Effet de serre

Forçage radiatif

L’effet de serre (ou forçage radiatif) résulte de la basse température des couches supérieures de la troposphère, comparée à la température de la surface de la terre. Le système terre-atmosphère ne connaîtrait pas, en effet, l’effet de serre s’il était isotherme, émettant dans son ensemble dans le spectre infra-rouge comme le ferait un corps noir[i].

Spectre infra-rouge de la terre observé depuis l’espace. En pointillé les spectres théoriques correspondant à l’émission d’un corps noir aux différentes températures. Là où les raies d’absorption sont saturées (H2O au-dessous de 8.5 µm ou au-dessus de 20 µm, CO2 entre 15 et 17 µm) le spectre représente l’émission du corps noir à l’altitude à partir de laquelle l’atmosphère devient transparente, soit à la température de 260 K (-13°C soit environ 4.4 km) pour H2O et 220 K (-53°C soit environ 10 km) pour le CO2.
Spectre infra-rouge de la terre observé depuis l’espace. En pointillé les spectres théoriques correspondant à l’émission d’un corps noir aux différentes températures. Là où les raies d’absorption sont saturées (H2O au-dessous de 8.5 µm ou au-dessus de 20 µm, CO2 entre 15 et 17 µm) le spectre représente l’émission du corps noir à l’altitude à partir de laquelle l’atmosphère devient transparente, soit à la température de 260 K (-13°C soit environ 4.4 km) pour H2O et 220 K (-53°C soit environ 10 km) pour le CO2.

L’effet de serre augmente la température de surface de la planète en réduisant les pertes d’énergie vers l’espace par absorption des infrarouges émis par la terre. Cette absorption se fait principalement par la vapeur d’eau dans les couches basses de l’atmosphère, chaudes et humides, et par le CO2 dans les couches hautes, froides et sèches, produisant de la sorte un effet isolant qui s’interpose entre la surface chaude de la terre et le cosmos dont la température est proche du zéro absolu (2,7 K).

Si l’augmentation de l’effet de serre sous l’effet de l’augmentation de la teneur en vapeur d’eau dans l’atmosphère est bien comprise, cette relation de causalité est beaucoup plus subtile pour le CO2 en raison du phénomène de saturation qui fait que, en première approximation, l’absorption des infrarouges émis par la terre n’augmente pas avec sa concentration. Mais ceci n’est pas tout à fait vrai pour deux raisons  :

  • La raie d’absorption du CO2 située entre 14 et 17 µm n’est pas saturée sur ses ailes : l’absorption augmente donc faiblement avec la concentration du CO2
  • L’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique s’échappe vers l’espace augmente avec la concentration de CO2 en raison de l’épaississement de la couche opaque au sein de laquelle toute émission dans le spectre infrarouge du CO2 est réabsorbée ou diffusée. La température diminuant avec l’altitude, l’émission est plus faible, ce qui renforce le forçage radiatif de l’atmosphère.

Il y a lieu de souligner le rôle particulier joué par la vapeur d’eau sur le climat : le mécanisme invoqué pour expliquer la température clémente de notre planète, qui devrait être de -18°C en l’absence de tout effet de serre, lui est principalement attribué. La convection thermique redistribue l’humidité et homogénéise la température dans la couche de 0 à environ 4,4 km. Ceci influence l’équilibre thermique vertical de la planète en amenuisant la diminution moyenne de température avec l’altitude que l’effet de serre impose à la troposphère. Sans les mécanismes convectifs, le changement serait plus abrupt et donnerait une température moyenne de la surface terrestre plus élevée. En s’évaporant des océans la vapeur d’eau prélève de l’énergie, la chaleur latente[i], qui est libérée lors de sa condensation dans l’atmosphère. Le réchauffement qui en résulte limite les phénomènes de convection depuis la surface de la terre, réduisant ainsi les échanges thermiques vers la haute atmosphère. A ceci s’ajoute l’action des nuages bas qui ont un fort effet d’albédo et les nuages hauts dont l’effet de serre est important.

Équilibre énergétique

Le lien entre le réchauffement et l’augmentation de la concentration du dioxyde de carbone atmosphérique depuis le début de l’âge industriel est mal compris.Une rétroaction positive de la vapeur d’eau suite à l’augmentation de température amplifie l’impact des gaz à effet de serre. La boucle de rétroaction fait intervenir les océans à la fois en tant que pourvoyeurs de vapeur d’eau mais également par leur effet modérateur de la température de surface des continents. D’autre part au réchauffement anthropique se superpose la variabilité naturelle du climat qui, jusqu’à présent, restait hautement spéculative.

A l’équilibre thermique, l’énergie solaire reçue par la terre est égale à l’énergie thermique réémise dans l’espace sous forme de rayonnement infrarouge. En écrivant que le Flux infrarouge émis = Flux solaire absorbé, on obtient la relation bien connue :

4πR2σTe4= (1-A) πR2F0

où 4πR2 représente la surface de la terre, σTe4 l’émission du corps noir, (1-A) le coefficient d’absorption, πR2 la section de la terre, et F0 le flux solaire à l’extérieur de l’atmosphère ; Te est la température d’équilibre radiatif, A l’albédo planétaire, et σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10­-8W.m­-2 .K­-4).

Pour quantifier l’effet du forçage radiatif sur la température moyenne globale, supposons dans un premier temps une atmosphère parfaitement transparente aux rayonnements thermiques réémis par la terre. Dans ce cas, la puissance radiative émise σTe4 équilibrerait exactement la puissance radiative incidente des radiations solaires de courte longueur d’onde atteignant effectivement la surface de la terre (1-A)F0/4, soit 240 W/m2 (F0 =1365,8 W/m2, l’albédo actuel est voisin de 0,3), ce qui donne Te=-18°C (255 K).

Or la température moyenne globale de la surface de la terre est de 15°C (288 K) ce qui correspond à une puissance radiative égale à σTe4  = 390 W/m2. La différence entre la puissance radiative effectivement émise et celle qui le serait si l’atmosphère était parfaitement transparente, soit 390-240= 150 W/m2, correspond à l’absorption, par l’atmosphère réelle, du rayonnement thermique émis par la terre en présence de la vapeur d’eau, des gaz à effet de serre, des nuages et des aérosols. L’efficacité du forçage radiatif est égale à (288-255)/150 = 0,22 °C/(W/m2).

Le réchauffement et le CO2 anthropique

Radiation thermique dans la bande d’absorption du CO2

Connaissant l’efficacité du forçage radiatif, estimons l’impact sur la température globale d’une modification de la concentration du CO2 atmosphérique en faisant intervenir le rayonnement thermique dans la bande d’absorption du CO2 entre 630 et 700 cm-1. Lorsque la concentration augmente l’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique est émis vers le cosmos augmente également. Comme le montre le tableau représentant la pression partielle du CO2 (produit de la pression par la concentration) en fonction de l’altitude pour des concentrations de 300, 400 et 500 ppmv, la température du rayonnement émis peut être déterminée en utilisant les « température et pression normales » (TPN) qui permettent de s’affranchir des variations de ces deux paramètres selon le lieu et le temps considérés. La pression TPN est exprimée par la relation P=1013.25 x (1-0.0065 x z/288.15)5.255 où z est l’altitude (m). Au niveau de la mer la pression est de 1013,25 hPa, la température de 15 °C et le gradient thermique adiabatique de -6,5 °C/km. A 11 km d’altitude la pression a chuté à 226,38 hPa et la température à -56 °C. Entre 11 km et 20 km (stratosphère) la température reste constante. De manière à s’affranchir de la singularité de la température à 11000 m résultant du changement d’équation, un ajustement par un polynôme du second degré est opéré.

Pression atmosphérique TPN, pression partielle de 300, 400, 500 ppmv de CO2, Température TPN et ajustée par un polynôme du second degré T = 3E-07.z2-0.0095.z + 292,49 K, en fonction de l'altitude z.
Pression atmosphérique TPN, pression partielle de 300, 400, 500 ppmv de CO2, Température TPN et ajustée par un polynôme du second degré T = 3E-07.z2-0.0095.z + 292,49 K, en fonction de l’altitude z.
Ajustement de la température “normale” par un polynôme du second degré.
Ajustement de la température “normale” par un polynôme du second degré.

En considérant le rayonnement thermique qui correspond à 400 ppmv de CO2 , la puissance radiative émise déduite du spectre infrarouge observé par satellite, ramenée à la sphère terrestre, est 38,55/4=9,64 W/m2 pour une température égale à 220 K, ce qui correspond à une altitude de 12350 m et une pression partielle de CO2 de 0,0729 hPa.

On peut maintenant déduire quelle était la puissance radiative réémise au début de l’ère industrielle lorsque la concentration du CO2 était 300 ppmv, ce qui correspond à une altitude d’émission de 10550 m et une température de 224,93 K. L’application de la loi de Stefan-Boltzmann donne 9,64 x (224,93/220)4 = 10,53 W/m2, soit un gain de puissance de 10,53-9,64 = 0,89 W/m2. Ceci correspond à une diminution de la température de 0,19 °C d’après l’efficacité du forçage radiatif.

Pour ce qui est de l’impact climatique dans l’hypothèse du doublement de la concentration du CO2 anthropique, une concentration de 500 ppmv correspond à une altitude d’émission de 13680 m et une température de 217,63 K. La puissance radiative réémise déduite de la loi de Stefan-Boltzmann est 9,64 x (217.63/220)4 = 9,23 W/m2 soit une perte de puissance de 9,64-9,23 = -0,41 W/m2, ce qui correspond à une augmentation de la température de 0,09 °C.

Effet de l’élargissement de la bande d’absorption du CO2

Au réchauffement anthropique dû à l’augmentation de l’altitude à partir de laquelle  le rayonnement thermique s’échappe vers le cosmos s’ajoute l’effet de l’élargissement de la raie d’absorption du CO2 lorsque la concentration en dioxyde de carbone croît. Si on considère une atmosphère d’humidité moyenne, l’augmentation, depuis le début de l’ère industrielle, du forçage radiatif ∆e (W/m2) résultant du rayonnement réémis vers la terre dans la bande 14 – 17 µm s’exprime en fonction de la teneur relative en CO2 par rapport à ce qu’elle était en 1850, soit (CO2)/(CO2)1850 , par la relation :

∆e=2.94*Log2 [(CO2)/(CO2)1850]

Le réchauffement anthropique déduit de la température globale instrumentale
Signal brut (en bleu) et moyenne mobile sur 13 ans (en rouge) ± SD (en jaune) de la composante anthropique de la température globale. SD est l’écart type du signal annuel brut estimé entre 1900 et 1970.

La contribution réelle du réchauffement anthropique au réchauffement total observé peut s’estimer de manière relativement précise en déduisant de la température globale instrumentale la variation naturelle de la température déduite de la mesure de la température de surface de la mer en des endroits précis des gyres sous-tropicaux représentatifs des échanges thermiques de longue durée entre les océans et les continents (voir « Changement climatique»).

La contribution anthropique à la température globale est obtenue en soustrayant le signal océanique de la température de surface instrumentale. Des variations significatives sont observées avant 1970, résultant principalement d’un manque de représentativité des zones sélectionnées pour estimer la contribution de chacun des océans à la variabilité du climat à partir de la température moyenne de la surface de l’eau de mer. La composante anthropique de la température globale a augmenté linéairement depuis 1970, sans aucune inflexion. Le réchauffement anthropique semble proche de 0,8 ° C en 2017.

Cette estimation est supérieure à l’augmentation de la Tmg résultant de l’augmentation de l’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique s’échappe vers le cosmos qui, elle, est voisine de 0.30 °C. Le dioxyde de carbone contribuant pour environ 80% au forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre, ce biais est principalement imputable à l’augmentation de la vapeur d’eau provenant de l’évaporation des océans. Principal gaz à effet de serre, la vapeur d’eau réagit en effet très vite aux changements climatiques.

Références

Clive Best, Doubling CO2 and basic physics, http://clivebest.com/blog/?p=1169

Hanel R.A., B. Schlachman, D. Rogers, D. Vanous, The Numbus 4 Michelson interferometer, Appl Opt. 1971 Jun 1;10(6):1376-82. doi: 10.1364/AO.10.001376.

IPCC Fifth Assessment Report – Climate Change 2013 – www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/

Dufresne J-L and Treiner J. (2011) L’effet de serre atmosphérique : plus subtil qu’on ne le croit !, http://www.udppc.asso.fr/bupdoc/consultation/article-bup.php?ID_fiche=21046 (in French)

Anthony Watts, The Logarithmic Effect of Carbon Dioxide, http://wattsupwiththat.com/2010/03/08/the-logarithmic-effect-of-carbon-dioxide/

ERBE (The Earth Radiation Budget Experiment) NASA program, 1996, FS-1996-05-03-LaRC, http://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/ERBE.html

Gill AE (1982) Atmosphere–Ocean Dynamics, International Geophysics Series, 30, Academic Press, 662 pp.

Kallberg, P., Berrisford, P., Hoskins, B., Simmons, A., Uppala, S. and Lamy-Thepaut, S (2005) ‘Atlas of the atmospheric general circulation’. ECMWF ERA-40 Project Report Series, No. 19. European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Shinfield, Reading, UK (available from www.ecmwf.int/publications)

Trenberth K. E., J. T. Fasullo, and J. Kiehl (2008) Earth’s Global Energy Budget, American Meteorological Society, DOI:10.1175/2008BAMS2634.1

Zhou, Y., D. P. Kratz, A. C. Wilber, S. K. Gupta, and R. D. Cess (2007), An improved algorithm for retrieving surface downwelling longwave radiation from satellite measurements, J. Geophys. Res., 112, D15102, doi:10.1029/2006JD008159.

Glossaire

[i] La chaleur latente est la chaleur échangée lors du changement d’état de l’eau de mer au cours du processus de vaporisation.

[i] Un corps noir en équilibre thermique (qui est à une température constante) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement du corps noir. Le rayonnement est émis selon la loi de Planck, ce qui signifie qu’il a un spectre qui est déterminé par la température seule, et non par la forme ou la composition du corps. Par exemple, le soleil peut être considéré comme émettant un rayonnement du corps noir qui présente une distribution en énergie caractéristique de la température T = 5780 K: la photosphère contient des photons presque en équilibre thermique, malgré leur évasion dans l’espace qui a un effet négligeable sur l’équilibre du rayonnement à l’intérieur de la photosphère.

Le rayonnement émis par la terre peut aussi être assimilé à l’émission d’un corps noir qui présente une distribution en énergie caractéristique de la température T=288K. Les photons dont l’énergie correspond aux bandes d’absorption saturées de l’atmosphère (vapeur d’eau, CO2) sont également en équilibre thermique s’ils s’échappent de la couche opaque : la température diminue progressivement avec l’altitude de la troposphère (-6,5°C/km).

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8 réflexions au sujet de « Effet de serre »

  1. Bonjour

    A propos de la valeur de 0,22 °C/( W/m2), voici ce qu’on peut observer, tous les 6 mois, sur chacun des 2 hémisphères (dont l’un, beaucoup plus océanique, montre des écarts saisonniers sur l’indicateur « température de surface en moyenne globale », 2 fois plus faibles):
    https://e-nautia.com/arzi77/disk?p=5889169
    La valeur de 0,56 °C/( W/m2), qui ressort de ces observations, (ou plutôt: de ces évidences), est inférieure à la valeur « à l’équilibre » que vous cherchez à déterminer (par des raisonnements, en effet, bien trop simples.)

    Cette sous estimation est inévitable car, dans cette analogie que la nature nous permet d’établir (entre la Terre entière et l’un ou l’autre de ses hémisphères): il ne s’agit pas d’une augmentation permanente du forçage, liée à la modification en cours de la composition chimique de l’atmosphère, (elle conduira, dans quelques décennies ou siècles, à un nouvel équilibre) , mais d’une oscillation, (selon un rythme annuel), du forçage solaire.
    Son amplitude est certes 10 ou 20 fois plus forte que la hausse du forçage par les GES, en raison de l’augmentation pérenne de leurs concentrations, mais sa variation rapide ne peut fournir qu’une valeur inférieure à celle qui sera observée au cours des prochains siècles.

    J’espère que ces considérations vous conduiront à multiplier à nouveau par ~4 la valeur que vous calculez, ce qui fera disparaître tout fondement pour soutenir, ainsi que vous le faites, la thèse d’une surestimation de la gravité du transitoire en cours, irréversible à vue humaine.

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    1. Merci, c’est en effet intéressant d’observer que votre valeur de 0,56 °C/(W/m2) est plus du double de celle obtenue à l’équilibre en raison de la variation saisonnière du gradient thermique adiabatique. Le raisonnement sur lequel je m’appuie ne correspond pas à un changement de climat entre un état initial et un état final mais à une modification virtuelle de la composition de l’atmosphère. Dans l’état initial l’atmosphère est transparente au rayonnement thermique alors que dans l’état final l’atmosphère est supposée à l’équilibre, ce changement d’état se faisant sans modification d’albédo. En première approximation la puissance radiative absorbée par les gaz à effet de serre augmente rapidement lorsque ces gaz sont peu concentrés alors que les bandes d’absorption de la vapeur d’eau et du CO2 ne sont pas encore saturées, puis tend à s’infléchir lorsque ces gaz se concentrent. C’est la raison pour laquelle je pense que la valeur 0,22 °C/(W/m2) est sur-estimée à l’équilibre, en raison de la non-linéarité.

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  2. Bonjour, Je ne suis pas énergéticien mais la question de la responsabilité humaine dans le changement climatique ne me laisse pas indifférent. En effet la vapeur d’eau est de loin le GES majoritaire par rapport au CO2. Par ailleurs serait il possible de connaitre avec précision la proportion de CO2 anthropique par rapport au CO2 produit par la nature? De plus sachant qu’il existe d’autres GES disposant d’un potentiel de réchauffement global de loin plus important que le CO2 si bien que les efforts consentis pour réduire le CO2 anthropique sont comparable à la volonté d’assécher la mer par transvasement à l’aide d’un compte goute. Pourriez vous s’il vous plait m’apporter votre éclairage sur la question? Je vous remercie par avance.

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    1. Bonjour, l’augmentation du CO2 depuis 1850, de l’ordre de 120 ppmv, est exclusivement imputable aux gaz de combustion. Elle est seulement responsable d’une partie du réchauffement, se superposant à la variabilité naturelle. Le CO2 est le principal gaz à effet de serre. Le méthane est beaucoup plus actif mais en plus faible teneur. Quant à l’eau, elle intervient peu dans les modifications du climat observées ces dernières décennies car sa concentration dans l’atmosphère varie peu. Elle augmente avec la température globale mais l’effet de serre qui en résulte (vapeur d’eau, nuages d’altitude) est compensé par l’effet d’albédo dû aux nuages bas.
      Personnellement je m’oppose aux arguments catastrophistes du GIEC pour 2 raisons:
      1) l’effet amplificateur sur le réchauffement dû à l’augmentation de la vapeur d’eau, supposé par le GIEC, n’existe pas (ou est très faible).
      2) un phénomène de saturation de l’effet de serre apparaît lorsque la teneur en CO2 augmente, lorsque le rayonnement diffus s’échappe dans la stratosphère dont la température varie peu avec l’altitude.
      Néanmoins l’augmentation des GES est préjudiciable, pour la part du réchauffement qui lui est imputable, mais aussi pour l’acidification des océans,…

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  3. rene.bisaro@wanadoo.fr

    Bonjour,

    Deux fenêtres de transmission atmosphériques des IR existent: entre 8 et 12 µm et entre 3 et 5µm. Vous ne parlez pas de cette dernière pourtant elle laisse passer des rayonnements fortement énergétiques. Le CO2 absorbe -t- il ces rayonnements et cette absorption dépend elle de sa concentration?

    Cordialement

    R. Bisaro

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    1. Bonjour,
      Au-dessous de 8 µm l’atmosphère absorbe les rayonnements (bandes d’absorption de l’eau en particulier). En l’absence de rayonnement diffus, cette partie du spectre IR influe donc peu sur l’effet de serre.
      Cordialement,
      Jean-Louis Pinault

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  4. Bonjour,
    je continue de reunir informations, données, pour rediger un article expliquant ou se situe le probleme dans le debat entre les climato-croyants et les climato-sceptiques. j’avais besoin d’une derniere information concernant la question de saturation de l’effet de serre du CO2, et apres avoir lu quelques stupidités, dont certaines difficiles a detecter, je suis tombe sur votre article. je ne vois pas d’auteur, ni en haut ni en bas, mais en regardant les commentaires, j’ai l’impression que l’auteur est jean-Louis Pinault. je n’ai lu qu’une partie, qui m’a donne la reponse a ma question: saturation en premiere approximation, mais pour les ailes du spectre, l’energie captée augmente tout de meme avec la concentration. il me reste a verifier une information: l’energie dans l’IR mesurée par satellite serait quasi-nulle, ce qui validerait experimentalement cette saturation. Pourquoi les modeles ne la simulent t’ils pas reste un mystere. probablement une erreur dans le modele de transfert radiatif, car en faisant un modele simplifié analytique (fondé sur l’ETR), on retrouve cet effet. J’ecris ce commentaire surtout pour dire que je me suis arrete dans la lecture de cet article une fois obtenue ma reponse, mais en parcourant « a la molette de la souris » pour trouver l’auteur, j’ai remarque des elements de raisonnement, equations, graphiques, des ordres de grandeurs qui me font dire que si j’avais connu cet article 2 ans plus tot, j’aurais avancé beaucoup plus vite dans ce travail. je vais donc tout imprimer, lire tranquillement et comparer a mes propres conclusions et questions.
    Cordialement,
    — jean Barckicke —

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    1. Bonjour,
      Bien que la raie d’absorption du CO2 dans l’atmosphère soit saturée, le CO2 contribue néanmoins à l’effet de serre lorsque sa concentration augmente. Comme vous le rappelez, des IR s’échappent par les ailes de la raie. Mais, surtout, le rayonnement diffus s’échappe de la ‘bulle’ que forme le CO2 dans l’atmosphère. Or le diamètre de la ‘bulle’ augmente avec la concentration et sa température diminue.

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