La même analyse peut être appliquée aux déserts et aux zones tropicales avec une bonne précision. Comme nous l’avons vu, avec un albédo de 30% et une extinction de 25%, il y a plus qu’assez d’énergie solaire incidente pour chauffer la surface à une température très élevée. La majorité de cette énergie est absorbée dans le chauffage de l’océan, mais sur les terres une grande part va dans la vapeur d’eau. Eau liquide et eau vapeur ont toute deux des capacités thermiques très élevées, ce qui signifie qu’elles peuvent contenir beaucoup d’énergie sans s’échauffer beaucoup. Ou bien encore, que quand de l’eau liquide ou vapeur se sont réchauffées, elles conserveront cette énergie pendant longtemps avant que la chaleur n’en soit rayonnée au loin. Un très bon exemple de ceci est la comparaison des températures de nuit dans les déserts et les zones [inter] tropicales. Dans un désert, la quantité de vapeur d’eau atmosphérique est extrêmement faible ; dans une forêt pluviale [inter] tropicale, elle sera la plus élevée que l’on puisse trouver naturellement sur Terre. C’est pour cette raison que la chute de température dans un désert équatorial [tropical] du maximum au minimum pourra atteindre 60°C entre le jour et la nuit, alors que dans la forêt tropicale [équatoriale] la température pourra ne baisser que de 5°C à 10°C. La forêt pluviale se refroidit beaucoup plus lentement que le désert parce qu’il y a beaucoup plus de vapeur d’eau dans l’air, ce qui est efficace pour conserver la chaleur. Pour être clair il est incorrect de dire que la vapeur d’eau « est la cause » du réchauffement de l’air dans la nuit intertropicale[équatoriale] ; ce qui est correct du point de vue de la physique est de dire que la vapeur d’eau a un taux de refroidissement très faible, et donc garde la chaleur plus longtemps. Mais vous pouvez être assuré que, si le Soleil ne selevait plus, la forêt pluviale équatoriale comme le désert tropical se refroidiraient tous les deux jusqu’à seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Passons à une surface plus grande, l’hémisphère de la Terre qui est éclairé par le Soleil a un facteur de projection “p=2” dans l’équation de Stefan-Boltzmann. Si vous appliquez un albédo moyen de 30% et que vous tenez compte de l’ensemble atmosphère+surface, et de plus n’excluez pas le facteur d’extinction, alors la température d’équilibre radiatif calculée est d’environ 30°C. Donc l’hémisphère entière de la Terre, qui fait face au Soleil, peut s’échauffer à une température moyenne élevée ! Quand vous vous déplacez de l’équateur aux pôles nord et sud, l’angle que fait la lumière solaire avec le sol croît de plus en plus et ceci réduit l’énergie solaire par mètre carré, ou la densité de flux énergétique, qui réduit donc la température d’équilibre radiatif. Un modèle mathématique simple, cosinus dépendant, devrait prédire que la température aux pôles serait près du zéro absolu [~ -273°C], car à quatre-vingt dix degrés du zénith solaire le sol ne recevrait pas du tout d’énergie solaire. Bien entendu, les courants aériens et marins recueillent la chaleur incidente dans les régions chaudes et la transportent vers les pôles, ainsi leur température ne descend que vers –40°C à –50°C, au cours de leurs plus froides saisons hivernales.
Ce modèle mathématique simple, fondé uniquement sur l’équilibre énergétique radiatif prédirait en effet que la périphérie tout entière de l’hémisphère, la totalité de la frontière entre le jour et la nuit, devrait être près du zéro absolu. Et comme le côté obscur de la planète ne reçoit aucune radiation solaire, l’équation d’équilibre de Stefan-Boltzmann [avec l’irradiation solaire] ne peut pas même s’appliquer directement. Cependant, les régions équatoriales qui passent du jour à la nuit (ou de la nuit au jour) sont toujours plus chaudes que les régions polaires, la raison de cela est évidente : la rotation terrestre « projette » essentiellement la chaleur collectée par les océans et les terres du côté jour vers et au-dessus du côté nuit. Et même dans un désert, où le refroidissement nocturne est le plus rapide en raison de l’absence de vapeur d’eau, la rotation de la Terre est assez rapide pour que, avant qu’il ne fasse trop froid, le Soleil se lève à nouveau et relance le processus de réchauffement quotidien. Nous reviendrons plus loin sur ce sujet du chauffage hémisphérique dans notre analyse de la théorie de la serre, car c’est très important.
Revenons, pour finir à la Terre dans son ensemble plutôt que dans ses plus petites parties. Nous avons vu que, aux échelles de temps courtes, des zones localisées de la surface terrestre tendent vers l’équilibre thermique avec l’énergie solaire incidente et peuvent ainsi atteindre des températures très élevées. Il était très important de développer cette compréhension de la raison et de l’origine de la chaleur du jour localement, avant de terminer cette partie par une analyse thermodynamique complète de la moyenne globale de l’ensemble de la planète entière.
Comme discuté antérieurement, sur le long terme, l'énergie solaire arrivant sur Terre se trouve répartie sur l'ensemble de la planète. Nous utiliserons un facteur de projection de ‘p=4’ dans l’équation d’équilibre radiatif de Stefan-Boltzmann de façon à calculer quelle devrait être la température moyenne d’équilibre radiatif de la Terre entière. Comme dans les exemples que nous venons de discuter, la température d’équilibre radiatif globale, calculée par l’équation de Stefan-Boltzmann est celle confirmée par l’observation : un spectre du corps noir à 255K ou –18°C. Maintenant, qu’arrive-t-il si nous tentons de calculer la température d’équilibre de la surface à long terme en enlevant les 25% d’énergie perdue par l’extinction atmosphérique ? Nous calculons alors une température de surface de l’ensemble de la Terre de –45°C. Ou, si vous appliquez les 25% de l’énergie solaire au chauffage direct de l’atmosphère par l’extinction, alors la température de l’air est seulement de –76°C. Ces températures ne sont pas ce qui est réellement mesuré pour les moyennes à long terme, et la raison en est très importante à comprendre : c’est seulement sur le long terme que vous pouvez avoir un calcul exact de la température pour le système Terre tout entier. Sur le court terme, vous pouvez distinguer les effets de l’extinction atmosphérique et très précisément déterminer les températures de la surface du sol à la verticale du Soleil. Mais à long terme, toute la chaleur se trouve répandue alentour autant qu’il est possible, et alors la possibilité de distinguer entre l’atmosphère et le sol disparaît. Sur le long terme, lathermodynamique ne se soucie pas de l’endroit où la chaleur s’étale. La surface de la Terre plus son atmosphère environnante constituent un système thermodynamique intégré et quand vous voulez considérer la température d’équilibre de l’ensemble à long terme, ce qui est ce que nous faisons quand nous enlevons seulement l’albédo, alors la température d’équilibre radiatif que nous calculons s’applique à l’ensemble de ce système intégré. Donc, quand nous parlons de la température d’équilibre de la Terre à long terme, nous ne nous référons pas seulement au sol de la Terre, mais plutôt au système de la surface entière (incluant la mer) plus l’atmosphère. La moyenne thermodynamique calculée de –18°C ne s’applique qu’au système entier intégré à long terme, et ce système que nous observons quand nous confirmons la température d’équilibre par des mesure du spectre de la Terre à partir de l’espace.
65 réponses à “Comprendre l’effet d’atmosphère /2”
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.
Titoune (#47),
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 !
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).
Titoune (#53),
Absolument pas, vous mentez.
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.
Nobody
Lisez donc l’article….( heuh correctement et pas avec votre vue biaisée).
Titoune (#56),
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).
Titoune, Nobody,
Tout le monde a compris. Merci d'arrêter sur ce sujet.
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.
caille folle (#59),
Décidément !
Un ordre de grandeur, c’est une puissance de 10.
Par exemple,
1=(10^0),
10 =(10^1) ,
100 =(10^2) 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.
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 ».
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 ».
Bob
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordre_de_grandeur
Mieux ici:
http://science-for-everyone.ov…..59558.html
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