Comprendre l’effet d’atmosphère /2

La température de surface au niveau de la mer.
Par les équations {1} et {3}, il peut être calculé qu’une sphère d’un corps noir parfait entourant le Soleil d’un rayon de une unité astronomique (1a.u., distance de la Terre au Soleil) s’échaufferait à une température d’équilibre de 121°C. C’est la température maximum concevable qu’un objet puisse atteindre par chauffage radiatif solaire, elle correspond à la densité de flux d’énergie radiative solaire à cette distance. Les lois de la thermodynamique nous disent qu’il ne peut pas y avoir de ré-échange naturel de cette radiation pouvant produire un réchauffement supplémentaire. Quand le Soleil est à la verticale sur une partie de la Terre, le sol local est comme un disque et donc peut atteindre cette température, mais des variations locales d’albédo et l’absorption atmosphérique entraîneront une diminution de cette température.

Examinons un exemple qui devrait être intuitif pour la plupart des gens. Le sable a une gamme d’albédo d'un peu moins de 20% à plus de 40% ; pour un sable de plage nous prendrons une valeur moyenne de 30%. Cela convient car c’est la même valeur moyenne que pour la Terre entière. Par un jour chaud et ensoleillé, à la plage, au milieu de l’été, le Soleil est très proche de la verticale pendant quelques heures autour du midi solaire. Pendant ce temps, par l’équation de Stefan-Boltzmann on calcule que la température d’équilibre locale est 87°C. Nous sommes familiers de la traversée en courant pour essayer de ne pas cuire nos pieds nus, mais le sable n’atteint pas 87°C, et est vraiment plus près de 45°C-55°C. Quelle est ici la source de la différence ?

En astronomie, la mesure de la brillance d’une étoile est appelée photométrie. Il est bien connu des astronomes depuis des centaines d’années que la brillance d’une étoile est réduite quand sa lumière passe de l’espace extérieur vide à travers l’atmosphère jusqu’au sol où se trouve le télescope. A la base, nous pouvons imaginer l’atmosphère de la Terre fonctionnant comme un brouillard, qui ainsi réduit la brillance d’une source lumineuse en comparaison de ce qu’elle serait sans brouillard. La première étape de calcul d’un astronome pour déterminer la brillance de l’étoile qu’ils mesurent est d’appliquer ce qui est appelé la « correction photométrique » aux données de brillance mesurées. Il y a plusieurs méthodes de mesure pour déterminer les valeurs de cette correction, que nous n’avons pas besoin d’étudier ici, mais après que cette correction soit appliquée aux données l’astronome possède ce qui est appelé la brillance « outre atmosphérique » d’une étoile. Cet effet d’atmosphère est un fait numérique identique à celui qui voit l’éclairement des phares d’un véhicule réduit en distance lors d’une conduite dans une nuit de brouillard. En astronomie et en physique ce phénomène est généralement appelé « extinction atmosphérique ».
Il est souvent affirmé que l’atmosphère terrestre est transparente aux longueurs d’onde de la lumière visible, impliquant que toute la lumière visible du Soleil arrive jusqu’au sol. Cette interprétation simple est physiquement inexacte. Bien sûr le Soleil est une étoile et les effets de l’extinction atmosphérique s’appliquent également à lui. Les longueurs d’onde dans le jaune supportent environ 25% d’extinction quand le Soleil est à la verticale, avec les ondes plus courtes plus réduites et les plus  longues moins ; l’extinction moyenne pondérée sur toutes les longueurs d’onde est en gros de 25%, mais cela peut être légèrement supérieur ou inférieur en fonction de la transparence de l’air. La quantité d’extinction est aussi accrue si la lumière traverse plus d’atmosphère, ce qui arrive quand l’étoile n’est pas directement à la verticale. La lumière alors voyage à travers l’atmosphère jusqu’à votre emplacement sous un angle. Bien sûr, s’il y a des nuages, alors à peine quelques rayons passent au travers.

Le résultat net est que de la totalité de l’énergie radiative qui atteint le sommet de l’atmosphère, seulement 75% arrive réellement à la surface quand le Soleil est directement à la verticale. Les autres 25% de l’énergie solaire sont perdus dans l’atmosphère par l’extinction. Si nous symbolisons l’extinction par la lettre grecque epsilon (ε), nous pouvons facilement modifier l’équation {9} pour en tenir compte et nous pouvons alors prédire la température d’équilibre radiatif de la surface. Nous incorporons simplement l’extinction (ε) de la même façon que nous l’avons fait pour l’albédo et la nouvelle équation devient :

f11.jpg

51.  lemiere jacques | 9/01/2012 @ 23:13 Répondre à ce commentaire

Bernnard (#49), oui et alors…ce n’est pas un corps noir…cela rayonne comme un corps noir..en outre nous ne parlons que de la surface du soleil….
..
5800°?
pas partout par exemple..et pourtant …
je m’oppose juste au raisonnement qui viendrait du second principe….du genre on ajoute un corps noir autour du soleil…. pour moi pas moyen que ça atteigne un équilibre tant que des réactions nucléaires ont lieu… et surtout la température de surface du soleil sera modifiée…. il se refroidira moins vite.

En fait là encore je vous engage à regarder spencer ..qui a fait un petit article là dessus.

52.  Laurent Berthod | 9/01/2012 @ 23:15 Répondre à ce commentaire

Titoune (#47),

Bob,

En fait pous pinaillez sur l’appellation du phénomène, pas sur son fonctionnement.

Bob ne pinaille pas du tout sur l’appellation d’un phénomène, mais sur une expression absolument erronée de caille folle qui dénote une inculture linguistique ou scientifique de sa part. Quand on conteste des gens sérieux (qui peuvent néanmoins se tromper) il vaut mieux réfléchir à ce qu’on dit avant de le dire. Caille folle n’a pas volé sa volée de bois vert !

53.  Titoune | 10/01/2012 @ 11:51 Répondre à ce commentaire

Laurent berthod,

Je ne faisais pas allusion à ce qu’a dit Caille folle mais à la définition de l’effet de serre dénoncé par G&T (lesquels dénient clairement un effet radiatif atmosphérique quel que soit son appellation).

54.  Nobody | 10/01/2012 @ 12:53 Répondre à ce commentaire

Titoune (#53),

G&T (lesquels dénient clairement un effet radiatif atmosphérique quel que soit son appellation).

Absolument pas, vous mentez.

55.  Marot | 10/01/2012 @ 13:58 Répondre à ce commentaire

Nobody (#54)
Les deux mentent car ils ne savent pas de quoi ils parlent.

Ils ne font que régurgiter les tombereaux d’imbécillités déversés par les Cook-the-crook, Romm, Olivier le petitout de T&V, Rabbet-Halpern qui a reçu avec ses petits copains une sacrée déculottée et une humiliation majuscule, et d’autres obsédés du RCA parce qu’ils en vivent et en vivent très bien.
Suivez leur pognon ! vous comprendrez tout.

56.  Titoune | 10/01/2012 @ 14:47 Répondre à ce commentaire

Nobody

Lisez donc l’article….( heuh correctement et pas avec votre vue biaisée).

57.  Nobody | 10/01/2012 @ 19:07 Répondre à ce commentaire

Titoune (#56),

Lisez donc l’article…

C’est bien parce que je l’ai lu, entièrement et attentivement, que je dis que vous mentez.
Si vous ne mentiez pas, vous pourriez quoter la phrase de l’article (en indiquant le chapitre ou on la trouve) dans laquelle G ou T explicitement « dénient clairement un effet radiatif atmosphérique »

Hors vous ne le pouvez pas, parce qu’une telle phrase n’existe pas dans l’article: donc vous mentez… (CQFD).

58.  Araucan | 10/01/2012 @ 21:29 Répondre à ce commentaire

Titoune, Nobody,

Tout le monde a compris. Merci d'arrêter sur ce sujet.

59.  caille folle | 10/01/2012 @ 22:43 Répondre à ce commentaire

Bob (#29), Bob (#46), Laurent Berthod (#52),

Certes, j’ai écrit mon dernier commentaire un peu rapidement. Les 33 K représentent un ordre de grandeur de la différence entre température sans effet de serre et avec, et non la valeur sans effet de serre. Toute personne qui s’intéresse à la discussion le sait.

Comme je disais, c’est un ordre de grandeur calculé avec un calcul simple (il existe peut être des calculs plus chiadés, je ne suis pas aller vérifier).

L’argument principal de votre Kramm (qui discute des valeurs quantitatives, pas l’existence de l’effet de serre), c’est que la température effective et la température moyenne sont deux grandeurs différentes à cause de l’hétérogénéité de la distribution de température. La moyenne de la racine 4e de la moyenne de T^4^ est supérieure à T moyen si sa distribution n’est pas homogène, nous disent les maths. Pour un flux de 396Wm-2 (équivalent au flux émis par la surface, valeur de la figure 15), et un corps noir, la température d’émission (comparable à une température effective car a le même sens physique) est de 289K ((flux/sigmaSB)^0.25^) soit 34 K de plus que la température effective sans effet de serre (255K), le reste étant inchangé. Si on rajoute un epsilon pour l’émissivité (inférieur à 1) et qu’on le suppose constant alors la différence des températures est multipliées par 1/epsilon^4^, soit augmentée (d’un pouième).
Comme Tmoy est inférieure à moy(T^4^)^0.25^, alors la différence entre Tmoy avec effet de serre et Tmoy sans effet de serre est supérieur à la différence entre Tmoy avec effet de serre et Teff sans effet de serre (les 33K, dans le cas de la Terre). Et ça marche très bien pour la Lune: Teff est supérieur à Tmoy, voir les valeurs de papier de votre Kramm.

Supérieur à 33K, c’est en effet différent de 33K, mais on s’en fiche car c’est un ordre de grandeur.

On s’en fiche même complètement car que ce soit pour un modèle de climat ou un modèle régional, aucune de ces valeurs n’est un paramètre d’entrée du modèle et aucune des hypothèses discutées n’est faite, pour des raisons évidentes: ces modèles résolvent explicitement la température horizontalement et verticalement (ils ne sont pas 0-D, la température est locale). De plus, les modèles de transfert radiatif y sont infiniment plus compliqué et sont validés (flux, raies spectrales, etc).

Ces hypothèses ne sont pas utilisées dans les modèles les plus sophistiqués utilisés pour étudier le climat, contrairement à ce que vos commentaires sous-entendent.

Et hormis quelques mythomanes qui se comptent sur les doigts d’une main et publient dans des revues pourries, personne ne remet en cause l’effet de serre planétaire.

60.  Bob | 11/01/2012 @ 0:30 Répondre à ce commentaire

caille folle (#59),

Supérieur à 33K, c’est en effet différent de 33K, mais on s’en fiche car c’est un ordre de grandeur.

Décidément !

Un ordre de grandeur, c’est une puissance de 10.
Par exemple,
1sad10^0),
10 sad10^1) ,
100 sad10^2) etc.

33 n’est pas un ordre de grandeur.
L’ordre de grandeur de 33 c’est 10.

Normalement, on apprend ça au collège (en quatrième).

http://www.mathox.net/quatriemes_puissances.html

Pour essayer de parler comme les scientifiques, il faut être capable d’utiliser leur langage avec précision.

Le reste ne vaut guère mieux.
Du blabla internet.

61.  Jean-Michel Bélouve | 11/01/2012 @ 9:55 Répondre à ce commentaire

Examinons une colonne d’atmosphère de base 1 m², située à la surface de la terre, en un endroit où la température est mesurée à 15° C. On peut situer la température moyenne de cette colonne aux environs de son centre de gravité, qui se situe à l’altitude où la pression est de 506 hectopascals, soit vers 5 km. On constate qu’à ce niveau, la température est de l’ordre de -18° C.

La base de cette colonne, constituée de la surface terrestre chauffée par les rayons solaires, tend à se refroidir. Elle le fait par rayonnement infrarouge, certes, mais aussi par conduction (chocs des molécules d’air), et par évaporation de l’humidité qu’elle contient. La surface n’apparait donc pas se comporter tout à fait en corps noir, et un coefficient d’émissivité inférieur à un doit lui être appliquée.

Le rayonnement émis par la surface sera très vite capté par des gaz tels que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, etc. Seuls s’échappent les rayons dont la fréquence ne correspond pas au spectre d’absorption des ces différents gaz. Au voisinage de la surface terrestre, les molécules d’air sont, en moyenne, 17 fois plus nombreuses que celles de dioxyde de carbone. Or la plage d’absorption de la vapeur d’eau est bien plus large en longueurs d’onde que celle du CO2, et elle recouvre largement cette dernière. La plus grande partie du rayonnement absorbé le sera par H2O. Dans tous les cas, toutes les longueurs d’onde absorbables le sont effectivement en un espace d’une dizaine de mètres au dessus de la surface. Augmenter la concentration en CO2 ne change donc rien, puisque nous avons déjà plus de gaz absorbants qu’il ne faut pour absorber toute l’énergie absorbable.

Une molécule de H2O ou de CO2 qui vient d’absorber un photon se trouve dans un état d’excitation, qu’elle va perdre, soit en réémettant un photon identique en fin d’excitation, soit en échangeant son énergie avec des molécules d’air qui viennent la heurter. une molécule d’air subit quelques milliards de chocs par seconde, en basse altitude, alors que le temps nécessaire à la réémission d’un photon absorbé se mesure en microsecondes. C’est assez long pour que la molécule subisse plusieurs milliers de chocs. C’est dire qu’au voisinage de la surface, les molécules de gaz transmettent leur énergie par conduction, et non par radiation.

Les conditions propices à une réémission, et donc à la manifestation du phénomène qu’on a affublé du vocable d’effet de serre, ne peuvent donc se trouver qu’en haute altitude, là où l’air très peu dense, et où la vitesse des molécules est bien plus lente, parce qu’elles sont bien plus froide qu’à l’altitude du sol. Il n’y a aucune chance de voir ces photons réémis revenir à la surface, car ils sont, soit absorbés par une molécule d’eau, de CO2, de CH4, etc., soit ils s’échappent vers l’espace.

Au dessus de la surface, donc, le rayonnement infrarouge réchauffent les molécules de vapeur d’eau et d’autres gaz absorbants, qui à leur tour communiquent leurs calories aux molécules voisines pour réaliser ce que les physiciens appellent un équilibre local de température. Ces petits volumes d’air réchauffés se dilatent, perdent de la densité, subissent la force d’Archimède qui les fait monter en altitude, pendant que de l’air plus froid viennent prendre leur place. C’est l’amorce du mouvement de convection qui permet de répartir la chaleur captée du soleil par la surface sur la partie de la colonne d’air se situant dans la tropopause, haute d’une douzaine de kilomètres sous nos latitudes.

Les climatologues adeptes de l’orthodoxie du GIEC accordent donc une importance très exagérée aux phénomènes radiatifs dans la formation des températures à la surface et dans la tropopause. Ces phénomènes radiatifs apparaissent utiles pour l’étude de la stratosphère, où les notions d’équilibre local de température et de convection n’ont plus aucune importance.

Pour les anglicistes désireux d’approfondir tout cela, je recommande l’ouvrage des russes Sorokhtine, Chillingar et Kiliuk, « Global Warming and Global Cooling: Evolution of Climate on Earth ».

62.  Jean-Michel Bélouve | 11/01/2012 @ 11:50 Répondre à ce commentaire

erratum 3ème paragraphe:
« les molécules d’air sont, en moyenne, 17 fois plus nombreuses que celles de dioxyde de carbone ».
Lire:
« les molécules de vapeur d’eau sont, en moyenne, 17 fois plus nombreuses que celles de dioxyde de carbone ».

63.  Titoune | 11/01/2012 @ 14:21 Répondre à ce commentaire

Bob

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordre_de_grandeur

64.  Titoune | 11/01/2012 @ 14:29 Répondre à ce commentaire

Mieux ici:

http://science-for-everyone.ov.....59558.html

65.  Marot | 12/01/2012 @ 7:04 Répondre à ce commentaire

Bob (#60)
J’aime quand l’un enfonce l’autre !

extraits des deux sites proposés pour vous éviter d’aller les lire. Ils n’apprennent rien à quiconque a le moindre vernis scientifique

Dans le langage scientifique courant, on compare volontiers deux grandeurs de même nature, et on énonce le résultat sous la forme que « l’une est de deux ordres de grandeurs plus grande » que l’autre, c’est-à-dire environ cent fois plus grande. Ceci revient à donner l’ordre de grandeur du rapport.

En science, un ordre de grandeur représente une puissance de 10.

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