LE CO2 ET LE CLIMAT AVEC ET SANS EFFET DE SERRE.

 

Le consensus

Les scientifiques qui s’intéressent au climat, tant partisans qu’adversaires d’un réchauffement climatique d’origine anthropique, s’accordent sur les points suivants :

• Le climat peut changer comme il l’a toujours fait et continuera à le faire
• Pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper l’énergie reçue du Soleil et le bilan énergétique de la Terre doit tenir compte des différents mécanismes possibles.
• Une partie de l’énergie dissipée par la Terre l’est sous forme de rayonnement thermique qualifié aussi de rayonnement du « corps noir ».
• Certains gaz présents dans l’atmosphère, et notamment le CO2, peuvent absorber une fraction de ce rayonnement thermique.
• Le CO2 ayant absorbé une fraction de ce rayonnement pourrait avoir une influence sur la température de la surface terrestre ou des basses couches atmosphériques.

Le débat entre partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique serait rapidement clôturé si on pouvait donner une base quantitative à tous ces phénomènes sur lesquels il y a accord d’un point de vue qualitatif.

Poser le problème en termes quantitatifs requiert la connaissance de :

– la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère,
– la fraction de cette énergie émise par la Terre sous forme de rayonnement thermique
– la fraction de ce rayonnement thermique absorbée par le CO2.

Plusieurs de ces grandeurs sont mal connues et ne font l’objet que d’estimations souvent contestées. Pour poser le problème en termes quantitatifs il est cependant indispensable d’accepter certaines estimations même incertaines. Nous les considérerons alors comme hypothèses de base communes aux partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique.

Hypothèses de base communes

Il est essentiel de connaître la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre. La valeur de 340 W/m2 au sommet de l’atmosphère est généralement citée. Cette valeur n’est pas mesurée mais calculée en admettant une distribution uniforme de l’énergie sur toute la surface terrestre sans tenir compte ni d’un hémisphère non éclairé, ni d’une variation en fonction de la latitude. Elle est certainement surestimée mais une valeur correcte compte de la vitesse de rotation de la Terre et de l’inclinaison de son axe de rotation donnerait lieu à des difficultés de calcul insurmontables. Faute de mieux nous utiliserons donc cette valeur qui agrée aux partisans d’un changement climatique d’origine anthropique.

La seconde hypothèse concerne le bilan énergétique de la Terre. Le modèle le plus complet et le souvent cité est celui proposé par la NASA. Dans ce cas également il accepté par les partisans d’un changement climatique d’origine anthropique D’après ce bilan 30 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère seraient réfléchis par les nuages, l’atmosphère et la surface terrestre (c’est l’albédo de la Terre). L’atmosphère et les nuages absorberaient en plus 19 % du rayonnement solaire transmis et finalement 51 % seulement seraient absorbés par la terre et les océans. Cette énergie serait dissipée ensuite par évaporation de l’eau des océans (23 %), par convection de l’air (7 %) et par rayonnement thermique (21 %). Bien que l’incertitude reste très grande concernant l’importance relative de ces trois mécanismes, nous utiliserons ce bilan pour déterminer quantitativement l’influence du CO2 dans un éventuel changement climatique.

La troisième valeur requise pour atteindre cet objectif est la fraction du rayonnement thermique de la Terre absorbée par ce gaz. Si on considère la Terre comme un corps noir à 15°C la loi de Wien prévoit que le rayonnement émis devrait présenter un maximum d’intensité à 10 µm et l’équation de Planck permet de calculer que 95 % du spectre seraient compris entre 5 et 40 µm. Parmi les principaux constituants atmosphériques seuls CO2 et H2O peuvent absorber le rayonnement dans ce domaine de longueurs d’onde. En particulier, le CO2 présente une bande d’absorption centrée à 15 µm qui permet l’excitation de la molécule initialement linéaire à un état de vibration impliquant sa déformation. En intégrant l’équation de Planck dans le domaine de 14 à 16 µm on calcule que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cet intervalle de longueurs d’onde à 15°C. fin de compte le CO2 ne pourrait absorber que 9,3 % de 21 % soit un peu moins de 2 % de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère terrestre et donc environ 6 W/m2.

La divergence d’opinion entre partisans et adversaires d’un changement climatique d’origine anthropique se manifeste fondamentalement à propos du mécanisme de désactivation des molécules de CO2 excitées par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre. Les premiers, en effet, invoquent la théorie de l’effet de serre à l’appui de leur thèse alors que les seconds contestent cette théorie.

La théorie de l’effet de serre

Rappelons d’abord la définition de l’effet de serre proposée par les partisans de la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique.

« L’effet de serre est un phénomène radiatif causé par des gaz tels la vapeur d’eau ou le CO2 qui absorbent une fraction du rayonnement infrarouge émis par la Terre et le ré-émettent ensuite dans toutes les directions et notamment vers la surface terrestre dont la température serait, de ce fait, plus élevée qu’en l’absence de gaz absorbant l’infrarouge. Ces gaz sont dès lors qualifiés de  gaz « à effet de serre ».

Si les 2 % de l’énergie solaire absorbés par le CO2 sont ré-émis dans toutes les directions, comme le supposent les partisans de la théorie de l’effet de serre, il n’y en aurait pas plus de la moitié qui atteindrait la surface terrestre soit environ 3 W/m2. Sachant qu’un être humain au repos dissipe 60 à 100 W sous forme de chaleur l’augmentation de température due à un éventuel effet de serre serait bien inférieure à celle résultant de la présence d’un être humain occupant une surface d’un m2.

Encore faudrait-il que la surface terrestre puisse absorber spécifiquement le rayonnement infrarouge de longueur d’onde 15 µm qui serait ré-émis par le CO2. Ce serait possible pour les 71 % de la surface terrestre occupés par les océans car l’eau liquide présente une large bande d’absorption centrée à 13 µm. Connaissant le coefficient d’absorption de cette bande on peut calculer que l’absorption de ce rayonnement serait pratiquement totale sur une épaisseur de 15 microns. L’absorption d’énergie par cette couche très superficielle ne pourrait évidemment contribuer au réchauffement des océans. Elle ne pourrait qu’accentuer un peu la dissipation d’énergie par évaporation à raison d’un mg par m2 et par seconde environ. D’autre part, la partie émergée de la surface terrestre se comporterait comme un corps noir plutôt que d’absorber spécifiquement le rayonnement infrarouge de longueur d’onde 15 µm par transition entre niveaux d’énergie bien définis. On peut en conclure que l’effet de serre tel que défini par les partisans de la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique ne pourrait conduire à un réchauffement de la surface terrestre.

 

La théorie cinétique des gaz

A la théorie de l’effet de serre on peut objecter que la probabilité de désactivation radiative du CO2 (avec ré-émisssion du rayonnement absorbé) est pratiquement nulle étant donné le nombre considérable de collisions entre molécules de l’air à des pressions voisines d’une atmosphère et à la température de 15 °C.

L’atmosphère est constituée principalement d’azote (78 %) et d’oxygène (21 %) sous forme de molécules biatomiques N2 et O2. Le troisième constituant par ordre d’abondance est l’argon Ar (environ 1 %). Le CO2 n’intervient que pour environ 0,04 %. Toutes ces molécules n’ont pratiquement pas d’interaction entre elles, si ce n’est qu’étant en constante agitation elles entrent en collisions les unes avec les autres. La théorie cinétique des gaz permet de calculer qu’à la température de 15°C les molécules atmosphériques sont animées de vitesses de l’ordre de 500 m par seconde et qu’à cette température et à la pression d’une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde. La théorie cinétique des gaz permet aussi de calculer l’énergie cinétique moyenne des molécules biatomiques N2 et O2 qui vaut Ec = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la température en degrés Kelvin). L’énergie du niveau de vibration du CO2 est aussi connue : elle vaut Ev = h c / λ (où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde du rayonnement absorbé, dans ce cas 15 µm). Un calcul simple permet de constater que cette dernière valeur n’est que de 30 % supérieure à l’énergie cinétique moyenne des molécules environnantes. Comme ces dernières présentent une large distribution d’énergie cinétique il s’en trouve certaines qui en ont suffisamment pour amener les molécules de CO2 à ce niveau de vibration lors d’une collision. Cette conversion d’énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 en énergie de vibration des molécules de CO2 est réversible. Ce ne sont pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui vibrent mais leur proportion reste constante à une température donnée car un équilibre dynamique s’établit par suite des très nombreuses collisions. Dans ces conditions les molécules de CO2 qui auraient absorbé une fraction du rayonnement thermique émis par la Terre se désactiveront par collision en transférant leur énergie aux molécules environnantes et non en émettant un rayonnement de longueur d’onde 15 µm. On peut donc en conclure que l’effet de serre tel que défini par les partisans d’un réchauffement climatique d’origine anthropique n’existe pas.

Connaissant le coefficient d’absorption du CO2 et sa teneur dans l’air on peut calculer que l’absorption du rayonnement de longueur d’onde 15 µm est pratiquement saturée sur une épaisseur atmosphérique de 10 m. L’absorption du rayonnement thermique de la Terre entre 14 et 16 µm (à raison de 6 W/m2) est sélective par les molécules de CO2 mais suite aux collisions avec les molécules environnantes cette énergie se répartit sur l’ensemble des molécules contenues dans une colonne d’air de 10 m de hauteur. L’équation d’état des gaz parfaits permet de calculer le nombre de molécules dans 10 m3 d’air à 15°C et il apparaît que chacune ne subira en moyenne par seconde qu’une augmentation d’énergie cinétique inférieure à  0,001 %. Cette augmentation insignifiante accentuera les mouvements de convection de l’air qui ont déjà lieu en l’absence de CO2 et ne pourrait conduire qu’à une augmentation locale de température de l’ordre du dix millième de degré. Il est important de remarquer que cette valeur est calculée en tenant compte de la totalité du CO2 atmosphérique et pas seulement de la fraction d’origine anthropique dont l’effet serait encore plus infime. Par ailleurs, si l’absorption du rayonnement de longueur d’onde 15 µm n’était saturée que sur une épaisseur atmosphérique supérieure à 10 m l’effet serait encore plus faible car il se répartirait sur un nombre plus grand de molécules environnantes.

Conclusion

De cet exposé on peut conclure que :

1° L’effet de serre, tel que défini par les partisans d’un changement climatique d’origine anthropique, n‘existe pas car les molécules de CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par collisions et non par ré-émission du rayonnement absorbé.

2° L’absorption par le CO2 d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre conduit par collisions avec les molécules environnantes à une augmentation infime de leur énergie cinétique moyenne correspondant à une augmentation locale de la température des basses couches atmosphériques de l’ordre de 0,0001 °C.

3° Le CO2 ne peut en aucune manière conduire à un réchauffement de la surface terrestre et son influence sur la température des basses couches atmosphériques est insignifiante.

Mercurius.