂*) entre en collision avec une molécule N₂, chute à l'état fondamental (CO ₂) et augmente l’énergie cinétique de translation de N₂ (N₂⁺), il y aurait un transfert net d'énergie de CO₂* vers N₂.

Résultat de ce transfert, la température de N₂ augmenterait et la courbe bleue irait vers le rouge. Mais alors, le nombre de molécules capables d'exciter le CO₂ en vibration augmenterait (voir les aires bleues sur la figure).

Cela signifie que lors de l'augmentation de la température de N₂, le taux du processus inverse (2) CO₂ + N₂⁺ → CO₂* + N₂ où les molécules N₂ (celles de l’aire bleue de la figure) excitent en vibration les molécules de CO2, augmentera aussi. Bien sûr, le transfert net d'énergie transitoire de CO₂ à N₂ ne va pas continuer indéfiniment, car sinon le mélange se transformerait en plasma super chaud.

Un équilibre local s’établira en chaque point et, à cet équilibre, le taux du processus (1) sera exactement égal à celui du processus (2). La courbe de distribution d'énergie ne bougera plus et la distribution de Maxwell Boltzmann décrira cette distribution en tout point. C'est exactement la définition de l’ETL.

Le transitoire s'arrête lorsque le mélange atteint l’ETL et sa caractéristique est qu'alors il n'y a pas de transfert net local d'énergie de CO₂ à N₂. Ce résultat démontre et que l'argument Type 2 est faux et que la réponse à la question posée au début est "Non". En quelques mots très simples, si vous prenez un petit volume (par exemple 1 m³) de mélange CO₂ – N₂ en ETL autour de tout point, alors il ne peut y avoir transfert d'énergie nette de CO₂ à N₂ dans ce volume.

Pour établir la dernière étape, nous prendrons les formulations suivantes.

  • Le résultat obtenu pour le mélange CO2 – N2 en ETL est également vrai pour un mélange à 78% N2, 21% O2, x% CO2 et 100-x-99% H2O en ETL.

  • Le mélange défini ci-dessus est voisin de celui de la troposphère et la troposphère est en effet en ETL

  • Des deux affirmations ci-dessus, on déduit le résultat démontré suivant:

«Le CO ₂ ne chauffe pas la troposphère" qui est la réponse à la question du titre.

Mise en garde 1

Je l'ai dit à la fois dans le post initial et dans celui-ci. Malheureusement, je sais qu'on ne peut éviter que certains lecteurs seront encore troublés par le résultat établi ici et commenceront à envisager des transferts radiatifs ou des équilibres radiatifs. C'est pourquoi je souligne à nouveau que l’ETL et le résultat établi ici sont totalement indépendants des propriétés des équilibres et des transferts radiatifs.Toutefois, il réfute un malentendu concernant les propriétés radiatives des émissions de CO₂ qui a également figuré dans les commentaires et qui est que «CO ₂ ne rayonne pas à 15μ, parce qu’à la place, il " chauffe" N₂». Il faut aussi noter que nous considérons le seul processus T / V car seuls ces modes de vibration interagissent avec le rayonnement infrarouge. Il y a aussi des transferts rotation / translation et rotation / vibration. Le même argument utilisé pour T / V s'applique aussi pour les processus R / T et R / V en ETL – p. e. il n'y a pas de transfert d'énergie nette entre ces modes d’ETL, même si par exemple le processus R / T a une probabilité beaucoup plus élevée que T / V. Pour la clarté, nous ne mentionnons pas spécifiquement les processus R /T et R / V.

Mise en garde 2

Le résultat établi ici est une propriété thermodynamique statistique brute. Cette propriété n'est évidemment pas suffisante pour établir toute la dynamique d'un système à toutes les échelles de temps et d'espace. Si telle était notre ambition – ce qui n'est pas le cas – nous devrions alors tenir compte des conditions aux limites, de la masse macroscopique, des transferts d'énergie et de moments, p. e. convection, conduction, changements de phase, délais, etc … Plus précisément ce résultat ne contredit pas l'observation triviale suivante : si l'on modifie les paramètres du système, par exemple la composition, la pression, l'intensité du rayonnement et le spectre, etc, alors la dynamique du système change aussi.

Et pourtant, cela contredit l'idée qu'une fois ces paramètres fixés il y a un transfert net d'énergie du CO₂ à la troposphère. Il n'y a en pas.

Mise en garde 3

Ceci apparaîtra sans doute évident à la plupart d'entre vous, mais il faut le répéter. Ce résultat dit peu de choses sur les comparaisons des dynamiques de deux systèmes très différents tels que, par exemple, une Terre sans océans ni atmosphère, et une Terre avec océans et atmosphère. Clairement la dynamique sera très différente, mais il demeure que dans le cas d’une Terre réelle avec une atmosphère en ETL, il n'y aura pas de transfert d'énergie nette de CO ₂ dans l'atmosphère.

(Source)

@@@@@@

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51.  lemiere | 26/09/2010 @ 19:27 Répondre à ce commentaire

Non , c’est ma faute je ne peux pas m’empecher de digresser voire de raconter des conneries , de plus je suis sceptique , je cherche juste des infos et je suis trop faineant pour les lire en anglais…je prefere pensée unique c’est certain…

52.  Araucan | 26/09/2010 @ 19:37 Répondre à ce commentaire

volauvent (#45),

Oui, c’est à réfléchir sérieusement … 😉

53.  Clem | 26/09/2010 @ 19:53 Répondre à ce commentaire

CL (#50),

C’est vraiment l’asile, ce blog… “Le CO2 chauffe-t-il la troposphère ?” !! et vous dites quoi de “La lumière éclaire-t-elle ?” allez, ciao les cons.

Salut, merci de ta participation.
Pourrais-tu rester plus longtemps pour partager avec nous tes connaissances s’il te plait ?

54.  phi | 26/09/2010 @ 20:37 Répondre à ce commentaire

A l’isotope Cl50, à lemiere dont j’apprécie l’humour décalé et à Electron.
Les modèles se plantent sur le réchauffement troposphérique, faut bien trouver pourquoi. C’est peut-être pas la bonne réponse mais qui dit mieux ? Pour préciser : l’erreur n’a rien à voir avec une plus ou moins bonne prise en compte de l’effet du CO2, c’est bien à un niveau plus fondamental qu’il faut chercher (pas de corrélation entre l’erreur et la sensibilité climatique calculée).

55.  lemiere | 26/09/2010 @ 21:45 Répondre à ce commentaire

C’est sympa…oh la modelisation.. faut bien essayer d’en faire.. mais je ne suis pas sur qu’on ait la physique pour le faire.. et je ne pense pas qu’on ait une connaissance ds mecanismes du climat pour le faire mais je ne suis pas de la partie, c’est une opinion ( mais que vient affermir les renversement des point de vue que l’on voit parfois http://www.pensee-unique.fr/oceans.html#wu)…c’est en partie ce que j’essayais de dire sur le post… quand c’est thermalisé on peut dire des trucs mais quand ça ne l’est plus ben on bricole avec des bouts de ficelle…typiquement le cas de « l’équilibre thermique local »…on a vite fait de dire des conneries…
Il faut etre clair…. dans la majeure partie des cas le moindre problème réel echappe à notre capacité de traitement par le calcul…dans le cas du climat c’est vrai à presque toutes les echelles…

je suis plus demandeur de données d’observation ….

56.  Patrick Bousquet de Rouvex | 26/09/2010 @ 22:30 Répondre à ce commentaire

Un post ancien, mais trouvé en lien chez Huet : voilà où était passé Robert !!! : http://coolpolitique.canalblog.....64506.html

57.  Scaletrans | 27/09/2010 @ 10:34 Répondre à ce commentaire

Patrick Bousquet de Rouvex (#56),

Et toujours les mêmes arguments (un tel a été réfuté, il n’est pas pire reviewed, etc…) et des attaques ad hominem. Qu’une personne extérieure au débat, mais de bonne foi (ce n’est pas si courant!) vienne parcourir ces posts, et il devrait vite conclure que, d’un côté il y a des articles scientifiques, et de l’autre des injures en guise de réfutation.

58.  joletaxi | 27/09/2010 @ 16:43 Répondre à ce commentaire

Dans la série, : »mais que font nos petites molécules, avec leurs petits atomes, leurs petits électrons, leurs petits photons,lorsque l’on les laisse vivre leur vie? »
un article intéressant,qui introduit une nouvelle approche:

http://hockeyschtick.blogspot.......html#more

On l’avait oubliée, la pomme de Newton…

59.  Electron | 27/09/2010 @ 21:17 Répondre à ce commentaire

Article intéressant . J’ai toujours été étonné des 33° d’effet de serre que l’on nous assène sachant que le gradient de tempèrature adiabatique peut expliquer bien des choses en considérant que le « point d’application » des -18° de la loi de stephan boltzman serait sensiblement la température de la moitié de la colonne d’atmosphère (+- 5000m). Ce qui reviendrait à diviser par plus de 2 l’impotance du fameux effet de serre .
Enfin, tout ceci n’engage que moi 😉

60.  Electron | 27/09/2010 @ 21:19 Répondre à ce commentaire

Ps j’ai oublié la citation :
joletaxi (#58),

61.  joletaxi | 27/09/2010 @ 22:08 Répondre à ce commentaire

Electron (#59),

« J’ai toujours été étonné des 33° d’effet de serre q »

vous n’êtes pas le seul on dirait:

But what many people don’t realize is that the 33 deg. C of surface warming is not actually a measure of the greenhouse warming – it represents the balance between TWO competing effects: a greenhouse warming effect of about 60 deg. C (the so-called “pure radiative equilibrium” case), and a convective cooling effect of about 30 deg. C. When these two are combined, we get the real-world observed “radiative-convective equilibrium” case.

This has been known since at least 1964 (Manabe and Strickler, 1964). It was also discussed in Dick Lindzen’s 1990 paper, Some Coolness Regarding Global Warming, which is when I became aware of its significance.

Il faut lire et relire Spencer…

62.  Patrick Bousquet de Rouvex | 27/09/2010 @ 22:18 Répondre à ce commentaire

joletaxi (#61), Pensez à Marot, les gars, un peu de politesse, svp !

63.  Marot | 27/09/2010 @ 22:38 Répondre à ce commentaire

But what many people don’t realize is that the 33 deg. C of surface warming is not actually a measure of the greenhouse warming – it represents the balance between TWO competing effects: a greenhouse warming effect of about 60 deg. C (the so-called “pure radiative equilibrium” case), and a convective cooling effect of about 30 deg. C. When these two are combined, we get the real-world observed “radiative-convective equilibrium” case.

This has been known since at least 1964 (Manabe and Strickler, 1964). It was also discussed in Dick Lindzen’s 1990 paper, Some Coolness Regarding Global Warming, which is when I became aware of its significance.

Ce que beaucoup de gens ne réalisent pas est que les 33°C de réchauffement de la surface n’est pas en ce moment une mesure de l’effet de serre – ils représentent l’équilibre entre deux effets concurrents: un effet de réchauffement par effet de serre d’environ 60° C (le prétendu «pur équilibre radiatif»), et un effet de refroidissement par convection d’environ 30°C. Quand les deux sont combinés, nous sommes dans le monde réel observé de « l’équilibre radiatif-convectif ».

Ceci est connu depuis au moins 1964 (Manabi et Strickler, 1964). Ceci a également été discuté dans un papier de Dick Lindz dans les années 1990, « Some Coolness Regarding Global Warming », où j’ai pris conscience de l’importance de sa signification.

64.  joletaxi | 27/09/2010 @ 23:48 Répondre à ce commentaire

Marot (#63),

merci
j’ai affiché dans mes onglets le traducteur Google, qui n’est pas si mauvais finalement.
Le plus dur, c’est ma fainéantise, mais je ne m’en cache pas….

65.  Marot | 27/09/2010 @ 23:51 Répondre à ce commentaire

joletaxi (#64)
Il n’y avait aucun reproche de ma part.

66.  luc | 28/09/2010 @ 7:35 Répondre à ce commentaire

Marot (#63),

La formulation est surprenante, un échange d’énergie sous quelque forme que ce soit devrait s’exprimer en W, la température étant liée aux conditions locales.
A moins qu’on n’en soit encore à la fameuse « température globale », et là ce n’est pas grave.

67.  Marot | 28/09/2010 @ 7:44 Répondre à ce commentaire

Marot (#63)
Coquille :
lire Dick Lindzen
(Dick mis pour Richard)
luc (#66)
Ceci montre que l’à peu près sévit partout.

68.  Araucan | 28/09/2010 @ 14:50 Répondre à ce commentaire

luc (#66),

L’énergie , ce sont les joules pas les W (puissance …) 😉

69.  luc | 28/09/2010 @ 17:50 Répondre à ce commentaire

Araucan (#68),
Un flux d’énergie est une puissance aurais-je du dire. 1 W c’est 1 J/s.

Les joules serviront lors d’un bilan global sous forme d’une intégrale de la courbe des puissances échangées.

70.  lemiere | 29/09/2010 @ 22:49 Répondre à ce commentaire

oui je suis bien d’accord..mais bon ce sont des calculs souvent etranges… ils indiquent juste que l’ont comprend en gros ce qui se passe dans le fourbi…

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