Sommaire :

7.1. Le mythique « effet de serre » atmosphérique
7.2. La conduction ?
7.3. La convection ?
  7.3.1. Un mot d’abord sur la convection
  7.3.2. Pour ce qui nous concerne
7.4. Le Gradient Thermique Gravitationnel (Lapse Rate en anglais)
  7.4.1. La théorie physique (en air sec)
  7.4.2. En pratique, en atmosphère humide (cas général sur Terre)
  7.4.3. Nota : le cas de Venus
  7.4.4. Incidences du Gradient Thermique Gravitationnel

Cet article a 48 commentaires

  1. 7.4.4 : Vous concluez : "Comme on vient de le voir, le Gradient Thermique Gravitationnel explique que la température moyenne au niveau du sol est beaucoup plus élevée que si la Terre n'avait pas d'atmosphère (6,5°C par km à partir de la tropopause)" ! ?

    J'ai relu plusieurs fois le 7.4.2 et je ne vois pas où vous l'avez "expliqué" c'est-à-dire démontré !
    Si la température à la surface de la terre était beaucoup plus basse (-80°C par exemple), la température de la tropopause pourrait également être beaucoup plus basse (par exemple -158°C). Et vous pourriez tout aussi bien écrire :

    -158 + 6,5°C/km x 12km = -80°C

    Nota 1 : Avec ces températures, le gradient thermique ne serait probablement pas de 6,5°C/km et la tropopause (y en aurait-il une?) ne serait pas à 12km. Néanmoins le paragraphe 7.4.2 reste une non démonstration.

    Nota 2: La pompe à vélo qui s'échauffe (ou la bombe de nettoyage qui refroidit) est un phénomène transitoire. La pompe à vélo qui est comprimée voit sa température augmenter, mais avec le temps elle retrouvera une température d'équilibre qui sera celle de son environnement.
    Contrairement à ce que certains racontent sur internet, ce n'est pas le poids de l'atmosphère qui est la cause de la température!
    Sans le soleil (ou si la terre était au niveau de Pluton), l'atmosphère serait à l'état liquide voire solide pour le CO2. C'est la chaleur du soleil, reçue par la terre et communiquée à l'atmosphère, qui est la cause que les composants de l'atmosphère se trouvent à l'état gazeux, à une certaine température, sous une certaine pression.
    Dit autrement, température et pression dépendent de la chaleur emmagasiné dans l'atmosphère mais ce n'est pas la pression (due au poids de l'air) qui est la cause des deux autres.
     
     

  2. … d'où l'intérêt d'un débat.

    Nous avons une couche chaude, en haut de la stratosphère, vers 40 km d'altitude, qui est à environ 0°C : cette température élevée est due à des réactions chimiques O2<>O3, sous l'action des UV solaires.

    Puis lorsqu'on descend, la température baisse jusqu'à la tropopause, aux environs de 12 km d'altitude, vers -60°C : la stratosphère est chauffée par le haut (par rayonnement de cette couche), et donc il n'y a pas de convection (ni donc de Gradient Thermique Gravitationnel).

    Puis, lorsqu'on continue de descendre (dans la troposphère), la température augmente, de façon linéaire : ce qui signifie que la troposphère est chauffée par le bas, ce qui induit de la convection : l'air chaud du bas monte et se détend en divisant sa pression par 5 jusqu'à la tropopause, cependant que l'air froid du haut descend, se comprime (en multipliant sa pression par 5 jusqu'au sol) : c'est cette convection permanente qui engendre le Gradient Thermique : il n'y a pas d'état stabilisé.

    La tropopause est par définition la limite entre les deux, c'est-à-dire la couche la plus froide.

    Par ailleurs, l'atmosphère de la Terre a toujours été gazeuse : elle n'est pas née d'un état liquide ; et donc, ce Gradient Thermique Gravitationnel a toujours existé … et a maintenu une température suffisante pour s'auto-entretenir.

    Cela dit, je vous renvoie à la réponse que j'ai faite à Philippe de Larminat sur le sujet, dans les commentaires généraux.

    1. J'ajoute de l'eau au moulin de Georges Malakoff, car dans votre réponse, vous partez du haut de la stratosphère à 0°C. Or si on a 0°C, ce n'est pas parce que la réaction d'ozonation est exothermique, car cette réaction ne fait qu'élever une température, elle donne un delta de température et non une température absolue. Il faut bien que le profil de température se "cale" sur quelque chose, car si son profile est bien expliqué par le gradient thermique gravitationnel, il faut bien que ce profil soit calé quelque part sur la courbe Température / Altitude.

      Je pense qu'il est important de surtout bien préciser qu'à l'altitude de la fenêtre atmosphérique, la "température moyenne de rayonnement" est de -18°C, soit la température permettant l'équilibre entre le flux thermique solaire absorbé et le flux thermique sortant. En gros, je trouvais que Philippe de Larminat l'expliquait justement très bien dans son excellent papier "comprendre l'effet de serre".

      Je tiens à préciser que c'est une critique constructive car c'est un très gros travail de votre part et je vous en remercie. Mais connaissant les petits malins qui se ruent sur les détails pour discréditer les CR, c'est important de corriger, je pense…

      1. En fait, je pars du haut de la stratosphère pour définir la Tropopause, qui est en fait le sommet de la convection, qui est donc l'altitude (et la température) de référence pour caler le "haut" du Gradient Thermique Gravitationnel (GTG) (car il n'y a pas de convection au dessus, et que la convection est nécessaire pour qu'il y ait un GTG).

        Dans une troposphère (convective) totalement transparente et constituée de gaz parfaits, le GTG s'établirait à 9,8°C/km (voir à ce sujet la page wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate).

        Tout ce qui contribue à réchauffer la troposphère (condensation de la vapeur d'eau, absorption des rayonnements solaires, …) ne peut que le diminuer (voir le facteur Ch qui se retranche de Cp (en fait s'y rajoute en valeur absolue)) ; d'où sa valeur réelle constatée de 6,5°C/km.

        La Fenêtre Atmosphérique n'est pas concernée.

        Quant aux -18°C, ils résultent simplement d'un OLR moyen de 240 W/m2 qu'il faut bien de la Terre restitue, puisqu'elle les absorbe ; mais ils ne correspondent à  aucun phénomène (ni donc aucune altitude) en particulier.

        PS : rassurez-vous : je prends tous les commentaires courtois de façon constructive.

  3. Il y a deux écueils à votre raisonnement.

    Le premier est que la loi p*v^^gamma = constante s'applique à un système adiabatique (ou isentropique). Donc elle s'applique à un petit volume d'air calme à une altitude donnée stable. Dès qu'il y a rupture d'équilibre, de l'air monte, descend, des cellules de convection se créent, des nuages apparaissent, disparaissent, etc. et donc on n'est plus en conditions adiabatiques, je dirais nulle part. On parle "d'atmosphère standard" en modélisant une atmosphère qui est régie par cette loi, et on sait que ça ne marche que jusqu'à 12 km d'altitude environ et que ça nécessite une hypothèse de "stabilité de beau temps" qui est rarement satisfaite ou encore, comme tout individu même non scientifique le sait, ne fait que précéder des ruptures d'équilibre et du "mauvais temps". Globalement, le climat de la planète et la composition de l'atmosphère résultent des deux.

    Le second est que l'interception du rayonnement (solaire, réémis par le sol) par l'atmosphère n'est pas localisé, mais réparti dans toute la hauteur de l'atmosphère. Idem pour le rayonnement réémis par l'atmosphère elle même. Donc il ne peut y avoir des conditions adiabatiques, même locales, et vous le démontrez très bien. Il faut donc tout modéliser et en déduire une nouvelle loi thermodynamique d'une atmosphère en équilibre (le jour, la nuit, suivant les saisons, suivant qu'il y a de l'océan ou du sol en bas, qu'il y a de la neige ou pas…), sachant que des mouvements horizontaux et verticaux équilibrent les conditions entre le jour et la nuit et les saisons. Vaste programme, et votre approche est loin de cerner tous les éléments du problème.

    Pour résumer, vous posez des éléments physiques qui pourraient constituer la base d'une modélisation systémique globale. Mais si j'ai bien compris, vous êtes retraité, donc il vous faudrait une seconde vie pour venir à bout de la construction que vous ébauchez.

     

  4. Concernant votre première critique, je n'ai pas vraiment de désaccord avec vous : le comportement de l'atmosphère n'est pas purement "adiabatique", du fait, essentiellement (mais pas seulement), de la condensation de la vapeur d'eau, d'où cette correction Ch : dT / dz = – g / (Cp – Ch) = -6,5 °C/km   (avec Ch = – 509 J/kg/K). … et il faut le voir comme un comportement "statistique".

    Concernant votre seconde critique, vous avez raison uniquement dans la Fenêtre Atmosphérique : absorption un peu par la vapeur d'eau, et surtout par les nuages ; partout ailleurs le rayonnement IR terrestre est absorbé dès les couches très basses de la troposphère, et ne participe donc pas au Gradient Thermique Gravitationnel.

    Au résultat, cela se traduit par une contribution au facteur Ch ci-dessus (dont j'admets que la détermination par calcul ne serait pas simple).

  5. Jacques-Marie, je ne comprend pas votre refus d'admettre que c'est l'absorption par l'atmosphère, associé au gradient-thermique, qui détermine la température au sol, comme Philippe de Larminat et Gilles Malakoff, à mon sens, le démontrent.
    Il me semble assez évident qu'une atmosphère totalement transparente n'apporterai aucun réchauffement par rapport au -18° (ou -60°) de la loi de Stephan.
    D'autant que le §4.5, page 23 du livre, dit : "Ces absorptions du flux solaire contribuent, bien entendu, au réchauffement de l'atmosphère, à l'altitude où elles interviennent, aussi bien pour les rayonnements descendants (solaires) que remontants (thermiques).".
    Il me parait urgent de corriger le résumé, qui risque de discréditer le reste.

  6. Dans une atmosphère convective (en l'occurrence, la troposphère), constituée uniquement de gaz parfaits transparents, le Gradient Thermique Gravitationnel s'établirait à 9,8°C/km (voir à ce sujet la page wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate).

    Tout ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère (condensation de la vapeur d'eau, absorption des rayonnements solaires, …) ne peut que le diminuer (voir le facteur Ch qui se retranche de Cp (en fait s'y rajoute en valeur absolue)).

    Un Gradient Thermique Gravitationnel ramené à 6,5°C/km inclut déjà ces facteurs : on ne va pas les rajouter une seconde fois.

  7. Une autre origine du gradiant de température, c'est que lorsqu'un élément de volume s'élève à la verticale, il ne le fait pas (la terre étant une sphère) selon un cylindre mais selon un tronc de cône, il y a donc une détente complémentaire à prendre en compte.

    1. En toute logique, vous avez raison, bien entendu, mais compte tenu de l’épaisseur de la troposphère par rapport au rayon terrestre, on peut quasiment raisonner comme si la Terre était plate (Oh ! Mon Dieu ! Qu’ai-je dit !)

  8. Et, donc, avec une atmosphère totalement transparente, la température au sol étant de -18°C (ou -129°C selon le calcul de Gerlich), elle serait de -18 – 9,8×5 = -67°C à 5000 m d'altitude (ou -177°C selon Gerlich) du fait du gradient thermique.
    C'est bien ça ?

    1. Non, c’est la température à la Tropopause (haut de la convection à -57 °C en moyenne) qui fixe la température du sol, et non pas le contraire. Mais je reconnais qu’il y a un problème de poule et d’œuf dans lequel l’atmosphère trouve son équilibre + il y a une zone d’amorçage dans la zone intertropicale, où le soleil, au zénith ou presque, chauffe directement le sol par rayonnement (jusqu’à 1250 W/m2 quand il n’y a pas de nuages), au dessus de ces 15°C.

  9. C'est là que je ne suis pas d'accord : prenons, pour simplifier, le cas du calcul du corps noir qui conduit à une température au sol de -18°. L'atmopshère étant parfaitement transparente, sa seule source de chaleur est la conduction depuis le sol, qui est à -18°. A l'équilibre, la température de la couche d'air en contact avec le sol est donc de -18°. Le gradient adiabatique faisant le reste on arrive bien à une température à 5000m de -67°.

    1. Dans ce cas-là, à quelle altitude situez-vous la tropopause (c’est-à-dire le sommet de la convection) ?
      Le Gradient Thermique Gravitationnel définit un delta de température pour un delta d’altitude ; mais il ne dit pas où est l’origine.
      Et donc, à un moment donné, il faut bien se raccrocher à une réalité :
      – une stratopause à 40 km et 0°C
      – un gradient thermique de la stratosphère
      – une température au sol (factuelle)
      – un Gradient Thermique Gravitationnel dans la troposphère
      … et donc une altitude et une température de la tropopause.
      On peut, bien entendu prendre les choses dans l’autre sens (il y a effectivement un problème de poule et d’oeuf), mais la réalité est la réalité, et tant qu’elle ne contredit pas la théorie, on peut considérer que la théorie est bonne.

  10. Puisque l'atmosphère est complètement transparente, il n'y a pas d'absorption du rayonnement ultraviolet et, donc, pas de tropopause, la température décroit continuellement avec la pression. 

  11. Dans une atmosphère sans stratosphère, à quelle altitude se situerait alors le "sommet" de la convection ?

    Je ne sais pas comment une telle atmosphère pourrait fonctionner, ni même si elle pourrait exister.

    Selon Camille, avec qui j'en ai déjà discuté, toutes les atmosphères ont une tropopause, même Vénus

    … Mais toutes les planètes n'ont pas une atmosphère (ou alors très ténue) !

    Il faudrait poser la question à un spécialiste des atmosphères de planètes : sujet intéressant !

  12. Quelques indications 
    Pour plus de détails voir les annexes 1 à 6 au livre de J-M Moranne (référencé AN ci-dessous) et un fascicule « Comprendre Vraiment l’effet de serre » (119 pages) (référencé CV ci-dessous) partiellement disponible en ligne sur https://www.lecolocritique.fr/app/download/10155356795/Comprendre+vraiment+l-effet+de+serre+13+IX+2015+Partie+I++12h25-2.pdf?t=1452948592   

    La figure 6-F de CV page 44/119 montre que le rayonnement du globe vers le cosmos est fait de parties bien distinctes par leur altitude et par leur plage de fréquences ou de longueurs d’onde et émises par des zones aux régulations très différentes   

    (1)   Stratosphère : chaque couche rayonne autant que ce qu’elle absorbe ; son épaisseur est discutée dans l’annexe 1 page 6 ; contribution entre 7 W/m² (1 tonne d’air en tropical ) et 20 W/m²  au plus (3 tonnes d’air zones polaires en été) ; son rayonnement est celui du CO2 (pour les 2/3 en gros) et de l’ozone pour le reste ; voir figure 6-I CV p.46.

    (2)   La haute troposphère entre 200 et 400 mbar où c’est la vapeur d’eau qui rayonne pour 100 W/m² plus quelques W/m² du CO2 troposphérique entre 1 et 18 THz et autour de 22 THz et entre 36 et 66 THz. La quantité de vapeur d’eau à ces altitudes est très dynamique et régule le rayonnement du globe voir AN-6, figure 6-6

    (3)   La surface qui n’envoie en moyenne globale que 22 W/m² (figure 4-H CV page 32/119) à travers la fenêtre entre 22 et 36 THz (4)   Les nuages et la vapeur d’eau entre 22 et 36 THz pour moins d’une centaine de W/m² à partir des couches basses (les 2 premiers kilomètres)  (et moins aux hautes latitudes plus fraiches) (figure 6-10 de l’annexe 6  ou figure 9-J de CV p. 62)

    Les nuages (a) ferment la fenêtre et (b) diminuent l’ensoleillement en surface   

    La régulation du rayonnement du globe vers le cosmos est abordée en annexe AN-A8.   

    Sur le « calage des profils » de température :

    Sur Vénus la couche de poussières et d’aérosols sous la tropopause rayonne en gros 160 W/m² vers 230 K et la relation température pression fait la température en surface avec un exposant 0,17 ; il n’y a quasiment pas de solaire en surface même sur la face éclairée, mais la surface vers 735 K rayonne disons 16 kW/m² et reçoit autant de l’air (pas de convection observée en surface, seulement une brise légère et des températures uniformes indépendantes de la latitude et de la longitude entre la surface et 20 km ou 30 km ; la quantité de vapeur d’eau en kg/m² est sur Vénus peut-être importante même si en proportion dans l’air  elle est bien moindre puisque l’atmosphère y  est cent fois plus massive que sur Terre).

    Sur Terre la hauteur de la tropopause et la température de surface sont liés voir AN- A1 page 6 exercice 1. Soulignons encore que la relation température pression explicitée en AN-A1 page 5 correspond à un phénomène diabatique de chauffage de la vapeur d’eau par l’infrarouge solaire et la condensation Voir aussi AN-A3 §7 page 9)   Pour résumer La température de rayonnement infrarouge thermique d’une planète pourvue d’une atmosphère dépend de son éloignement du soleil et de son albédo ; son rayonnement infrarouge thermique vers le cosmos est déterminé en partie ou en totalité par les gaz (s’ils sont opaques en infrarouge thermique) ou les poussières et aérosols proches de la tropopause ; dans la troposphère la température est liée à celle de la surface par la relation température pression.

    Nota : les autres planètes : L’analyse dimensionnelle de Nikolov et Zeller est une autre démonstration de l’effet de la pression … sur Vénus, sur  la Terre, surTitan : https://www.researchgate.net/publication/317570648_New_Insights_on_the_Physical_Nature_of_the_Atmospheric_Greenhouse_Effect_Deduced_from_an_Empirical_Planetary_Temperature_Model/download

    à la référence suivante page 8 (article que nous ne cautionnerons pas car il part dans des considérations radiatives injustifiée … le caloduc vapeur d’eau est ignoré !) une liste des propriétés planétaires : https://tallbloke.files.wordpress.com/2011/12/unified_theory_of_climate_poster_nikolov_zeller.pdf Selon ce tableau Titan avec 108 506 kg/m² une accélération de la pesanteur de 1,352 m/s² reçoit 13,7 W/m²  cent fois moins que la Terre a un albédo de 0,22 et aurait une température moyenne de surface de 93 K … mais son atmosphère si elle ne contient que N2 et CH4 n’est probablement pas bien opaque en infrarouge thermique autour de 5 THz.  … pas de vapeur d’eau à ces températures

    Pour résumer la température de la couche la plus haute de la vapeur d’eau (ou du haut de la couche opaque en infrarouge thermique) est liée à la température de surface via la relation température pression …   

    La masse de l’atmosphère est le paramètre essentiel et a sans doute pas mal varié depuis 4 milliards d’années : voir les livres de articles de O.G. Sorokhtin ; une atmosphère de 50% plus lourde pourrait induire une température de surface de 38°C supérieure comme à certaines époques géologiques ; l’enfouissement de l’azote (dans les débris organiques) dans le manteau et du CO2 dans les carbonates océaniques sont des pistes mentionnées.   Il est certain que les températures moyennes et la distance au soleil jouent sur l’état des gaz (sur Terre l’eau est sous ses trois formes).  

  13. """"la convection est nécessaire pour qu'il y ait un GTG""""

     

     

    Inexact en fait c'est le contraire il ne peut y avoir de convection en l'absence de gradient de pression (que vous appelez improprement gradient thermique gravitationnel)

  14. La convection n'a rien à voir avec le gradient de pression : la stratosphère a un gradient de pression, mais pourtant pas de convection.

    C'est uniquerment un mécanisme de dilatation et de poussée d'Archimède : l'air chaud est plus léger que l'air froid qui l'entoure.

    La convection démarre en zone inter-tropicale, là où, soleil au presque zénith, en journée, son rayonnement peut transporter de l'ordre de 1000 W/m2, et réchauffe donc effectivement le sol en journée.

  15. Jacques-Marie Moranne,

    Bonjour et pardonnez mon anonymat.

    Deux remarques à propos de la convection, vous écrivez :

    "La convection n'a rien à voir avec le gradient de pression : la stratosphère a un gradient de pression, mais pourtant pas de convection."

    "C'est uniquerment un mécanisme de dilatation et de poussée d'Archimède : l'air chaud est plus léger que l'air froid qui l'entoure."

    Première remarque, la poussée d'Archimède a tout à voir avec le gradient de pression car elle est une force résultante des pressions. Sans gradient pression, pas de résultante donc pas de poussée.

    Seconde remarque, une bulle d'air chaud va s'élever tant et aussi longtemps qu'elle est plus chaude que son environnement. Pour que la convection perdure dans la troposphère, il est donc indispensable que la chaleur élevée par convection soit évacuée continument. Ce sont évidement les GES qui assurent cette fonction.

    Il découle de cela que les GES constituent la source froide indispensable à la convection troposphérique.

    Cela m'amène à une critique plus générale de votre conception de la physique de l'atmosphère. Le gradient thermique est une conséquence directe de l'existence conjuguée d'une source chaude (la surface) et d'une source froide (les GES). Un gradient thermique gravitationnel serait indépendant des flux thermiques et donc en contradiction avec les lois de la thermodynamique. La convection libre ne peut que limiter localement un gradient thermique préexistant lui-même issu d'un flux de chaleur entre sources chaudes et froides. Ce gradient préexistant est lié au flux IR, flux qui n'est pas aboli mais seulement affaibli par la convection.

    Enfin, à propos de la théorie officielle, le fait que la convection ne puisse que limiter un gradient thermique préexistant signifie que le gradient troposphérique est à la fois dépendant du flux IR et de la gravité. Conséquence : Le gradient troposphérique est dépendant de la structure radiative de l'atmosphère et la théorie quantitative de l'effet de serre est réfutée.
     

  16. Phi,

    Votre anonymat n'est pas en soi un problème : il s'agit juste d'une recommandation.

    OK pour votre première remarque : je ne le percevais pas sous cet angle : la poussée d'Archimède est effectivement une force de pression.

    OK également pour votre seconde remarque : la convection remonte des calories jusqu'à une altitude où la troposphère n'est plus opaque et peut donc les évacuer par rayonnement (de ses GES bien entendu) : le livre ne dit pas autre chose.

    Qui dit gravité dit gradient de pression : le gradient de pression se calcule simplement à partir de la masse volumique du gaz, sa quantité (masse / m2) et l'accélération de la pesanteur : pas besoin de GES.

    De même, le Gradient Thermique Gravitationnel purement adiabatique se calcule très bien sans faire intervenir l'Effet de Serre : 9,8°C/km avec une atmosphère sans GES ni vapeur d'eau : voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Gradient_thermique_adiabatique. Il nécessite simplement qu'il y ait un minimum de mouvement de l'air pour qu'il se détende et se comprime (anticyclones et dépressions). Mais la vitesse du mouvement n'a pas d'importance.

    A-t-on besoin des GES pour créer ce mouvement : pas nécessairement : il suffit de chauffer l'atmosphère par le bas (comme une casserole d'eau sur le gaz) : si vous chauffez une région par le bas (et un sol avec soleil au zénith et sans nuage est plus chaud que la basse troposphère qui le recouvre), vous amorcez la convection.

    Par contre, et là vous avez raison, ce réchauffement par le bas se fait essentiellement par absorption du rayonnement du sol … par la vapeur d'eau et le CO2 de l'air dès les basses couches de l'atmosphère.

    Concernant votre remarque générale, je ne suis pas sûr de bien comprendre ce que vous appelez une "source froide" : la Tropopause est le point le plus froid de la troposphère (par définition) ; mais ce n'est pas, à proprement parler, une "source" froide : la vraie "source froide", c'est le cosmos, mais je ne pense pas que ce soit ce que vous signifiez. Et par conséquent, je ne comprends pas non plus en quoi la convection "libre" limite le Gradient Thermique.

    Enfin, le Gradient Thermique Gravitationnel dépend aussi, en plus, de la concentration de vapeur d'eau, du fait de sa chaleur latente de condensation.

  17. Jacques-Marie Moranne,
    Merci pour votre réponse.
    Oui, bien entendu, le gradient adiabatique se calcule sans référence aux phénomènes radiatifs. Ce gradient n'est toutefois qu'une limite de stabilité de la colonne, il ne s'établit pas spontanément. L'équilibre thermodynamique implique l'isothermie soit un gradient thermique nul et pas le gradient adiabatique.

    "la vitesse du mouvement n'a pas d'importance"

    En fait oui, dans l'atmosphère, cela a une importance. Le refroidissement par le GES concerne toute la colonne troposphérique. Donc, moins rapides sont les mouvements verticaux et moins les conditions adiabatiques sont remplies.

    "A-t-on besoin des GES pour créer ce mouvement : pas nécessairement"

    C'est indispensable. Sans GES, la chaleur s'accumulerait dans l'atmosphère. Dans un premier temps, on atteindrait un gradient adiabatique basé sur les points les plus chauds de la surface et plus aucune bulle d'air ne pourrait s'élever parce que son environnement immédiat serait toujours au moins aussi chaud que la surface. Dans un second temps, cette atmosphère théorique tendrait vers l'équilibre thermodynamique donc vers l'isothermie (à l'exception d'une couche limite mince en puissante inversion, base à la température d'équilibre radiatif).

    "la Tropopause est le point le plus froid de la troposphère (par définition)"

    Par définition (dynamique), la tropopause est le niveau supérieur des mouvements convectifs. Si ces mouvements convectifs ne vont pas plus haut, c'est simplement que les masses d'air ascendantes ont été suffisamment refroidies radiativement et atteignent l'équilibre hydrostatique.

    "la vraie "source froide", c'est le cosmos"

    Oui mais le cosmos ne peut être une source froide que pour des corps capables de radier. Seules les GES peuvent le faire dans les IR, ils sont donc la source froide pour l'atmosphère. Ils sont des émetteurs nets et donc des puits de chaleur.

  18. Phil,

    Exprimé comme ça, je suis d'accord avec vous : il faut bien que cette chaleur emmagasinée en bas s'évacue en haut.

    Je verrai comment exprimer cela dans une prochaine révision du livre.

  19. Phi,

    La convection est la traduction -en turbulence- d’un transfert de chaleur un système qui n’est nullement uniforme sur une surface (cf casserole d’eau en ébullition …) on a des « pavés » où l’eau monte et des pavées ou l’eau refroidie après évaporation en surface redescend vers le fond de la casserole   voir figure 7-3-1 page 33,

    Première remarque, la poussée d'Archimède a tout à voir avec le gradient de pression car elle est une force résultante des pressions. Sans gradient pression, pas de résultante donc pas de poussée.

    dH = Ch dT et dp = – rho g dz

    Seconde remarque, une bulle d'air chaud va s'élever tant et aussi longtemps qu'elle est plus chaude que son environnement. Pour que la convection perdure dans la troposphère, il est donc indispensable que la chaleur élevée par convection soit évacuée continument. Ce sont évidement les GES qui assurent cette fonction.

    Oui le rayonnement vers le cosmos de la « peau » de la vapeur d’eau   qui selon l’épaisseur optique fonction de la fréquence est à des altitudes diverses selon la fréquence   et ôte de la chaleur à la masse d’air de la couche concernée …  c’est d’environ 2°C/(24 heures)  voir figure 6-I de Andrews dont la légende est

    Figure 6-I) Calcul du chauffage et du refroidissement radiatifs [Andrews D. G. An Introduction to Atmospheric Physics Cambridge University Press, Cambridge, UK; 2000, 229 pp., 103 fig., 3 tables, & 2010); D. G. Andrews et al. Middle Atmosphere Dynamics. Academic Press, New York, 1987. 489 pp, figure 2-1]

    Le chauffage solaire de la troposphère, "Heating" en bas à droite sur les 15 premiers km, est complété par la condensation de la vapeur d'eau non représentée, pour -en moyenne- compenser exactement le "Cooling" aux mêmes altitudes.

    Il découle de cela que les GES constituent la source froide indispensable à la convection troposphérique.

    oui

    Cela m'amène à une critique plus générale de votre conception de la physique de l'atmosphère. Le gradient thermique est une conséquence directe de l'existence conjuguée d'une source chaude (la surface) et d'une source froide (les GES).

    Oui mais le rayonnement des gaz actifs en infrarouge thermique en pratique la vapeur d’eau et pour un epsilon le CO2 troposphérique est, dans le document,  amplement documenté ainsi que leur altitude  d’émission (paragraphe 8-2) et annexe A6

    Un gradient thermique gravitationnel serait indépendant des flux thermiques et donc en contradiction avec les lois de la thermodynamique.  

    Il découle simplement de dH = Ch dT et dp = – rho g dz   voir aussi Annexe A1

    La convection libre ne peut que limiter localement un gradient thermique préexistant lui-même issu d'un flux de chaleur entre sources chaudes et froides.

    La convection turbulente est un caloduc très efficace … mais elle ne semble pas exister dans les basses couches de Vénus qui n’ont pas de chaleur à évacuer car l’insolation et là en surface négligeable.

    Il n’y a plus guère de convection la nuit quand la chaleur de l’insolation stockée pendant le jour dans le sol ou l’océan a fini de se dissiper (après minuit en zone tropicale convective)

    Ce gradient préexistant est lié au flux IR, flux qui n'est pas aboli mais seulement affaibli par la convection.

    L’expression même du gradient g/(Cp-Ch)  ou de l’exposant polytropique R/(Cp-Ch) ne montre pas de lien évident avec le flux infrarouge thermique. L’idée d’un flux infrarouge à travers l’atmosphère n’a pas de sens puisque l’air est opaque sur le plus gros du spectre. C’est différent dans la fenêtre mais le flux infrarouge montant est, là, intercepté par les  nuages : il n’ y a a finalement que 22 W/m² sur les 110 W/m² qu’émet entre 23 THz et 36 THz une surface d’émissivité 95%  à 288 K.

    L’idée qu’il y aurait un équilibre radiatif  modéré par la convection avec une épaisseur optique de l’air de l’ordre de un est un  leurre qui se trouve dans nombre d’article et de cours … c’est un leurre fabriqué pour faire croire à des effets radiatifs qui n’existent pas : il suffit de considérer l’épaisseur optique de l’air en fonction de la fréquence en THz

     

    Enfin, à propos de la théorie officielle, le fait que la convection ne puisse que limiter un gradient thermique préexistant signifie que le gradient troposphérique est à la fois dépendant du flux IR et de la gravité. Conséquence : Le gradient troposphérique est dépendant de la structure radiative de l'atmosphère et la théorie quantitative de l'effet de serre est réfutée.

    L’expression même du gradient g/(Cp-Ch)  ou de l’exposant polytropique R/(Cp-Ch) ne montre pas de lien évident avec le flux infrarouge thermique.

  20. Monsieur Veyres 

     

    """"Pour que la convection perdure dans la troposphère, il est donc indispensable que la chaleur élevée par convection soit évacuée continument. Ce sont évidement les GES qui assurent cette fonction.""""

     

    C'est inexact, le refroidissement de la parcelle d'air (à l'ETL) qui s'élève par convection est assuré par et uniquement par la baisse de pression (cf loi des gaz parfaits) et en aucun cas par les GES. 

  21. Camille Veyres, bonjour,

    "L’expression même du gradient g/(Cp-Ch)  ou de l’exposant polytropique R/(Cp-Ch) ne montre pas de lien évident avec le flux infrarouge thermique."

    C'est l'expression du gradient adiabatique humide mais pas d'un gradient effectif et encore moins d'un gradient effectif moyen. Cette formule n'a pas à avoir de lien avec le flux IR tout simplement parce qu'elle pose précisément qu'il n'y a pas de flux IR (condition adiabatique humide supposée satisfaite).

    Cette expression, quelque définition que l'on donne à Ch, est d'autre part totalement inapte à décrire par exemple les inversions de températures.

    "L’idée d’un flux infrarouge à travers l’atmosphère n’a pas de sens puisque l’air est opaque sur le plus gros du spectre."

    L'atmosphère est semi-opaque seulement. Plus on monte, plus la transparence vers le cosmos est grande. La puissance radiée vers l'espace provient de la surface et de toute la colonne atmosphérique mais pas spécialement de la tropopause (http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/). La convection ne va pas au-delà d'une certaine altitude tout simplement parce que les masses d'air ascendantes se sont suffisamment refroidies dans la colonne pour atteindre l'équilibre hydrostatique.

    Un milieu quelconque traversé par des flux thermiques de natures diverses voit son gradient thermique déterminé par l'ensemble de ces flux. On ne peut pas poser a priori, comme la théorie officielle le fait, comme vous le faites, que le flux IR n'a aucun effet sur le gradient. Dans le cas de l'atmosphère, c'est encore moins valide parce que sans flux IR, il n'y aurait ni gradient ni convection dans la presque totalité de la masse atmosphérique. De plus le seul endroit où un gradient est supposé apparaître, ce serait dans un couche limite mince en forte inversion thermique.

     

  22. Robert,

    Je vous remercie pour deux raisons :

    La première, vous me permettez de corriger mon explication trop simplifiée sur la fixation du niveau de la tropopause. En effet, les ascendances étant relativement rapides devant les subsidences, l'essentiel du refroidissement radiatif a lieu dans le flux descendant. L'équilibre hydrostatique des masses d'air ascendantes et donc la fixation du niveau de la tropopause est ainsi mieux expliqué par la dépression d'alitude provoquée par le refroidissement radiatif dans les subsidences que par la radiation dans les ascendances. 

    La seconde, c'est qu'en prétendant que la convection peut se passer d'une source froide en partie haute, vous tirez une conséquence logique mais intenable de la théorie quantitative de l'effet de serre. C'est une très jolie réfutation par l'absurde que vous nous faites là.

     

  23. Globalement je suis d’accord avec l’article, mais il y a une erreur au par. 2: la loi de Laplace PVgamma = constante n’est applicable qu’à une compression ou une détente adiabatique, ce qui n’est évidemment pas le cas ici. Cette formule de Laplace n’a donc pas de rapport avec le gradient thermique de l’atmosphère, qui existe pour d’autres raisons.

    1. @Jean Louchet :
      Si la tropopause était parfaitement transparente et sèche, mais cependant convective, nous serions bien dans un contexte adiabatique, et la Loi de Laplace pourrait s’appliquer telle quelle entre le sol et la tropopause (sommet de la convection) ; le Gradient Thermique Gravitationnel serait alors -9,8 K/km d’altitude.

      Le réchauffement de la tropopause par la condensation d’une part, et par l’absorption des rayonnements solaires et thermiques d’autre part, à différentes altitudes, diminue ce Gradient Thermique pour le ramener à 6,5 K/km : nous sommes dans un contexte polytropique.

  24. Bonjour, Comment peut-on obtenir les 15 degrés à partir des formules du gradiant thermique ? Merci d’avance.

    1. Bonjour,
      La tropopause (haut de la convection) est en moyenne à -57°C et 11 km d’altitude ; le Gradient Thermique Gravitationnel est de 6,5°C/km.
      -57 + 11*6,5 = 15.

  25. Vous remplacez une constante, la température moyenne au niveau du solde 15 degré, par une autre constante, la température de la tropopause de – 57 degré. Ma question est donc : comment calculez vous ces – 57 degrés à partir du gradient adiabatique ?

    1. Je ne calcule pas ces -57°C, je ne fais que les constater (mesures par ballons sondes).
      Cette température est essentiellement fixée par la stratosphère, et elle est largement indépendante, à la fois du CO2 et de la vapeur d’eau.

      Je vais l’exprimer différemment :
      La convection induit des mécanismes de compression-détente entre la surface et l' »altitude », et donc un Gradient Thermique Gravitationnel (GTG)
      Ce GTG a une altitude maximale, la tropopause, du fait que convection s’y arrête (il n’y a pas de convection dans la stratosphère, qui est en inversion de température, car chauffée par le haut).
      Si l’atmosphère était sèche et parfaitement transparente, ce GTG serait de -9,8°C par km d’altitude (calculés).
      L’absorption des rayonnements IR solaires et terrestres + la condensation de la vapeur d’eau font qu’il est de -6,5°C/km (mesurés), en moyenne.

  26. Donc, on ne peut pas calculer les 15 degrés à partir du gradient thermique, en contradiction avec ce que vous affirmez page 6 dans le résumé : « Cette température moyenne de 15°C est due au Gradient Thermique Gravitationnel qui, du fait de la compression de l’air par la gravité ». On ne peut pas déduire la température moyenne au sol du gradient thermique, car comme son nom l’indique, ce n’est qu’un gradient. En clair, la relation entre température et altitude est déduite d’une équation différentielle du premier ordre (dT/dZ où Z est l’altitude), et la solution d’une telle équation est définie A UNE CONSTANTE PRES, constante qui est fixée une fois qu’on a fixé la température au sol.

    1. Sauf que la constante n’est pas la température au sol, mais à la tropopause, altitude la plus froide qui matérialise le haut de la convection : au dessus, le gradient thermique s’inverse.
      L’ensemble se positionne de telle sorte que le bilan radiatif avec le cosmos (240 W/m2) s’équilibre.

  27. Le gradient thermique gravitationnel est principalement la conséquence du poids et l’énergie interne de l’atmosphère.
    Si sur une planète de même masse que la terre mais dépourvue d’atmosphère on apporte 10 tonnes/m² d’air à – 20 °C (avec de la vapeur d’eau en quantité suffisante!), on observera des gradients de température et de pression tels que la surface soit à  15 °C, avec une pression de 1 atm. Cependant ladite planète commencera aussitôt à rayonner et se refroidira en perdant environ 240 W/m², sauf si elle est éclairée par un soleil qui compense exactement la perte.
    Toute variation de l’énergie interne se traduit par une modification du gradient et par conséquent un changement de la température au sol. La pression ne varie pas.

    Ric

    1. Oui et non : tous ces raisonnements sur la base de « si … » peuvent devenir très compliqués et aboutir à des situations irréalistes.
      Ex. de votre exemple : il ne peut pas y avoir de vapeur d’eau sans eau + il faut quelque chose qui fasse démarrer la convection + il faut une tropopause.
      Je reste méfiant.

  28. Quelle est la source du rayonnement de ~15 µm dont le CO2 bloque l’émission vers le cosmos jusqu’à une certaine altitude? Autrement dit, comme ce n’est pas la surface terrestre, par quel mécanisme l’atmosphère génère-t-elle ce rayonnement?

    1. Je ne suis pas sûr de bien comprendre votre question, mais je vais essayer d’y répondre :
      La Terre rayonne (en moyenne à 15°C)
      Mais ce rayonnement est effectivement très vite bloqué par le CO2 et la Vapeur d’eau, sauf dans la fenêtre atmosphérique qui en laisse passer une petite partie vers le cosmos.
      Plus haut en altitude (mais plus froid du fait du Gradient Thermique), l’atmosphère rayonne (comme tous les corps), à la température de l’altitude où ce rayonnement n’est plus bloqué, du fait de la raréfaction de la vapeur d’eau (essentiellement), et du CO2 (marginalement).
      L’ensemble s’équilibre à 240 W/m2 (comme si la Terre rayonnait globalement à -18°C).

  29. Je reformule ma question.
    Dans la gamme IR concernée (5 – 50 µm) , le CO2 ne peut ‘bloquer’ que le rayonnement de ~15 µm. Est-ce exact ? Et il ne peut rien rayonner d’autre. Le cas échéant, quoi et par quel mécanisme?
    La molécule de CO2 à l’état excité peut libérer le même rayonnement à l’occasion d’un choc avec une autre molécule de l’air. Le rayonnement part alors dans une direction aléatoire. Si la concentration en CO2 est assez faible (le milieu étant devenu moins opaque), il peut, en se dirigeant vers le haut, ne pas rencontrer de nouvelle molécule pour l’absorber et ainsi partir vers le cosmos.
    Mais quelle est donc l’origine du rayonnement? S’agit-il:
    1) de molécules excitées au voisinage de la surface et qui ont ‘traversé’ (presque) toute la troposphère? 
    2) de molécules excitées localement à l’occasion de chocs?
    3) d’une autre origine ?
    L’hypothèse 1 exigerait que la désexcitation se fasse majoritairement par émission d’un rayonnement, y compris dans la basse atmosphère, auquel cas il ne se produirait pas ou peu d’échauffement de l’air (ce qui serait dommage de la part d’un GES!)
    Avec l’hypothèse 2, on est amené à comparer l’énergie cinétique moyenne d’une molécule à – 50 °C (~0,03 eV) avec l’énergie d’un photon de 15 µm (0,08 eV). Certes, au moins deux molécules sont impliquées dans un choc, certes, ~1% des molécules sont deux fois plus énergétiques mais n’est-ce pas un peu juste.
    Notez que l’hypothèse 2 serait acceptable pour H2O dont les innombrables modes de rotation sont beaucoup moins énergétiques que la vibration du CO2 à 15 µm.
    En fait j’essaie de comprendre quel mécanisme fait rayonner les gaz.
    Vous aurez compris que je ne suis pas un expert…les questions naïves me sont donc permises.

    1. Il n’y a pas de question stupide, et je n’ai pas non plus la prétention d’avoir une expertise pointue (du niveau de Camille Veyres, par exemple). J’essaie simplement de raisonner avec bon sens (j’insiste sur « j’essaie »). … et donc vos questions sont les bienvenues (elles me challengent aussi) : continuez.

      On est bien dans l’hypothèse 2 ; et il est bien évident que le rayonnement en haut du CO2 (à une température de l’ordre de -40 -50 °C) est beaucoup moins puissant que s’il partait du sol à 15°C vers le cosmos (ce qu’il ne peut pas faire, du fait de l’opacité).
      L’hypothèse 1 n’a pas de sens : il faudrait imaginer que le CO2 conserve sa température dans cette migration, sans subir le Gradient Thermique Gravitationnel.
      Je n’ai pas non plus de 3ème hypothèse.

  30. Merci. Donc des molécules de CO2 parviennent à entrer en vibration à -50 °C puis se désexcitent au cours d’un choc ultérieur, pour libérer un rayonnement de ~15 µm et lLa loi de conservation de l’énergie impose que la température baisse en conséquence.
    Il serait probablement utile d’ajouter un topo, s’il n’existe pas déjà (mais je ne l’ai pas trouvé) sur la conversion de l’énergie cinétique  en rayonnement. C’est peut-être une évidence mais le commun des mortel n’imagine pas que des gaz froids puissent rayonner. Bien entendu, il ne peuvent pas le faire dans les longueurs d’ondes auxquelles ils sont transparents…

  31. Le spectre OLR de la terre figurant à la page 47 montre que la fenêtre atmosphérique laisse passer environ 100 W/m² : les 22 émis directement par la surface terrestre et donc ~ 78 par les nuages bas, ce qui semble beaucoup. En effet, les nuages bas ne sauraient occuper plus de 60 % de la surface donc rayonner, à + 15 °C, plus de 110 *60 % = 66 W/m² et encore en considérant que l’atmosphère est devenue parfaitement transparente au dessus d’eux.
    Ce spectre ‘calculé’ est-il vraiment représentatif? Montrer des exemples de spectres ‘mesurés’ ne nuirait pas…
    Au § 10.2.4, vous calculez l’impact d’un doublement de la teneur en CO2 sur le resserrement de la fenêtre atmosphérique que vous estimez à 0,3 W/m², compte tenu des nuages. Mais ceci n’affecte que les 22 W/m² émis directement depuis la surface. Il me semble que le même resserrement est à l’oeuvre au dessus des nuages bas et qu’il réduit un peu plus le flux de rayonnement vers l’espace par la fenêtre atmosphérique.

    RIC

  32. Concernant votre première remarque (p 47), l’explication complète est donnée au § 8.1.2 : le continuum de la vapeur d’eau (épaisseur optique moyenne = 0,5) en absorbe déjà la moitié ; les nuages n’interviennent que pour la moitié qui reste.

    Calcul vs Observations : j’ignore s’il existe des observations capables de distinguer le rayonnement provenant du sol du rayonnement émis en haut de la vapeur d’eau dans cette fenêtre.

    Concernant votre seconde remarque (§ 10.2.4) : les 22 W/m2 (et donc 0,3 W/m2) ne concernent que le rayonnement direct du sol au cosmos, et non pas le rayonnement au dessus des nuages.

  33. Merci
    Sur la fait que la fenêtre atmosphérique laisse passer ~100 W, alors que seulement 22 proviennent directement de la surface: j’ai maintenant compris.
    Je vous suggère de montrer des observations non pas pour mieux discriminer entre les différentes sources de rayonnement mais pour rassurer ceux qui ne croient aux calculs, modèles, simulations… que lorsqu’ils sont corroborés pas des mesures.
    Il me semble utile de reformuler ma seconde remarque. Vous écrivez : « Aux alentours de 23 à 24 THz(extrême gauche de la fenêtre atmosphérique),la bande d’absorption du CO2, en s’élargissant, referme une partie de la Fenêtre atmosphérique, ce qui bloque une partie des 22 W/m2derayonnement direct au cosmos émis par la surface du sol dans cette Fenêtre : environ 0,8 W/m2 par ciel clair sans nuage, soit0,3 W/m2(en tenant compte des nuages). » Les 22 W/m² deviennent 21,7 W/m².
    Pourquoi les 95 – 22 = 73 W/m² que la fenêtre atmosphérique laisse échapper à partir des nuages (d’après le second graphique de la page 41) ne seraient-ils pas aussi affectés par l’élargissement de la bande d’absorption du CO2?
    S’il le sont, le surcroit d’échauffement est 0,8 W/m².

  34. Concernant votre première remarque : le but de cet ouvrage est de pousser au raisonnement à partir des lois physiques établies, et non pas de discuter telle ou telle référence bibliographique. Si la théorie exposée est fausse, il appartient au contradicteur d’en apporter la justification (raisonnement ou observation) : c’est l’objet de l’ouverture aux commentaires : je considère que la science n’est pas établie, et qu’il y a encore beaucoup de points inexpliqués.

    Concernant votre seconde remarque : je préfère raisonner par différence : ces 22 W/m2 ne sont qu’un ordre de grandeur et sont contestables ; par contre les variations sont justifiées par un raisonnement, qui l’est beaucoup moins.

    Concernant votre 3ème remarque : la bande du CO2 ne s’élargit pas à l’altitude où la vapeur d’eau rayonne vers le cosmos, mais beaucoup plus haut ; l’élargissement n’affecte donc que le rayonnement du CO2 lui-même (en haut du CO2) : voir § 10.2.2

    (Comment obtenez-vous ce 0,8 W/m2 ?)

  35. Merci pour votre livre,
    N’étant ni physicien ni mathématicien je me suis efforcé de le comprendre avec mes connaissances.
    Ainsi je me suis souvenu de mes cours de pilotage d’avion de tourisme où nous avons parlé de l’effet de fœhn.
     Il serait peut-être intéressant que ce phénomène soit mentionné dans votre livre pour illustrer d’une manière locale ce qui se passe sur le plan planétaire.
    J’ai une formation de charpentier mais j’ai quand même pu comprendre la logique et le fonctionnement du climat grâce a votre livre.
    Merci encore 

  36. Merci pour votre réponse. Vous vous demandez d’où sortent mes 0,8 W/m².
    C’est que je n’avais pas envisagé que le resserrement de la fenêtre atmosphérique puisse affecter seulement la basse atmosphère. J’avais naïvement considéré que, à l’intérieur de la fenêtre, le rayonnement au dessus des nuages était du même ordre de grandeur que celui de la surface. Vous estimez que par ciel clair sans nuage le resserrement de la fenêtre atmosphérique bloque 0,8 W/m², j’ai donc repris les mêmes 0,8 W/m². Mea culpa.

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