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 les radiations s’échappent 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 des climatologues qui ne savent établir avec certitude l’impact sur le climat des activités humaines. Ils supposent en effet une rétroaction positive de la vapeur d’eau suite à l’augmentation des gaz à effet de serre, hypothèse 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 des gaz à effet de serre, des nuages et des aérosols. L’efficacité du forçage radiatif, égale à (288-255)/150 = 0,22 °C/(W/m2), est presque 5 fois inférieure à ce qui est observé lors du forçage résonant des cycles solaires.

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]

Effets liés à l’augmentation de la vapeur d’eau

L’augmentation ∆Tmg = 1,1 °C de la température moyenne terrestre Tmg entraine une augmentation de la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère en raison de l’évaporation accrue des océans. L’augmentation du flux de chaleur latente ql qui s’ensuit peut s’écrire :

ql = dQl/dTmg  × ∆Tmg = 2,303 × Ql × f’× ∆Tmg

Ql est le flux de chaleur latente à l’endroit considéré et f’(Tmg) est la dérivée par rapport à la température Tmg de f(Tmg) (Gill, 1982) :

f(Tmg)=(0,7859+0,03477×Tmg)/(1+0,00412×Tmg)

En considérant les latitudes moyennes, Tmg =15 °C, Ql = -50 W/m2 (European Reanalysis ERA40″ Kallberg et al, 2005) on obtient ql =-3,5 W/m2.

A l’échelle planétaire le transfert d’énergie par chaleur latente est -80 W/m2 (Trenberth et al., 2008). Si l’on combine l’effet d’albédo dû aux nuages bas et l’effet de serre dû aux nuages hauts, le forçage radiatif est de l’ordre de -20 W/m2 (ERBE program, 1996). Par conséquent, ramené à l’accroissement du flux  de chaleur latente ql, le bilan net d’énergie radiative résultant de la nébulosité est d’environ -20 × 3,5/80 = -0,9 W/m2.

Considérant une humidité de l’air moyenne, le forçage radiatif dû à l’augmentation de la vapeur d’eau, ramené au flux de chaleur latente ql, est 1,3 W/m2 (Zhou et al., 2007),  de sorte que les effets radiatifs résultants induits par la vapeur d’eau et les nuages est d’environ 0,4 W/m: ceci comprend à la fois les flux de rayonnement de courtes et longues longueur d’ondes. Ce forçage radiatif correspond à une augmentation de la température Tmg de 0.1 °C environ en considérant une efficacité de 0,22 °C/(W/m2). Il ressort donc que, en dépit des hypothèses simplificatrices, on peut affirmer que le réchauffement n’implique pas de rétroaction significative due à l’augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère en raison des effets combinés de l’augmentation de l’albédo et de l’effet de serreCeci est confirmé indirectement par la variabilité de l’efficacité du forçage radiatif déduite des archives du climat.

Effets cumulés des ondes gyrales et de l’activité humaine
Prévision de la température moyenne globale (Tmg) selon différentes hypothèses : Modèles 5 et 6 = pas d’effet anthropique pris en compte, deux réalisations de la variabilité naturelle sont représentées – Modèles 3 et 4 = aux deux modèles précédents sont ajoutées les augmentations de la Tmg résultant de l’augmentation de l’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique s’échappe vers le cosmos – Modèles 1 et 2 = Tmg avec effets anthropiques complets.
Prévision de la température moyenne globale (Tmg) selon différentes hypothèses : Modèles 5 et 6 = pas d’effet anthropique pris en compte, deux réalisations de la variabilité naturelle sont représentées – Modèles 3 et 4 = aux deux modèles précédents sont ajoutées les augmentations de la Tmg résultant de l’augmentation de l’altitude à partir de laquelle le rayonnement thermique s’échappe vers le cosmos – Modèles 1 et 2 = Tmg avec effets anthropiques complets.

Considérant la teneur en CO2 atmosphérique observée et prévue dans l’hypothèse où l’augmentation actuelle se poursuivrait au rythme de 2 ppmv/an, l’effet anthropique s’ajoute à la variabilité naturelle du climat résultant du forçage résonant des ondes gyrales (pour plus d’information voir changement climatique)

Conclusion

En dépit des hypothèses simplificatrices (en particulier les conditions TPN sont utilisées, un modèle plus complet devrait faire intervenir l’altitude variable de la tropopause) le réchauffement anthropique, qui se situe à 0.30 °C en 2015 et qui sera aux alentours de 0.35°C en 2045, n’explique qu’une partie, de l’ordre d’un tiers, du réchauffement observé au cours de la seconde moitié du 20ème siècle dont l’essentiel est imputable à la variabilité naturelle du climat. La contribution anthropique, ajoutée à la variabilité naturelle, permet de reproduire assez fidèlement la température globale Tmg jusqu’à nos jours. Les prévisions montrent que la variabilité naturelle va être déterminante au cours des décennies qui viennent, les deux modèles qui prennent en compte le réchauffement anthropique indiquant une baisse de la Tmg au-delà de 2030. Les différentes hypothèses sur l’augmentation du CO2 au cours des prochaines décennies influent peu sur les résultats ; c’est la raison pour laquelle seul le scénario le plus pessimiste correspondant à une augmentation de 2 ppmv/an  est considéré.

Le réchauffement anthropique a augmenté de manière significative au début des années 2000. Sa faible croissance au cours des prochaines décennies résulte 1) de l’altitude d’émission du rayonnement thermique diffus dans la bande d’absorption du CO2 qui, en première approximation, se situe désormais dans la stratosphère où la température dépend peu de l’altitude 2) conformément à la loi de Beer-Lambert, à la croissance logarithmique du forçage radiatif aux ailes de la bande d’absorption lorsque la teneur en CO2 augmente.

Il est intéressant de noter que l’augmentation de la température globale Tmg au cours de la seconde moitié du 20ème siècle est imputable, en partie, à sa variabilité naturelle. De manière paradoxale, la composante anthropique, qui prend toute son importance depuis le début des années 2000, permet d’expliquer la stabilisation de la Tmg qui pourrait se poursuivre jusqu’en 2030, en compensant la décroissance de la composante cyclique. Ces conclusions vont à l’encontre des modèles climatiques qui imputent le réchauffement aux seuls gaz à effet de serre : une supposée contre-réaction positive due à l’augmentation de la vapeur d’eau doit être prise en compte pour expliquer l’augmentation de la Tmg au cours de la seconde moitié du 20ème siècle. Mais la faible croissance de la Tmg depuis le début des années 2000 reste alors énigmatique quand la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère continue d’augmenter de manière significative.

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).

2 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.

    J'aime

    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.

      J'aime

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s