Le rétro-rayonnement : une hérésie physique
Les rapports du GIEC (WG1) s’appuient sur le bilan radiatif de la Terre, en particulier à la surface du sol.
Or, le rayonnement solaire arrivant à la surface du sol est très insuffisant pour justifier la température moyenne de 15°C qui y règne : par comparaison, la température moyenne à la surface de la Lune (qui reçoit le même rayonnement que la Terre), pour autant que cela ait un sens, est de l’ordre de -80°C.
Pour apporter le complément nécessaire, le GIEC s’appuie sur une théorie dite de l’ « effet de serre atmosphérique« , selon laquelle l’atmosphère absorberait le rayonnement infra-rouge remontant de la surface du sol, et le renverrait, amplifié, après absorption, par rétro-rayonnement vers la surface du sol.
Ce mécanisme est une hérésie physique : voir
Bonjour Monsieur,
Je suis très content de lire votre analyse de ce qui est appellé improprement « effet de serre » car je l’avais compris comme vous le décrivez et j’étais désolé d’en voir de nombreuses présentations qui conduisaient à la confusion la plus totale.
Toutefois pour éviter encore de jeter quelques personnes dans d’autres confusions, je me permets de tempérer un peu votre titre : « Le rétro-rayonnement : une hérésie ». Car si c’est bien une hérésie en terme de transfert d’énergie, ce n’en est pas une en terme d’existence de ce rayonnement et il ne faudrait pas laisser croire par une lecture (rapide) de vos propos que ce rayonnement doit être exclu de tout raisonnement. J’explique ce que je veux dire par là.
Toutes les figures de ce que l’on appellera « effet de serre », car malheureusement ce terme est consacré par l’usage, présentent des flux hémisphériques de rayonnements qui laissent à penser qu’ils correspondent à des transferts énergétiques, ce qui est faux. il n’y a transfert d’énergie par rayonnement que si, sur une surface donnée, les deux flux hémisphériques sont différents pour une fréquence particulière.
C’est le cas du flux solaire qui apporte selon la figure du Giec que vous présentez : 161 W/m2. Comme le sol ne présente aucun flux de rayonnement dans la gamme des longueurs d’ondes solaires, on a bien un transfert d’énergie vers le sol. C’est aussi le cas dans le domaine des IR : le sol reçoit 342 W/m2 et en émet 398 W/m2, soit un transfert de 56 W/m2, évidement insuffisants pour refroidir le sol par rayonnement seuls. On peut dessiner une figure qui laisse apparaitre les seuls transferts énergétiques : 161 W/m2 et 56 W/m2 pour ce qui concerne le bilan énergétique de la planète. Mais la difficulté est qu’on ne doit pas faire disparaitre les flux hémisphériques, car nous baignons dedans et ce sont eux qui nous impactent. De grandes confusions viennent de ce que l’on met les deux notions sur la même figure avec de mauvaises explications. Voici un petit raisonnement pour voir ce que je veux dire.
Imaginons que je chauffe par l’extérieur les parois d’un corps noir avec un flux radiatif issu d’une source à 5700K. Si je trace une surface à l’intérieur du corps noir, je ne trouverai pas de transfert d’énergie du fait des propriétés de ce corps noir. Pourtant il existera sur cette surface deux flux hémisphériques. Si je laisse cette expérience (théorique) se dérouler, les flux hémisphériques vont augmenter jusqu’à ce qu’ils soient tous les deux égaux à celui d’un rayonnement de corps noir à 5700K. A aucun moment cette surface ne verra un transfert d’énergie (les transferts étant limités aux parois). Pourtant si je pénètre à l’intérieur du corps noir, je vais très vite griller comme un poulet. Les flux hémisphériques internes peuvent atteindre de très grandes valeurs, pour autant ils ne créent pas d’énergie. La seule source est le chauffage externe dont le flux peut par ailleurs être très faible: les 5700K imposant un profil fréquentiel, pas un flux.
Si je laisse s’échapper du corps noir une fenêtre fréquentielle laissant passer tout ce qui entre dans cette fenêtre, on aboutira au même résultat pour toutes les autres fréquences, sauf pour les fréquences de la fenêtre fréquentielle où les flux hémisphériques resteront faibles. Le rayonnement à toute autre fréquence sera celui d’un corps noir à 5700K à l’équilibre et tout objet qui pénètrera grillera à peine moins vite. (j’appelle encore cet objet un corps noir pour simplifier le raisonnement).
Je peux par contre équilibrer un peu mieux l’intérieur de mon corps noir en y laissant passer un balayage d’air froid qui emmènera 161 – 56 = 105 W/m2. Si la fenêtre fréquentielle laisser échapper les 56 W/m2 (j’ai mis tous le reste ici pour simplifier un peu), alors la température va se stabiliser. La surface interne du corps noir émettra dans le domaine IR 398 W/m2 pour n’en recevoir que 342 W/m2, donc une surface imaginaire proche de la paroi interne verra passer un transfert d’énergie de 56 W/m2, qui s’échapperont par la fenêtre fréquentielle dont je me garde de dessiner les détails puisque qu’elle est théorique.
Mais si je pénètre maintenant à l’intérieur je ressentirai bien des flux de rayonnements qui me percuteront entre 342 et 398 W/m2 selon mon orientation, que j’émettrai moi-même en sens inverse bien sûr. Ces flux ne disparaitront pas. c’est ce qui fait que la température sera d’environ 15°C dans cet espace.
La figure du Giec ne devrait pas monter une grande flèche de 398W/m2 qui quitte la surface du sol et semble aller vers l’espace. Il n’existe aucun transfert d’énergie de cet ordre de grandeur vers l’espace, pas plus qu’il n’y a de rayonnement de ce même ordre qui s’achemine vers l’espace puisque 342W/m2 sont immédiatement arrêtés.
Cependant tout objet à la surface de la planète baigne dans un rayonnement de cet ordre de grandeur (rayonnement qui s’échappe très peu par ailleurs). Et il ne faut pas faire disparaitre ce rayonnement des raisonnements. Ce sont les gaz actifs en IR qui à 15°C en sont les émetteurs et même si la plus grande part de ce rayonnement ne transfère pas d’énergie, les gommer purement et simplement risque de générer dans l’esprit de certains d’autres confusions que celles que la figure du Giec fait apparaitre car une surface à 288K rayonne bien 398 W/m2. Une figure bien faite doit expliquer ce que devient de rayonnement.
il reste à dessiner la bonne figure qui fasse apparaitre tous les processus sans être ambiguë. Il faut avouer que dessiner au niveau du sol de la planète un genre de corps noir qui n’a pas de paroi matérielle fixe n’est pas si facile. Je pense que c’est pour cela que beaucoup ont basculé sur cette image de la vitre qui finalement ne résout pas le problème.
Je suis, bien entendu, d’accord avec votre raisonnement et vos conclusions ; simplement j’estime malhonnête de vouloir représenter dans le même schéma un bilan énergétique (équilibré) et un bilan radiatif (qui ne l’est pas) : il faut choisir :
Je ne prétends pas que le bilan radiatif soit faux, mais il ne prouve rien, et conduit à des raisonnements faux (comme le modèle à couches par exemple).
Par ailleurs, ce diagramme, que je dénonce, minimise en comparaison totalement les effets de la convection et de l’évaporation, qui sont les principaux régulateurs du climat et varient considérablement en fonction de la température (7% par °C pour l’évaporation) : l’évaporation, à elle seule, renvoie plus de la moitié de l’énergie radiative reçue du soleil, soit bien plus que le rayonnement IR terrestre.
Article intéressant pour mieux définir les concepts, mais qui ne mérite pas du tout le titre « d’hérésie physique ».
En effet le diagramme de Wild p1 montre un flux radiatif quittant la terre de 398 W/m2 comme si elle rayonnait vers le vide froid (0°K) selon Boltzman, pareil pour le flux renvoyé par l’atmosphère par effet de serre de 342 W/m2 vers le sol et 239 W/m2 vers la sortie (0°K). Le bilan de rayonnement atmosphère-terre est donc bien de 56 W/m2 (398-342 SI) sur la page 1, tout à fait conforme à votre schéma corrigé de la page p6 qui indique 57 W/m2. La contradiction apparente se ramène à mieux préciser les termes utilisés (flux de rayonnement émis ou bilan de flux) ce qui n’est pas négligeable.
L’effet des GES est donc d’opacifier l’atmosphère aux infra-rouges, ce qui déplace la zone de sortie du rayonnement vers la haute atmosphère (même flux sortant de 239 W/m2 dans les deux schémas p1 et p6). Le bilan de flux radiatif échangé entre terre et la haute atmosphère en bilan est petit (57 SI) parce que l’écart de température (Ts-Tv) est faible , le flux sortant vers l’espace est plus grand car lié à l’écart (Tv – 0)K. Tout cela respecte parfaitement la croissance de l’entropie, il n’y a pas la contradiction annoncée. Cela montre qu’il n’est pas inutile de (bien) commenter un schéma, mais il n’y a pas vraiment contradiction entre les deux, plutôt utilité de mieux définir des grandeurs du raisonnement.
Par contre, sur votre schéma du haut p5, je pense que la sortie d’énergie dans le vide ne peut être que radiative (pas d’échange convectif avec le vide), ce qui n’est pas bien expliqué dans votre texte. Il manque une flèche c (de rayonnement pur) assez loin au dessus, alors que le texte s’arrête à d+e = 100 incluant encore de la convection, ce qui est trompeur. Me trompais-je ?.
De même, j’aurais aimé trouver l’affirmation claire d’un bilan de rayonnement nul pour la terre entière : or il subsiste un écart de 1 W/m2 dans les deux schémas, ce qui est acceptable vu les incertitudes des chiffres, mais c’est trompeur en ce sens que cet écart n’a aucun sens explicatif. Le réchauffement du climat n’est pas dû à cet écart, et on devrait raisonner sur un état quasi stationnaire où l’égalité des flux radiatif en moyenne est une hypothèse sûre (je sais il y a des fluctuations solaires …). Certes, il y a certes des inégalités temporaires, ne serait-ce que jour/nuit, mais l’écart sur le bilan est négligeable en moyenne, car de second ordre devant les flux échangés. De même, l’hypothèse d’un bilan énergétique moyen nul pour le sol, tous transferts (ce qui est bien représenté dans les schémas).
J’aurais aussi aimé un petit développement sur l’effet possible d’une émissivité inférieure à 1 sur le profil des températures décrits, ou bien l’absence d’effet (si la basse atmosphère absorbe tout ré-émet tout, comme un corps noir).
Dit autrement, la discussion porte plutôt sur les définitions et les représentations, pour lesquelles vous proposez une clarification des concepts, mais sans trouver de véritable « hérésie physique ». Peut-Être des mal-dits, surtout quand c’est enseigné au Lycée …
Ce terme de « rétro-rayonnement » donne à penser que c’est parce que la Terre rayonne 398 W/m2 qu’elle reçoit en retour, par une sorte de rebond, 342 W/m2, et que ce seraient ces 342 W/m2 qui réchaufferaient la Terre.
C’est également ce qu’on nous ressort pour nous expliquer l’ « effet de serre ». Et je considère que ce raisonnement est hérétique : si la Terre est chaude, c’est simplement à cause du déséquilibre entre rayonnements reçu et renvoyé.
J’admets que tout soit un problème d’explication : je ne dis pas que le diagramme de Wild est faux ; je dis qu’il est trompeur.
S’agissant de ce 1 W/m2 de différence, il vient du diagramme de Wild (je crois me rappeler), mais je ne le défends pas : je raisonne bien à l’équilibre : considérez que c’est une erreur d’arrondi dans les additions.
(Par ailleurs, je pense que ces 57 W/m2 sont surévalués : je tablerais plutôt sur une grosse quarantaine, moitié absorbés par une semi opacité de l’atmosphère au bord de la fenêtre atmosphérique, et moitié renvoyés directement vers le cosmos ; mais ça ne change rien au raisonnement)