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Quid du bilan énergétique de la Terre ? Peut-on prouver l’effet de serre scientifiquement ?

Référence de l'article : DS7690
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écrit par Georges GEUSKENS,Professeur émérite de l'Université Libre de Bruxelles (ULB),(2 Août 2019)
 

Le climat peut changer, comme il l’a toujours fait et continuera à le faire sous l’action de variables naturelles. Les activités humaines peuvent-elles avoir une influence comme le prétend la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique ? Cette théorie est basée sur l’existence d’un hypothétique effet de serre défini comme 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 réémettent  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. L’effet de serre résulterait donc essentiellement de l’émission par les molécules de CO2 d’un rayonnement  de fluorescence  dans le domaine infrarouge [1].

Cette définition est claire et scientifiquement valable, car conforme au principe de réfutabilité défini par Karl Popper. Nous l’examinerons à la lumière de théories physiques bien établies et de faits expérimentaux connus.

1. Le CO2  dans les basses couches atmosphériques

Oublions tout d’abord le climat et envisageons une boîte opaque contenant, à l’abri de tout rayonnement extérieur, une certaine quantité d’air sec à 15°C et à la pression d’une atmosphère. Dans cette boîte 78 % des molécules sont des molécules d’azote N2  et 21 % sont des molécules d’oxygène O2. Le  troisième constituant par ordre d’abondance est l’argon Ar (environ 1 % des molécules). Les molécules de CO2 n’interviennent 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 lors de chocs dont la plupart sont élastiques (avec conservation de l’énergie cinétique).

1a)  Energie de translation

La théorie cinétique des gaz permet de calculer qu’à la température de 15°C les molécules de l’air sont  animées de vitesses de translation de l’ordre de 500 m par seconde et qu’à la pression d’une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde. Ces molécules présentent une large distribution de vitesses qui est fonction de la température  en accord avec la loi de Maxwell-Boltzmann (fig.1). L’énergie cinétique moyenne  des molécules biatomiques N2 et O2 peut être calculée et vaut Em = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la  température en Kelvin).


Fig. 1  Loi de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann
 

1b)  Energie de vibration

Les molécules de l’air ne sont pas seulement animées de mouvements de translation. Si elles disposent de l’énergie suffisante, elles peuvent aussi entrer en vibration avec variation rapide et périodique des longueurs ou des angles de leurs liaisons interatomiques. Les molécules biatomiques N2 et O2 sont très rigides et ne vibrent pratiquement pas à 15°C.
Par contre, les molécules triatomiques de CO2, linéaires à l’état fondamental O=C=O,  peuvent se  déformer facilement et devenir anguleuses en vibrant. A chaque fréquence de vibration est associée une énergie et la théorie quantique nous enseigne que toutes les fréquences de vibration ne sont pas permises.

Seuls certains niveaux énergétiques existent dont l’énergie peut être déterminée expérimentalement par spectroscopie d’absorption dans le domaine infrarouge ou Raman. Ainsi l’énergie associée à la vibration de déformation du CO2 peut être calculée à partir de la bande d’absorption détectée à 15 µm dans le spectre infrarouge de la molécule grâce  à la relation Ev = hc /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). Cette valeur n’est que de 30 % supérieure à Em l’énergie cinétique moyenne des molécules environnantes N2 et O2 mentionnée dans le paragraphe précédent.

Or, beaucoup de ces molécules ont une vitesse supérieure à la moyenne comme l’indique la fig. 1 (la vitesse moyenne est très proche du maximum de la courbe de distribution des vitesses) et donc aussi une énergie cinétique Ec supérieure à la moyenne.

1c)  Conversion d’énergie de translation en énergie de vibration et inversement

En l’absence d’une source extérieure de rayonnement l’énergie nécessaire pour exciter la vibration de CO2  ne peut provenir que de l’agitation thermique du milieu ambiant. La quantification de l’énergie n’intervient pas au niveau des mouvements de translation et les énergies cinétiques de translation Ec = mv2/2 présentent une large distribution continue semblable à celle illustrée sur la fig. 1.

La fonction mathématique correspondant à ces courbes permet de calculer qu’à 15°C plus de 40 % des molécules N2 et O2 ont une énergie cinétique Ec supérieure à l’énergie Ev du plus bas niveau de vibration des molécules de CO2. Elles peuvent donc l’amener à ce niveau lors d’une collision inélastique (sans conservation de l’énergie cinétique).

Dans ces conditions,  il y a conversion d’une fraction de l’énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 en énergie de vibration d’une fraction des molécules de CO2 :

∆Ec (translation) de N2   +   CO2  → ∆Ev (vibration) de CO2   +   N2      (1)

Ce ne sont évidemment pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui sont en état de vibration, car cette conversion est réversible et les molécules se désactivent endéans quelques millisecondes pour retourner à l’état fondamental  lors de nouveaux chocs avec les molécules environnantes qui, de ce fait, acquièrent temporairement un surcroît d’énergie cinétique de translation :

∆Ev (vibration) de CO2  +   N2    ∆Ec (translation) de N2   +   CO2      (2)

Il existe donc un équilibre dynamique associé aux réactions (1) et (2) qui sont l’inverse l’une de l’autre. Cet équilibre ne dépend que de la température et de la pression (par le biais de la distribution des énergies et du nombre de chocs entre molécules).

Quoique ce ne soient pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui vibrent, la proportion de molécules en état de vibration reste constante à une température et une pression déterminées (environ 40 % à 15°C à la pression d’une atmosphère). Cet équilibre ne sera pas modifié si, en plus, certaines molécules de CO2 sont excitées par absorption d’une fraction du rayonnement infrarouge émis par la Terre.

On peut donc en conclure que la désactivation des molécules de CO2 ne se fera pas avec émission d’un rayonnement. La raison en est qu’à des pressions voisines d’une atmosphère la fluorescence ne pourrait  entrer en compétition avec la désactivation par collisions que pour des états excités de très courte durée de vie (10-9 à 10-7 s) qui pourraient se désactiver par fluorescence  avant qu’un nombre suffisant de collisions avec les molécules environnantes n’intervienne. Or, la durée de vie du plus bas état excité de CO2 étant 0,64 s [2] des millions de collisions interviendront  avant que l’émission d’un rayonnement ne puisse avoir lieu. L’hypothèse de l’effet de serre est donc sans fondement théorique.

Note complémentaire basée sur des résultats expérimentaux

La conversion d’énergie de vibration en énergie de translation (V   Tet  d’ énergie de translation en énergie de vibration (T   V)  comme dans les réactions (1) et (2) est un phénomène bien connu dont l’étude s’est développée grâce aux progrès de la technologie laser permettant d’obtenir sélectivement différents états de vibration [3].

En particulier, la conversion d’énergie de vibration en énergie de translation (V   Ta été étudiée dans le cas de molécules de CO2 excitées par laser au plus bas état de vibration. Les constantes de vitesse de la  réaction :

CO2*   +   N2  (ou O2)   CO2   +   N2  (ou O2)

ont  été mesurées entre 300 et 140 K [4]. Elles  sont de l’ordre de 105 fois inférieures à celles prévues sur la base du nombre de collisions (plusieurs milliards par seconde) car elles résultent seulement des collisions inélastiques qui ne représentent que 0,001 % du nombre total de collisions.  

D’autre part, la conversion d’énergie de translation en énergie de vibration ( Va aussi été étudiée dans le cas du CO2.  A des altitudes de l’ordre de 100 km l’énergie cinétique de translation d’atomes d’oxygène peut être transférée à des molécules de CO2 et convertie en énergie de vibration [5] :

O   +   CO2      O  +  CO2*

Le phénomène a été mis en évidence en détectant la fluorescence (désactivation radiative) des  molécules de CO2 avec émission d’un rayonnement de longueur d’onde λ = 15 µm :

CO2*    CO2   +    hc / λ 

A ces altitudes, la pression atmosphérique est si faible que le nombre total de collisions entre molécules n’est plus que de l’ordre de 1000 par seconde. Une fraction des molécules de CO2 excitées peut alors se désactiver avec émission d’un rayonnement avant qu’une collision inélastique ne se produise avec les molécules environnantes. 

Ce n’est pas le cas dans les basses couches atmosphériques où l’émission d’un rayonnement de fluorescence du CO2 n’a jamais été observée. L’hypothèse de l’effet de serre invoquée par les partisans d’un réchauffement climatique d’origine anthropique n’a donc aucune justification ni théorique, ni expérimentale.

2. Le bilan énergétique de la Terre

Pour estimer la fraction du rayonnement thermique de la Terre qui pourrait être absorbée par le CO2 il faut envisager le bilan énergétique de la Terre qui est basé sur l’idée que pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper par différents mécanismes l’énergie reçue du Soleil. Le modèle le plus souvent cité est celui proposé par la NASA (fig. 2).


Fig. 2  Bilan énergétique de la Terre selon la NASA

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 en accord avec un albédo de 0,3. L’atmosphère et les nuages absorberaient en plus 19 % du rayonnement  solaire transmis et finalement  51 %  seulement seraient absorbés par les continents et les océans. Cette énergie serait dissipée ensuite par trois mécanismes distincts : évaporation de l’eau des océans (23 %), convection de l’air (7 %) et rayonnement thermique (21 %).

Remarquons tout d’abord que le bilan présenté sur la fig.2 ne fait apparaître aucune « back radiation » associée à un éventuel effet de serre.  Une petite fraction seulement du rayonnement  détecté par satellite provient directement de la surface terrestre (fine flèche rouge à droite sur la fig. 2), car émise dans la zone de transparence atmosphérique entre 8 à 13 µm (fig.3). 

Le reste du rayonnement thermique émis par la Terre est absorbé par divers constituants atmosphériques (fig. 3) principalement la vapeur d’eau, mais aussi par le CO. Quel que soit le mécanisme de dissipation de l’énergie au niveau de la surface terrestre, en altitude toute cette énergie doit être convertie en rayonnement, car c’est le seul mécanisme permettant de l’évacuer hors du système terrestre (large flèche rouge sur la fig.2)


Fig. 3 Transmission du rayonnement  infrarouge à travers l’atmosphère terrestre          (les zones de transparence apparaissent en bleu, notamment entre 8 à 13 µm)

Les proportions mentionnées dans le bilan énergétique de la NASA ne résultent le plus souvent que d’estimations. Elles sont d’ailleurs assez surprenantes car la convection est généralement le mécanisme prépondérant pour des objets à température et pression ambiantes, tandis que le rayonnement thermique ne devient important qu’à haute température.

Dans cette optique, Sorokhtin et collaborateurs [5] considèrent que la convection serait effectivement le mécanisme prépondérant  intervenant pour 34 % tandis que le rayonnement thermique interviendrait seulement pour 4 % et l’évaporation de l’eau des océans pour 13 %. Il subsiste donc une très grande incertitude concernant l’importance relative de ces trois mécanismes.

Au niveau de l’orbite terrestre, chaque mètre carré placé perpendiculairement au rayonnement solaire reçoit, en moyenne sur l’année, une puissance de 1368 W, c’est la « constante solaire ».  La valeur  moyenne de 342 W m-2 au sommet de l’atmosphère est basée sur l’idée que chaque mètre carré de la surface terrestre reçoit en continu le quart de 1368 W, car la Terre n’intercepte le rayonnement  solaire que sur une surface égale à celle d’un disque de même rayon. 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. De ce fait, elle est certainement surestimée.

De plus, si la distribution de l’énergie était  uniforme, il n’y aurait ni saisons, ni courants marins ou aériens qui sont cependant des éléments déterminants du climat. Néanmoins,  cette valeur approximative est généralement adoptée car une valeur correcte tenant 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.

Ensuite, en attribuant à la Terre un albédo de 0,3 impliquant non seulement l’énergie réfléchie par la surface terrestre et par l’atmosphère mais aussi et principalement par les nuages, le rayonnement effectivement reçu par la surface terrestre serait réduit à 70 % de 342 W m-2 soit environ 240 W m-2 En haute altitude, les satellites détectent effectivement un rayonnement  moyen de 240 W m-2 avec une différence de l’ordre de 50 W m-2 entre pôles et équateur. Ce rayonnement moyen provient essentiellement  des couches supérieures de l’atmosphère à des températures beaucoup plus basses que celle de la surface terrestre et on ne peut en déduire, sur base de la formule de Stefan-Boltzmann, que la surface terrestre devrait avoir la température de – 18° C (voir ici).

Si l'on considère la Terre comme un corps noir à 15°C l’équation de  Planck (voir ici) permet de calculer que 95 % du spectre d’émission sera compris entre 5 et 40 µm et la loi de Wien prévoit que le rayonnement émis devrait présenter un maximum d’intensité à 10 µm. Le CO2 présente une bande d’absorption dans le domaine du rayonnement thermique de la Terre. Elle est présentée sur la fig. 4 pour une teneur en CO2 de 357 ppm (0,0357 %) en présence de 2,6 % en vapeur d’eau, conditions correspondant à la composition atmosphérique en 1993.


Fig. 4  Spectre d’absorption infrarouge du CO2

La bande d’absorption centrée à 15 µm permet l’excitation de la molécule à son plus bas niveau de vibration impliquant une déformation angulaire. Les branches P et R sont dues à l’existence de sous-niveaux de rotation pour chaque niveau de vibration (fondamental et excité).

En intégrant l’équation de Planck de 14 à 16 µm, domaine d’absorption du CO2, on calcule que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre sont émis dans cet intervalle de longueurs d’onde. En fin de compte, le CO2quel que soit son coefficient d’absorption, ne pourrait absorber au maximum que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre (représentant, selon la NASA, 21 % de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère) soit un peu moins de 2 % de 342 W m-2 donc environ 7 W m-2 .

Pour Sorokhtin et collaborateurs [5], le rayonnement thermique de la Terre représentant seulement 4 % de l’énergie totale reçue du Soleil, le CO2 n’absorberait donc au maximum qu’un peu moins de 0,4 % de 342 W m-2 soit environ 1,3 W m-2.

Les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent endéans quelques microsecondes par collisions avec les molécules environnantes, principalement N2 et O2. Dans  ces conditions, il y a conversion  de l’énergie de vibration du CO2 en énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 selon la réaction (2) mentionnée au paragraphe 1c. Bien que l’absorption du rayonnement thermique de la Terre entre 14 et 16 µm soit sélective par les molécules de  CO2, cet excédent d’énergie se répartira sur l’ensemble des molécules environnantes suite aux multiples collisions. Au total, selon les auteurs, 0,4 % ou 2 %  de l’énergie reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère terrestre seront convertis en mouvements de convection au détriment de l’intensité du rayonnement thermique, dont une fraction est absorbée par le CO2.

La présence de CO2 dans l’atmosphère ne modifie donc pas le bilan énergétique global de la Terre, mais seulement l’importance relative des différents mécanismes de dissipation de l’énergie reçue du Soleil. Cela ne peut avoir aucune influence sur la température « globale moyenne » de la surface terrestre.

3. Influence du CO2

En l’absence d’effet de serre, la conversion de l’énergie de vibration du CO2 en énergie cinétique de translation des molécules de N2 et O2 pourrait-elle avoir un effet sur la température des basses couches atmosphériques ? Pour estimer l’importance d’un tel effet, il faudrait connaître le volume d’air dans lequel cette énergie sera dissipée. En utilisant la relation de Beer-Lambert avec Io = intensité incidente et I = intensité transmise :

log Io/I  =  A C L

et en y introduisant  des valeur  A = 20,2 m2/mol pour le coefficient d’absorption molaire du CO[7] et C = 1,78 10-2 mol m-3 (pour 0,04 % de CO2 en volume), on trouve que log Io/I vaut 3 (99,9 % d’absorption) pour une épaisseur atmosphérique L = 8 m. Connaissant le nombre de molécules dans une colonne d’air de 8 m de hauteur et de 8 m3 de volume dans lequel seront dissipés 1,3 ou 7 W (selon les auteurs) on trouve que l’énergie cinétique moyenne Em des molécules N2 et  O2, calculée au paragraphe 1a, n’augmenterait en une seconde que d’environ 0,0001 % . Cette valeur ne sert qu’à fixer un ordre de grandeur car il n’y a évidemment pas d’accumulation d’énergie cinétique au cours du temps puisqu’un important courant de convection existe déjà. Le gradient de température existant déjà dans les basses couches atmosphériques ne sera donc pas affecté par la présence  de CO2.

Le coefficient d’absorption molaire utilisé correspond seulement à la branche Q, la plus importante du spectre d’absorption (fig.4). Pour les branches P et R qui présentent des coefficients d’absorption environ 10 fois moindres,  l’absorption de 99,9 % du rayonnement thermique de la Terre nécessiterait  une épaisseur atmosphérique environ 10 fois plus importante et le transfert d’énergie se fera sur un nombre de molécules environ 10 fois plus grand avec un effet réduit proportionnellement. Notons encore que ces conclusions s’appliquent à la totalité du CO2 présent dans l’atmosphère (0,04 %) qu’il soit d’origine naturelle ou humaine. Or, de nombreux travaux récents montrent que la teneur en CO2 d’origine anthropique ne serait que d’environ 5 % (voir ici).

4. Conclusion

De cet exposé on peut conclure que :

1° L’effet de serre, qui résulterait de la désactivation radiative (fluorescence) de molécules ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre, ne  peut exister au niveau des basses couches atmosphériques.

2° Au niveau des basses couches atmosphériques, les molécules ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par collisions avec les molécules environnantes principalement N2 et O2.

3° La conversion d’énergie de vibration des molécules de CO2 en énergie de translation des molécules environnantes ne modifie pas le bilan énergétique global de la Terre.

4° Le CO2 ne peut contribuer en aucune manière à un réchauffement ni de la surface terrestre ni des basses couches atmosphériques.

5° La théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique basée sur l’existence d’un effet de serre n’a aucune justification ni théorique ni expérimentale.

Références

[1] Le terme de fluorescence est rarement utilisé pour caractériser l’effet de serre et quelques mots d’explication peuvent être utiles. L’énergie interne d’une molécule ne varie pas de manière continue.  On distingue des niveaux d’énergie électronique qui sont subdivisés en niveaux d’énergie de vibration, eux-mêmes subdivisés en niveaux d’énergie de rotation. Une molécule peut être excitée, le plus souvent par absorption d’un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde appropriée, et passer d’un niveau énergétique déterminé à un niveau d’énergie supérieure.

Le phénomène inverse peut également se produire soit par émission d’un rayonnement électromagnétique appelée fluorescence, soit par transfert d’énergie aux molécules environnantes lors de collisions. En solution, la fluorescence de nombreuses molécules organiques est observée lors de transition entre niveaux d’énergie électronique mais aucun exemple n’est connu dans le cas de transitions entre niveaux d’énergie de vibration.


La raison en est la compétition entre les deux mécanismes de désactivation mentionnés ci-dessus. En solution (ou en phase gazeuse à des pressions supérieures à 10 Pa) la désactivation radiative par  fluorescence ne sera possible que pour des états excités de très courte durée de vie (10-9 à 10-7 s) qui peuvent se désactiver avec émission d’un rayonnement avant qu’un nombre suffisant de collisions avec les molécules environnantes n’intervienne. La  fluorescence d’états excités de plus longue durée de vie ne peut être observée qu’en milieu rigide ou en phase gazeuse à des pressions si faibles que le nombre de collisions entre molécules devient insignifiant.

[2] B.M.Smirnov,  J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 214004 (2018)

[3] G.W. Flynn, C.S. Parmenter, A.M. Wodtke,  J.Phys.Chem. 100, 12817 (1996)

[4] R.M. Siddles, G.J. Wilson, C.J.S.M Simpson,  Chem.Phys. 189, 779 (1994)

[5] K.J. Castle, K.M. Kleissas, J.M. Rhinehart, E.S. Hwang, J.A.Dodd,  J.Geophys. Research111, A09303 (2006)

[6]  O.G. Sorokhtin, G.V. Chilingar et L.F. Khilyuk « Global Warming and Global Cooling » ed. Elsevier Science (2007)

[7] https://www.john-daly.com/artifact.htm
 
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Texte reproduit avec l'autorisation du Comité éditorial de S.C.E. :
http://www.science-climat-energie.be/2019/02/14/le-rechauffement-climatique-dorigine-anthropique/#more-4467

(Mis en ligne le 2 Août 2019)
 

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