Une fois déduit l’albédo, la Terre reçoit du soleil un rayonnement très insuffisant (en application de la Loi de Stefan Boltzmann) pour justifier sa température moyenne de 15°C : la Lune, à la même distance du soleil que la Terre, a une température moyenne de l’ordre de – 80°C ; et la surface du sol, là où se joue finalement notre climat, n’en reçoit elle-même ensuite que les 2/3, l’atmosphère prélevant sa part au passage.
Dans l’autre sens, pour maintenir son équilibre énergétique et thermique, la Terre doit restituer au cosmos l’énergie qu’elle reçoit en permanence du Soleil ; et elle ne peut échanger avec le cosmos que par rayonnement.
Du fait de sa température, la surface du sol terrestre rayonne dans une gamme d’ondes (les infra-rouges dits « lointains » ou « thermiques ») où l’air, jusqu’à plusieurs milliers de mètres d’altitude, est totalement opacifié par les bandes d’absorption du CO2 et surtout de la vapeur d’eau, à l’exception d’une étroite bande de fréquences qu’on appelle « Fenêtre atmosphérique ».
Cette opacité empêche la surface de la Terre de restituer par rayonnement toute l’énergie qu’elle reçoit, et il se crée donc un déséquilibre radiatif : la surface de la Terre reçoit plus qu’elle ne peut renvoyer, et donc s’échauffe.
Depuis la surface, l’évacuation de cette chaleur emprunte alors plusieurs voies :
- la « Fenêtre Atmosphérique » permet d’en évacuer une petite partie par rayonnement direct depuis la surface du sol et des océans au cosmos.
- mais l’essentiel est emporté par l’évaporation des océans et l’évapo-transpiration des plantes et des sols, qui, comme au moyen d’un caloduc qui by-passerait la couche opaque, transfère, par convection, une énergie considérable (chaleur latente de vaporisation/condensation) de la surface du sol au sommet des nuages où elle est récupérée par condensation, et s’évacue alors par rayonnement (la vapeur d’eau, raréfiée, n’y faisant plus obstacle). Plus il fait chaud, plus ce caloduc débite : c’est le principal régulateur du climat.
- une partie importante de l’air chaud terrestre est également remontée par la convection naturelle, jusqu’au dessus des nuages, où elle peut également rayonner..
- le solde du rayonnement, dans la bande d’absorption du CO2, n’est libéré pour l’essentiel que dans la stratosphère, où le CO2 est suffisamment raréfié pour ne plus y faire obstacle : du fait de l’étroitesse de cette bande, et de l’altitude (et donc de la température) où il se déploie, sa part est très faible.
La température de la surface du sol se stabilise lorsqu’elle est suffisante pour que l’évaporation (évacuation de chaleur latente) et la convection (évacuation de chaleur sensible) compensent son déséquilibre radiatif : cette température « moyenne » se situant alors aux environs de 15°C.
Ceci démontre au passage le rôle régulateur (et non pas amplificateur) de l’évaporation (et donc de la vapeur d’eau), sans lequel le réchauffement, du fait du déséquilibre radiatif, serait insupportable.
Les facteurs d’équilibre avec les océans et la végétation rendent peu probable ou lointain un doublement de la concentration atmosphérique en CO2 ; mais si un tel doublement devait néanmoins intervenir, il aurait un impact mineur sur la bande d’absorption du CO2, déjà saturée et très étroite, et sur l’élévation de température qu’il pourrait causer ; et cet impact serait largement contrebalancé par une augmentation de débit du caloduc de la vapeur d’eau : au total, l’élévation de température ne pourrait pas dépasser 0,65°C.
Il faut donc chercher ailleurs les causes du réchauffement climatique actuel, d’autant que les dernières observations semblent plutôt incriminer l’insolation, via, sans doute, une diminution de l’albédo, dont on ne connaît pas les raisons de façon sûre.
Par ailleurs, le climat suit des cycles, qui sont eux-mêmes assez mal connus, mais dont l’amplitude peut être plus importante que l’augmentation que nous subissons.
Enfin, il ne faut pas oublier que le climat est chaotique, et que faire des simulations précises du climat à tel endroit dans 50 ans ou plus relève du doigt mouillé.
Once the albedo has been deducted, the Earth receives a very insufficient amount of radiation from the Sun (in application of Stefan Boltzmann’s Law) to justify its average temperature of 15°C: the Moon, at the same distance from the Sun as the Earth, has an average temperature of about -80°C; and the surface of the ground, where our climate is finally determined, only receives 2/3 of this radiation, with the atmosphere taking its share in passing.
On the other hand, to maintain its energetic and thermal balance, the Earth must give back to the cosmos the energy it permanently receives from the Sun; and it can only exchange with the cosmos by radiation.
Because of its temperature, the surface of the Earth’s ground radiates in a range of waves (the so-called « distant » or « thermal » infrared) where the air, up to several thousand meters above sea level, is totally opaque due to the absorption bands of CO2 and especially water vapor, except for a narrow band of frequencies called the « Atmospheric Window.
This opacity prevents the Earth’s surface from radiating back all the energy it receives, and so a radiative imbalance is created: the Earth’s surface receives more than it can send back, and so it heats up.
From the surface, the evacuation of this heat takes several ways :
- the « Atmospheric Window » allows to evacuate a small part of it by direct radiation from the surface of the ground and the oceans to the cosmos.
- But most of it is carried away by the evaporation of the oceans and the evapo-transpiration of the plants and soils, which, like a heat pipe that bypasses the opaque layer, transfers, by convection, a considerable energy (latent heat of vaporization/condensation) from the surface of the ground to the top of the clouds, where it is recovered by condensation, and is then evacuated by radiation (the rarefied water vapour is no longer an obstacle). The hotter it is, the more this heat pipe flows: it is the main climate regulator.
- an important part of the terrestrial hot air is also brought up by natural convection, to the top of the clouds, where it can also radiate.
- the remaining radiation, in the CO2 absorption band, is only released in the stratosphere, where CO2 is sufficiently rarefied to no longer be an obstacle: because of the narrowness of this band, and the altitude (and therefore the temperature) at which it is deployed, its share is very small.
The temperature of the ground surface stabilizes when it is sufficient for evaporation (evacuation of latent heat) and convection (evacuation of sensible heat) to compensate for its radiative imbalance: this « average » temperature is then around 15°C.
This demonstrates the regulating (and not amplifying) role of evaporation (and therefore of water vapor), without which the warming, due to the radiative imbalance, would be unbearable.
Equilibrium factors with the oceans and vegetation make a doubling of the atmospheric CO2 concentration unlikely or remote; but if such a doubling were to occur, it would have a minor impact on the already saturated and very narrow CO2 absorption band, and on the temperature rise it could cause; and this impact would be largely offset by an increase in the flow of the water vapour heat pipe: in total, the temperature rise could not exceed 0.65°C.
We must therefore look elsewhere for the causes of the current global warming, especially since the latest observations seem to incriminate the insolation, via, undoubtedly, a decrease in albedo, the reasons for which are not known for sure.
In addition, the climate follows cycles, which are themselves poorly known, but whose amplitude may be greater than the increase we are experiencing.
Finally, we must not forget that the climate is chaotic, and that making precise simulations of the climate at a given location in 50 years or more is a matter of guesswork.