Un peu de science pour climatologue amateur

La physique est un coupe-gorge pour les imprudents qui s'y risquent insuffisamment armés.

Marcel Boll, vulgarisateur des sciences modernes (1896-1971)

Les basses couches atmosphériques.

L'atmosphère est constituée principalement d'azote N2 (78 %) et d'oxygène O2 (21 %) sous forme de molécules biatomiques. Le troisième constituant par ordre d'abondance est l'argon Ar (environ 1 %). Le CO2n'intervient que pour environ 0,04 %.

Quant à la vapeur d'eau H2O elle intervient dans des proportions très variables de 0,1 à 5 % selon les régions. Ces molécules ont des dimensions de l'ordre de 0,1 nm à 0,2 nm et, à la pression d'une atmosphère, elles sont distantes de 400 nm en moyenne.

Cette distance étant très supérieure à leurs dimensions elles 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.

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, qu'elles entrent en collision les unes avec les autres et qu'à cette température et à la pression d'une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde.

L'atmosphère étant constituée essentiellement de molécules biatomiques N2 et O2 la théorie cinétique des gaz permet aussi de calculer leur énergie cinétique moyenne qui vaut Ec = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la température en degrés Kelvin).

En plus des mouvements de translation toutes les molécules atmosphériques (sauf les molécules monoatomiques comme l'argon) peuvent être animées de mouvements de vibration si leur énergie est suffisante.

Ces vibrations impliquent une variation périodique de la longueur de la liaison pour les molécules biatomiques N2 et O2 et, en plus pour les molécules triatomiques comme le CO2 ou H2O une variation prériodique de l'angle de la liaison. En particulier, la molécule de CO2 qui est linéaire en l'absence de vibration (O=C=O) peut en vibrant se déformer et passer par un état anguleux. En accord avec la théorie quantique les niveaux énergétiques de vibration sont discontinus et leur excitation requiert l'absorption d'une quantité d'énergie bien déterminée correspondant à la transition entre niveaux.

L'énergie requise pour permettre cette transition peut provenir de collisions intermoléculaires ou de l'absorption d'un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde bien déterminée.

En particulier l'état de vibration amenant une déformation de la molécule de CO2 peut être atteint par absorption d'un rayonnement infrarouge de longueur d'onde 15 µm. L'énergie de cet état de vibration peut être calculée.

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). Cette valeur n'est pas beaucoup plus élevée que l'énergie cinétique moyenne des molécules environnantes N2 et O2 qui peut aussi être calculée (voir ci-dessus).

Comme ces molécules N2 et O2 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. La fonction de distribution de Maxwell-Boltzmann permet d'estimer cette fraction à 30 % des molécules de N2 et O2 à 15°C et on peut en déduire que 30 % des molécules de CO2 sont vibrationnellement excitées à cette température. Ce ne sont évidemment pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui vibrent mais leur proportion reste constante à une température donnée.

Cela résulte du fait que par suite des très nombreuses collisions un équilibre dyènamique s'établit permettant une conversion réversible d'énergie cinétique de translation des molécules N2 et O2 en énergie de vibration des molécules de CO2.

La théorie du corps noir.

Tout corps solide à une température supérieure au zéro absolu (-273,16°C) émet un rayonnement appelé rayonnement du corps noir ou rayonnement thermique qui peut apparaître dans le domaine visible aux hautes températures mais se limite au domaine infrarouge pour des températures voisines de la température ambiante.

Ce rayonnement se présente toujours sous forme d'un spectre continu avec une forte variation d'intensité du côté des courtes longueurs d'onde (hautes énergies), passage par un maximum qui se déplace en fonction de la température et perte progressive d'intensité du côté des grandes longueurs d'onde (faibles énergies). I

l est dû à l'oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de l'électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d'oscillation. En 1900 Plack proposa une équation pour décrire ce phénomènej en introduisant l'idée révolutionnaire pour l'époque, qu'à chaque longueur d'onde le rayonnement ne peut être émis que sous forme de "quanta" (c'est à dire de petits paquets d'énergie).

Si on considère la Terre comme un corps noir à 15°C la loi de Wien λmax = C / T (où C est une constante et T la température en degrés Kelvin) 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 CO2et 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 et 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.

La théorie de l'effet de serre.

Les partisans d'un réchauffement climatique d'origine anthropique considèrent le CO2 comme principal responsable de ce phénomène par suite d'un "effet de serre". La théorie de l'effet de serre n'est pas nouvelle. Elle a été élaborée pour la première fois par Arrhenius en 1896 pour lier une éventuelle élévation de température à l'augmentation dans l'atmosphère de la teneur en CO2 résultant de l'activité humaine. Cet effet, considéré initialement comme bénéfique, donna lieu à partir de 1990 à une série de rapports d'évaluation de plus en plus alarmistes rédigés par le GIEC.

Pour les partisans de cette théorie "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".

Pour maintenir une température constante la Terre soit émettre vers l'atmosphère autant d'énergie qu'elle en reçoit du Soleil. La contribution du CO2 à un éventuel "effet de serre" dépend de la quantité d'énergie émise par la Terre sous forme de rayonnement thermique et de la fraction de ce rayonnement absorbée.

D'après le bilan énergétique établi par la NASA 30 % de l'énergie reçue par la Terre au sommet de l'atmosphère seraient réfléchis pas les nuages, l'atmosphère et la surface terrestre (c'est l'albédo de la Terre). L'atmosphère et les nuages absorberaient 19 % du rayonnement solaire 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 %). Seul ce dernier mécanisme pourrait donner lieu à un éventuel "effet de serre" et 9,3 % seulement de ce rayonnement thermique est émis dans le domaine d'absorption du CO2 (voir ci-dessus).

En fin de compte ce gaz ne pourrait absorber qu'un peu moins de 2 % de l'énergie totale reçue du Soleil au sommet de l'atmosphère terrestre.

Influence du CO2 sur le climat.

Si 2 % de l'énergie totale reçue du Soleil sont absorbés par le CO2 et 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 1 % qui atteindrait la surface terrestre sous forme d'un rayonnement de longueur d'onde 15 µm.

En effet, les niveaux d'énergie étant discontinus, c'est un rayonnement identique à celui qui a été absorbé qui serait émis. Si un tel évènement se produisait ce rayonnement ne pourrait être absorbé par les 71 % de la surface terrestre occupée par les océans puisqu'il n'est pas absorbé par l'eau. Cela réduirait à moins de 0,3 % la fraction d'énergie reçue du Soleil qui pourrait être restituée à la Terre par le CO2.

Encore faudrait-il que le rayonnement infrarouge de longueur d'onde 15µm soit absorbé spécifiquement par la surface émergée, ce qui est très improbable. On peut en conclure que l'effet de serre tel que défini ci-dessus ne pourrait conduire à un réchauffement climatique d'origine anthropique.

De plus, à l'encontre de l'hypothèse envisagée ci-dessus, il est très peu probable que les molécules de CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par émission d'un rayonnement.

En effet, ces molécules de CO2 vibrationnellement excitées subissent de très nombreuses collisions pouvant donner lieu à la conversion de leur énergie de vibration en énergie cinétique de translation des molécules environnantes. Il en résulte nécessairement une augmentation de l'énergie cinétique moyenne des molécules de N2 et O2 mais un calcul basé sur cette conversion énergétique montre que cette augmentation ne serait que de 0,001% ce qui correspondrait à une augmentation de température de quelques dix millièmes de degré seulement.

L'absorption par le CO2 d'une fraction du rayonnement thermique émis par la Terre ne peut donc conduire qu'à une élévation insignifiante des basses couches atmosphériques.