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Présentation de Skeptical Science
Skeptical Science (SKS parfois en abrégé) est un blog de science du climat et des ressources d'information créé en 2007 par l'Australien blogueur et auteur John Cook. En plus de publier des articles sur les événements actuels relatifs à la science du climat et la politique climatique, le site conserve une grande base de données d'articles analysant la valeur d'arguments couramment avancés par ceux qui sont impliqués dans la controverse sur le réchauffement climatique qui s'opposent à l'opinion scientifique dominante sur le changement climatique. Après avoir lu un discours en 2007 du sénateur américain James Inhofe qui a affirmé que le réchauffement climatique est un canular, John Cook a créé Sks dans le but de créer une ressource Internet examinant avec le soutien scientifique des arguments courants contre une opinion scientifique dominante. Le site maintient actuellement plus de 160 articles abordant les critiques les plus courantes au sujet du consensus scientifique sur le réchauffement climatique, tels que l'affirmation selon laquelle l'activité solaire (au lieu de l'effet de serre) est responsable du réchauffement climatique du 20e siècle. Chaque article, désigné comme un «argument», présente d'abord une citation d'un personnage important qui a fait une remarque plus ou moins sceptique en ce qui concerne le réchauffement climatique, puis suit avec un résumé de «ce que dit la science".
Rayonnement solaire et bilan radiatif
Avant d'aborder tout les sujets sur le climat et le réchauffement climatique tirés de Sks, il serais déjà bien d'aborder le bilan radiatif ( énergie perdue/reçue ) du système Terre/atmosphère. Puisque c'est là aussi le point central du Rc ( qui on le rappel est une modification du bilan radiatif; forçage radiatif par les GES principalement ). En terme de forçage radiatif, un forçage positif va avoir tendance à réchauffer le système et un forçage négatif à le refroidir.
Pour qu'il y'ait des pertes ou gains il faut déjà qu'il y'ait une source d'énergie. Cette source d'énergie est principalement le soleil comme tout le monde le sait après avoir passé le Cm1. L'autre source de chaleur est la géothermie ( 4 ordres de grandeur plus faibles, elle représente moins de 0,02 % de l'énergie totale ).
Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère est d'environ 340 W.m-2 en moyenne annuelle. Il faut aussi savoir que le soleil est une étoile de type G2 ( une naine jaune ), son spectre d'émission se trouve principalement entre 0,2 à 4 micromètres, c'est à dire l'ultraviolet ( 10%), le visible ( 40%) et le proche infrarouge ( 50%).
La puissance totale reçue par le système Terre-atmosphère est de 175 pétawatts. 1 pétawatts valant 10^15 watts.
Cette énergie comme on l'a dit provient essentiellement du soleil. Mais tout cette énergie n'est pas absorbée par le système climatique, 30 % est réfléchie vers l'espace en moyenne actuellement ( nettement plus durant les ages glaciaires ).
Après, quand on donne ces données chiffrées il faut prendre en compte également que la constante solaire porte mal son nom car elle n'est pas constante
. Le rayonnement solaire et donc l'énergie qui arrive dans le système climatique varie en fonction des cycles astronomiques ( 22 000, 41 000, 100 000 ans...). En général on prend S = 1368 W.m-2.
Quand on compare les autres sources de chaleur de la terre ( géothermie et friction dues aux marrées ), on remarque combien elles sont négligeables avec respectivement 0,02 et 0,002 % du bilan total.
L'angle solide ( quand vous ouvrez la fenêtre le matin, on peut tracer un angle solide, donc en 3D, entre vos yeux et le champ du paysage que vous voyez ) sous lequel la terre reçois l'énergie du soleil est très petit. Comparé à l'énergie totale du soleil, la Terre en reçois seulement un centième de pourcentage. Ce rayonnement, lorsqu'il s'approche de la Terre, est réfléchi par la surface/nuages, diffusé par les gaz atmosphérique/aérosols, ou absorbé par les gaz/aérosols/nuages/surface.
On appelle albédo solaire du système Terre-atmosphère la proportion du rayonnement solaire incident réfléchi ou rétro diffusé vers l'espace. En moyenne, comme on l'a dit plus haut, environ 30% de ce rayonnement est réfléchi vers l'espace.
Les plus courtes longueurs d'onde ultraviolettes du spectre solaire interagissent avec l'oxygène et l'azote dans la partie supérieur de l'atmosphère. Cela conduit à la photodissociation et à l'ionisation de ces deux gaz. L'ozone formé dans la haute stratosphère grâce a la dissociation de l'oxygène, à une bande d’absorption entre 0,2 et 0,3 µm. Elle filtre ainsi presque totalement le rayonnement UV avant son entré dans la troposphère.
Dans le domaine du visible, les gaz atmo' sont quasiment transparents aux rayonnement solaire. Par contre dans sa zone infrarouge, la vapeur d'eau et le CO2 ont des bandes d'absorptions qui contribuent en partie au réchauffement de l'atmosphère. En moyenne, 16% du rayonnement solaire est absorbé par les gaz et les poussières, 3 % par les nuages et 51 % par la surface.
La surface, les gaz, les aérosols et les nuages émettent du rayonnement dans la gamme de l'infrarouge ( entre 4 et 100µm, avec un maximum vers 12 µm), conformément aux valeurs de température observées sur terre et dans l'atmosphère. Le spectre solaire et terrestre sont donc presque disjoints.
A l'échelle du climat le système Terre-Atmosphère est en équilibre du point de vue radiatif ( Ce n'est pas vrai pour les périodes de transitions entre deux états climatiques par exemple, actuellement en période de Rc. Ou bien dans le passé, lors de la transition vers une période de glaciation ).
Si l'on se place dans un contexte stable, on peut faire l'approximation que la quantité d'énergie qui sort est quasiment égale à la quantité d'énergie qui entre.
Cependant les processus impliqués dans le bilan Terre-atmosphère sont plus complexes dans l'infrarouge que pour le soleil, car sur terre on a des gaz qui sont en bonne partie opaques à ce rayonnement, et donc l'absorbent. L'effet de serre qui en résulte est un mécanisme essentiel à la compréhension du système climatique.
Zoom sur l'effet de Serre
Pour matérialisé cet effet on va étudier 2 modèles de système Terre/atmosphère.
Pour rappel la superficie d'une sphère c'est 4 * pi * R², le rayonnement arrive lui sur un cercle de superficie pi * R², il y'a un ratio de 4 entre les deux .
- Dans le premier modèle, on suppose que le système se comporte comme un corps noir ( absorbeur et émetteur parfait ), de forme sphérique et de rayon égal à la terre. Dans ce 1er modèle on ne tient pas compte de la présence de l'atmosphère.
On calcul l'énergie solaire incidente par mètre carré de surface et par unité de temps ;
s = S x 3.14 x a²/4 x 3.14 x a² = S/4 W.m-2
Soit 342 W.m-². Une partie de cette énergie et réfléchie vers l'espace. Si k est l'albédo moyen du système, l'énergie absorbée est (1 - k)s. Le système étant en équilibre radiatif, l'énergie solaire absorbée est égale à l'énergie émise, soit :
(1- k)s = o(T1)^4 ou T1 est la température moyenne considérée comme uniforme dans ce premier modèle. Avec un albédo de 0,3 on obtient une température T1 de 255K c'est à dire -18 degrès. Cette température est de plus de 30 degrés plus basse que la température moyenne de 288K observée sur Terre. ce premier modèle sans atmosphère et trop simple n'est donc pas réaliste.
- Pour mieux piger l'effet de serre, on va utilisé un deuxième modèle, encore assez simple, mais qui présente une couche absorbante située au dessus de la surface. On suppose donc qu'une couche atmosphérique est située entre la surface et l'espace. Pour simplifier on va supposer que cette couche est complètement opaque au rayonnement infrarouge émis par la surface, et complètement transparente au rayonnement solaire. On suppose également que cette couche se comporte comme un corps noir. Elle emet donc un rayonnement A vers le haut et vers le bas proportionnelle à la puissance quatrième de sa température ( loi de Stefan -B. ).
Lorsque le système climatique est en équilibre radiatif, on peut écrire que la surface terrestre et la couche atmosphérique émettent autan d'énergie qu'elles en reçoivent, soit :
(1- k)s + A = E Pour la Terre
E = 2A Pour la couche d'atmosphère.
On en déduit donc :
A = (1-k)s
E = 2(1-k)s
Dans ce modèle encore simple, l'équilibre radiatif est assuré quand les températures de la surface et de la couche sont telles que la surface émet deux fois plus que la couche ( c'est ce que l'on trouve dans le système d'équations d'avant ). En posant E = o(T2, Terre )^4 et A = o(T2, Atmo)^4, on obtient T2, Terre = 303K et T2, Atmo = 255K.
Les "o" ce sont des sigma, mais je n'ai pas réussi à foutre le symbole ^^'
Donc dans ce 2e modèle, l'équilibre radiatif n'est possible que si la surface est beaucoup plus chaude que la couche absorbante située au dessus. Du coup la température obtenue dans ce second modèle est trop chaude par rapport à ce qu'on mesure en moyenne sur Terre.
Il est possible de mieux modéliser le comportement radiatif du système Terre/atmo en divisant l'atmosphère en une succession de couches ayant leur propre température. Chaque couche reçoit du rayonnement des couches supérieures et inférieures, émet avec une émissivité plus réaliste, différente de 1, et transmet donc une partie du rayonnement incident. On obtient une température de surface plus proche de 288K, avec une décroissance verticale des couches jusqu'à des température de l'ordre de 250K.
Le taux de décroissance vertical que l'on trouve ici est supérieur à celui que l'on mesure en réalité dans l'atmosphère car ici ce modèle est purement radiatif. Pour comprendre le profil moyen de température, il faut prendre d'autres phénomènes radiatifs que l'effet de serre, et convectifs. Par exemple l'absorption du rayonnement UV par l'ozone. Mais aussi les mouvements atmosphériques verticaux/horizontaux qui opèrent un mélange qui à tendance à lisser les gradients.
Ici les 3 schémas des modèles que l’on vient d’expliciter :
https://2img.net/r/hpimg11/pics/277018img067.jpg
On voit ici l'importance des gaz atmosphérique dans le bilan radiatif d'un système.
Vous aurez aussi remarqué que l’énergie dans le système Terre/atmosphère ( appelons le piscine d’énergie ) est comme un jeu de robinet entre le débit de l’énergie qui rentre et celui de l’énergie qui sort. Quand on a plus d’entrée que de sortie (ou moins de sortie que d’entrée ), l’énergie augmente, le système se réchauffe. Si c’est l’inverse cela se refroidit. Paix aime bien prendre cet exemple pour ceux qui voient qui c’est
Pour faire une petite anecdote, l'effet de serre porte mal son nom puisque les processus qui se rapportent à ce qui se passe vraiment dans une serre ne sont pas les mêmes. Ici l'on a vu que les processus radiatifs sont dominants, alors que dans la serre c'est principalement le transport de chaleur par convection qui est bloqué par les parois de la serre qui provoque le réchauffement. Ils avaient fait une expérience avec du Halite ( transparent aux Irs ) à la place du verre, et ont mesurés une augmentation similaire de la température dans les deux cas. On conclue donc qu'il n'ya quasiment aucun effets radiatifs dans la serre et que le blocage de la convection domine le processus de réchauffement.
C'est parceque ce terme est impropre à ce qui se passe dans l'atmosphère que les scientifique préfèrent parler de forçage radiatif.
Zoom sur les GES ( gaz à effet de Serre )
Perso, je préférerais parler de GAEFR ( gaz à effet de forçage radiatif ) mais bon Ce sont les gaz qui permettent de ne pas vivre sur une terre avec une moyenne de -18 degrés, et réchauffe donc notre lieu de vie.
Un gaz ne peut absorber les infrarouges qu'à partir de trois atomes par molécule, ou à partir de deux si ce sont deux atomes différents.
Les principaux gaz à effet de serre qui existent naturellement dans l'atmosphère sont :
• la vapeur d'eau (H2O) ;
• le dioxyde de carbone (CO2) ;
• le méthane (CH4) ;
• le protoxyde d'azote (N2O) ;
• l'ozone (O3).
Les gaz à effet de serre industriels comprennent aussi des gaz fluorés comme :
• les hydrochlorofluorocarbures, comme le HCFC-22 (un fréon) ;
• les chlorofluorocarbures (CFC) ;
• le tétrafluorométhane (CF4) ;
J’avais vu une grosse ânerie qui disait que le dioxygène et l’azote étaient des GES. C’est faux. Le dioxygène ( O2 ) et l’azote ( N2 ) n’ont pas une structure moléculaire adéquate pour intercepter le rayonnement infrarouge. Si on prenait une atmosphère hypothétique constituée uniquement de ces 2 gaz, on serait aux alentours de la température trouvée dans notre modèle sans atmosphère (-18° ).
La durée de séjour dans l’atmosphère des différents GES varie beaucoup. Elle passe de quelque jours pour l’H2O, de 15/200 ans pour le CO2 à 50 000 ans pour le tétrafluorométhane.
On peut cité la concentration approximative des principaux GES selon le Giec :
Vapeur d'eau : 60 %
Dioxyde de carbone : 26 %
Ozone : 8 %
Méthane et oxyde nitreux : 6 %
Celà peut laisser dubitatif à première vue quand on voit la différence entre Vapeur d'eau et le CO2/méthane. Cependant, on ne peut pas mettre en place un forçage radiatif climatique avec la vapeur d'eau ; la concentration d'H2O est essentiellement fonction de la Température. Si l'on tenterait de la faire cela précipiterait très rapidement ( en quelques jours ). Cependant un forçage via le CO2/méthane.. provoque une hausse de la température, qui provoque une hausse de l'H2O. La vapeur d'eau c'est une puissante rétroaction positive, pas un forçage. Je n'ai plus les chiffres exact en tête, mais le CO2 doublé seul, c'est environ 1.2°C de plus, et le CO2 avec la rétroaction H2O c'est environs 2°C. Après on vas a 3°C environs avec le reste des rétroactions.
Qu'est ce qu'un corps noir ?
Un corps noir est un corps idéal qui est un émetteur ( mais aussi un absorbeur ) parfait : il émet le maximum d'énergie possible dans chaque longueur d'onde. Le spectre éléctromagnétique ne dépend que de sa température. Le corps noir est parfois assez éloigné des corps réels mais il reste une référence utile pour décrire l'émission dans de nombreux cas. Les travaux de Planck ont montrés que la luminance monochromatique émise par un corps noir est isotrope, elle ne dépend que de la température et de la longueur d'onde. Elle est donnée par la fonction de Planck Bλ(T) :
Bλ(T) = 2hc²/ λ^5(e^hc/kλT -1 )
D'après cette relation, l'intensité du rayonnement d'un corps noir augmente, pour une longueur d'onde donnée, avec la température.
Loi de Stefan
Quand on intègre les fonctions de Planck sur toutes les longueurs d'ondes et dans toutes les directions d'un demi espace ( isotropie ), on obtient la loi de Stefan qui donne l'émittance d'un corps noir en fonction de la puissance quatrième de sa température :
M(T) = o T^4
ou o = 5,67.10^-8W.m-2.K-4 est la constante de Stefan.
Les corps rééls ne sont jamais des corps noirs. Le rapport entre la quantité de rayonnement émise par un corps réel et celle qui serait émise par un corps noir à la même température et pour une longueur d'onde donnée s’appelle l'émissivité ( en gros la capacité à émettre quoi).
Loi de Kirchhoff
Elle précise que, pour une longueur d'onde donnée, un corps en équilibre thermodynamique est aussi efficace pour absorber que pour emmètre, soit :
Bλ = £λ
Pour un corps noir, £λ = 1, donc Bλ =1. En utilisant la conservation de l'énergie, on en déduit que les facteurs de réflexion et de transmission d'un corps noir sont nuls.
Les gaz sont loin d’être des corps noirs. La capacité d'absorption et d'émission des gaz atmosphérique dépend beaucoup de la longueur d'onde. Un intervalle de longueurs d'onde pour lequel un gaz à une forte capacité d'absorption s’appelle une bande d'absorption ( l'inverse s’appelle une fenêtre atmosphérique au passage ^^ ).
Quand on superpose les bandes d'absorptions des différents constituants de l'air, on remarque que l'atmosphère est assez opaque au rayonnement infrarouge en général. ( complètement opaque aux UVs, très transparent dans le domaine du visible, très opaque dans l'IR malgré quelques fenêtres atmosphériques).
J'avais une fois lu des articles ou y'avait des gars qui disaient que ces deux lois s'appliquaient mal à l'atmosphère. Evidemment, dans les modèles on ne les appliquent pas telles quelles. On calcule d'abord des coefficients qui dépend des caractéristiques microscopiques des différentes couches de l'atmosphère.
Qu'est ce que la luminance ?
La luminance est tout simplement la sensation visuelle qu’on a de la lumière. De toutes les grandeurs photométriques qui caractérisent la lumière, la luminance est celle qui nous concerne le plus, car notre organe visuel ne sait « compter » qu’en luminance. Lorsque la vision est gênée dans une forte pénombre, ou lorsqu’un phare nous éblouit, c’est la luminance qui est en cause.
Il y a plusieurs facteurs qui influencent le niveau de luminance. En premier bien sûr, l’intensité lumineuse de la source de lumière. Ensuite lorsque la luminance est renvoyée par une surface éclairée, tous les paramètres géométriques qui pondèrent plus ou moins la luminance. Et enfin, la coloration de la source lumineuse influence aussi le niveau de luminance. La luminance est la grandeur de photométrie la plus connue du grand public, car c’est celle qui correspond le mieux à nos sensations visuelles. Elle exprime le niveau de luminosité qui est une donnée sensorielle sans tenir compte du débit de lumière qui est une donnée physique.
Lorsqu’on regarde une étoile, c’est à dire une source lumineuse quasi ponctuelle, la luminance et l’intensité lumineuse, c’est la même chose. Et d’une manière générale lorsque un spot est suffisamment éloigné pour qu’on néglige sa surface lumineuse, on peut dire que luminance égale intensité lumineuse.
Mais lorsqu’on regarde une source lumineuse ayant une certaine dimension comme par exemple l’écran que vous avez devant les yeux, si l’on veut que la luminance continue à exprimer l’intensité lumineuse d’un point lumineux unique, on doit diviser l’intensité lumineuse par la surface apparente.
On peut aussi donner à la luminance une correspondance en unité énergétique dans le domaine de la radiométrie. On parle alors de luminance énergétique (radiance en anglais).
le projecteur de gauche est plus grand que le projecteur de droite. Le projecteur de gauche n’éblouit pas les yeux, mais éclaire correctement la pièce. Le projecteur de droite est éblouissant (en face) mais éclaire moins la pièce.
Qu'est ce que l'émittance ?
L'émittance ou exitance désigne le flux lumineux émis par unité de surface d'une source lumineuse étendue (par opposition à la mesure du flux lumineux d'une source lumineuse ponctuelle). C'est à dire qu'on utilise l'émittance pour des sources non ponctuelles, c'est à dire qu'on ne peut pas résumer à un point dans l'espace.
Informations vérifiées, tirées de Fondamentaux de Météo, de connaissances personnelles et du blog couleur.
Skeptical Science (SKS parfois en abrégé) est un blog de science du climat et des ressources d'information créé en 2007 par l'Australien blogueur et auteur John Cook. En plus de publier des articles sur les événements actuels relatifs à la science du climat et la politique climatique, le site conserve une grande base de données d'articles analysant la valeur d'arguments couramment avancés par ceux qui sont impliqués dans la controverse sur le réchauffement climatique qui s'opposent à l'opinion scientifique dominante sur le changement climatique. Après avoir lu un discours en 2007 du sénateur américain James Inhofe qui a affirmé que le réchauffement climatique est un canular, John Cook a créé Sks dans le but de créer une ressource Internet examinant avec le soutien scientifique des arguments courants contre une opinion scientifique dominante. Le site maintient actuellement plus de 160 articles abordant les critiques les plus courantes au sujet du consensus scientifique sur le réchauffement climatique, tels que l'affirmation selon laquelle l'activité solaire (au lieu de l'effet de serre) est responsable du réchauffement climatique du 20e siècle. Chaque article, désigné comme un «argument», présente d'abord une citation d'un personnage important qui a fait une remarque plus ou moins sceptique en ce qui concerne le réchauffement climatique, puis suit avec un résumé de «ce que dit la science".
Rayonnement solaire et bilan radiatif
Avant d'aborder tout les sujets sur le climat et le réchauffement climatique tirés de Sks, il serais déjà bien d'aborder le bilan radiatif ( énergie perdue/reçue ) du système Terre/atmosphère. Puisque c'est là aussi le point central du Rc ( qui on le rappel est une modification du bilan radiatif; forçage radiatif par les GES principalement ). En terme de forçage radiatif, un forçage positif va avoir tendance à réchauffer le système et un forçage négatif à le refroidir.
Pour qu'il y'ait des pertes ou gains il faut déjà qu'il y'ait une source d'énergie. Cette source d'énergie est principalement le soleil comme tout le monde le sait après avoir passé le Cm1. L'autre source de chaleur est la géothermie ( 4 ordres de grandeur plus faibles, elle représente moins de 0,02 % de l'énergie totale ).
Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère est d'environ 340 W.m-2 en moyenne annuelle. Il faut aussi savoir que le soleil est une étoile de type G2 ( une naine jaune ), son spectre d'émission se trouve principalement entre 0,2 à 4 micromètres, c'est à dire l'ultraviolet ( 10%), le visible ( 40%) et le proche infrarouge ( 50%).
La puissance totale reçue par le système Terre-atmosphère est de 175 pétawatts. 1 pétawatts valant 10^15 watts.
Cette énergie comme on l'a dit provient essentiellement du soleil. Mais tout cette énergie n'est pas absorbée par le système climatique, 30 % est réfléchie vers l'espace en moyenne actuellement ( nettement plus durant les ages glaciaires ).
Après, quand on donne ces données chiffrées il faut prendre en compte également que la constante solaire porte mal son nom car elle n'est pas constante
. Le rayonnement solaire et donc l'énergie qui arrive dans le système climatique varie en fonction des cycles astronomiques ( 22 000, 41 000, 100 000 ans...). En général on prend S = 1368 W.m-2.Quand on compare les autres sources de chaleur de la terre ( géothermie et friction dues aux marrées ), on remarque combien elles sont négligeables avec respectivement 0,02 et 0,002 % du bilan total.
L'angle solide ( quand vous ouvrez la fenêtre le matin, on peut tracer un angle solide, donc en 3D, entre vos yeux et le champ du paysage que vous voyez ) sous lequel la terre reçois l'énergie du soleil est très petit. Comparé à l'énergie totale du soleil, la Terre en reçois seulement un centième de pourcentage. Ce rayonnement, lorsqu'il s'approche de la Terre, est réfléchi par la surface/nuages, diffusé par les gaz atmosphérique/aérosols, ou absorbé par les gaz/aérosols/nuages/surface.
On appelle albédo solaire du système Terre-atmosphère la proportion du rayonnement solaire incident réfléchi ou rétro diffusé vers l'espace. En moyenne, comme on l'a dit plus haut, environ 30% de ce rayonnement est réfléchi vers l'espace.
Les plus courtes longueurs d'onde ultraviolettes du spectre solaire interagissent avec l'oxygène et l'azote dans la partie supérieur de l'atmosphère. Cela conduit à la photodissociation et à l'ionisation de ces deux gaz. L'ozone formé dans la haute stratosphère grâce a la dissociation de l'oxygène, à une bande d’absorption entre 0,2 et 0,3 µm. Elle filtre ainsi presque totalement le rayonnement UV avant son entré dans la troposphère.
Dans le domaine du visible, les gaz atmo' sont quasiment transparents aux rayonnement solaire. Par contre dans sa zone infrarouge, la vapeur d'eau et le CO2 ont des bandes d'absorptions qui contribuent en partie au réchauffement de l'atmosphère. En moyenne, 16% du rayonnement solaire est absorbé par les gaz et les poussières, 3 % par les nuages et 51 % par la surface.
La surface, les gaz, les aérosols et les nuages émettent du rayonnement dans la gamme de l'infrarouge ( entre 4 et 100µm, avec un maximum vers 12 µm), conformément aux valeurs de température observées sur terre et dans l'atmosphère. Le spectre solaire et terrestre sont donc presque disjoints.
A l'échelle du climat le système Terre-Atmosphère est en équilibre du point de vue radiatif ( Ce n'est pas vrai pour les périodes de transitions entre deux états climatiques par exemple, actuellement en période de Rc. Ou bien dans le passé, lors de la transition vers une période de glaciation ).
Si l'on se place dans un contexte stable, on peut faire l'approximation que la quantité d'énergie qui sort est quasiment égale à la quantité d'énergie qui entre.
Cependant les processus impliqués dans le bilan Terre-atmosphère sont plus complexes dans l'infrarouge que pour le soleil, car sur terre on a des gaz qui sont en bonne partie opaques à ce rayonnement, et donc l'absorbent. L'effet de serre qui en résulte est un mécanisme essentiel à la compréhension du système climatique.
Zoom sur l'effet de Serre
Pour matérialisé cet effet on va étudier 2 modèles de système Terre/atmosphère.
Pour rappel la superficie d'une sphère c'est 4 * pi * R², le rayonnement arrive lui sur un cercle de superficie pi * R², il y'a un ratio de 4 entre les deux .
- Dans le premier modèle, on suppose que le système se comporte comme un corps noir ( absorbeur et émetteur parfait ), de forme sphérique et de rayon égal à la terre. Dans ce 1er modèle on ne tient pas compte de la présence de l'atmosphère.
On calcul l'énergie solaire incidente par mètre carré de surface et par unité de temps ;
s = S x 3.14 x a²/4 x 3.14 x a² = S/4 W.m-2
Soit 342 W.m-². Une partie de cette énergie et réfléchie vers l'espace. Si k est l'albédo moyen du système, l'énergie absorbée est (1 - k)s. Le système étant en équilibre radiatif, l'énergie solaire absorbée est égale à l'énergie émise, soit :
(1- k)s = o(T1)^4 ou T1 est la température moyenne considérée comme uniforme dans ce premier modèle. Avec un albédo de 0,3 on obtient une température T1 de 255K c'est à dire -18 degrès. Cette température est de plus de 30 degrés plus basse que la température moyenne de 288K observée sur Terre. ce premier modèle sans atmosphère et trop simple n'est donc pas réaliste.
- Pour mieux piger l'effet de serre, on va utilisé un deuxième modèle, encore assez simple, mais qui présente une couche absorbante située au dessus de la surface. On suppose donc qu'une couche atmosphérique est située entre la surface et l'espace. Pour simplifier on va supposer que cette couche est complètement opaque au rayonnement infrarouge émis par la surface, et complètement transparente au rayonnement solaire. On suppose également que cette couche se comporte comme un corps noir. Elle emet donc un rayonnement A vers le haut et vers le bas proportionnelle à la puissance quatrième de sa température ( loi de Stefan -B. ).
Lorsque le système climatique est en équilibre radiatif, on peut écrire que la surface terrestre et la couche atmosphérique émettent autan d'énergie qu'elles en reçoivent, soit :
(1- k)s + A = E Pour la Terre
E = 2A Pour la couche d'atmosphère.
On en déduit donc :
A = (1-k)s
E = 2(1-k)s
Dans ce modèle encore simple, l'équilibre radiatif est assuré quand les températures de la surface et de la couche sont telles que la surface émet deux fois plus que la couche ( c'est ce que l'on trouve dans le système d'équations d'avant ). En posant E = o(T2, Terre )^4 et A = o(T2, Atmo)^4, on obtient T2, Terre = 303K et T2, Atmo = 255K.
Les "o" ce sont des sigma, mais je n'ai pas réussi à foutre le symbole ^^'
Donc dans ce 2e modèle, l'équilibre radiatif n'est possible que si la surface est beaucoup plus chaude que la couche absorbante située au dessus. Du coup la température obtenue dans ce second modèle est trop chaude par rapport à ce qu'on mesure en moyenne sur Terre.
Il est possible de mieux modéliser le comportement radiatif du système Terre/atmo en divisant l'atmosphère en une succession de couches ayant leur propre température. Chaque couche reçoit du rayonnement des couches supérieures et inférieures, émet avec une émissivité plus réaliste, différente de 1, et transmet donc une partie du rayonnement incident. On obtient une température de surface plus proche de 288K, avec une décroissance verticale des couches jusqu'à des température de l'ordre de 250K.
Le taux de décroissance vertical que l'on trouve ici est supérieur à celui que l'on mesure en réalité dans l'atmosphère car ici ce modèle est purement radiatif. Pour comprendre le profil moyen de température, il faut prendre d'autres phénomènes radiatifs que l'effet de serre, et convectifs. Par exemple l'absorption du rayonnement UV par l'ozone. Mais aussi les mouvements atmosphériques verticaux/horizontaux qui opèrent un mélange qui à tendance à lisser les gradients.
Ici les 3 schémas des modèles que l’on vient d’expliciter :
https://2img.net/r/hpimg11/pics/277018img067.jpg
On voit ici l'importance des gaz atmosphérique dans le bilan radiatif d'un système.
Vous aurez aussi remarqué que l’énergie dans le système Terre/atmosphère ( appelons le piscine d’énergie ) est comme un jeu de robinet entre le débit de l’énergie qui rentre et celui de l’énergie qui sort. Quand on a plus d’entrée que de sortie (ou moins de sortie que d’entrée ), l’énergie augmente, le système se réchauffe. Si c’est l’inverse cela se refroidit. Paix aime bien prendre cet exemple pour ceux qui voient qui c’est
Pour faire une petite anecdote, l'effet de serre porte mal son nom puisque les processus qui se rapportent à ce qui se passe vraiment dans une serre ne sont pas les mêmes. Ici l'on a vu que les processus radiatifs sont dominants, alors que dans la serre c'est principalement le transport de chaleur par convection qui est bloqué par les parois de la serre qui provoque le réchauffement. Ils avaient fait une expérience avec du Halite ( transparent aux Irs ) à la place du verre, et ont mesurés une augmentation similaire de la température dans les deux cas. On conclue donc qu'il n'ya quasiment aucun effets radiatifs dans la serre et que le blocage de la convection domine le processus de réchauffement.
C'est parceque ce terme est impropre à ce qui se passe dans l'atmosphère que les scientifique préfèrent parler de forçage radiatif.
Zoom sur les GES ( gaz à effet de Serre )
Perso, je préférerais parler de GAEFR ( gaz à effet de forçage radiatif ) mais bon
Ce sont les gaz qui permettent de ne pas vivre sur une terre avec une moyenne de -18 degrés, et réchauffe donc notre lieu de vie. Un gaz ne peut absorber les infrarouges qu'à partir de trois atomes par molécule, ou à partir de deux si ce sont deux atomes différents.
Les principaux gaz à effet de serre qui existent naturellement dans l'atmosphère sont :
• la vapeur d'eau (H2O) ;
• le dioxyde de carbone (CO2) ;
• le méthane (CH4) ;
• le protoxyde d'azote (N2O) ;
• l'ozone (O3).
Les gaz à effet de serre industriels comprennent aussi des gaz fluorés comme :
• les hydrochlorofluorocarbures, comme le HCFC-22 (un fréon) ;
• les chlorofluorocarbures (CFC) ;
• le tétrafluorométhane (CF4) ;
J’avais vu une grosse ânerie qui disait que le dioxygène et l’azote étaient des GES. C’est faux. Le dioxygène ( O2 ) et l’azote ( N2 ) n’ont pas une structure moléculaire adéquate pour intercepter le rayonnement infrarouge. Si on prenait une atmosphère hypothétique constituée uniquement de ces 2 gaz, on serait aux alentours de la température trouvée dans notre modèle sans atmosphère (-18° ).
La durée de séjour dans l’atmosphère des différents GES varie beaucoup. Elle passe de quelque jours pour l’H2O, de 15/200 ans pour le CO2 à 50 000 ans pour le tétrafluorométhane.
On peut cité la concentration approximative des principaux GES selon le Giec :
Vapeur d'eau : 60 %
Dioxyde de carbone : 26 %
Ozone : 8 %
Méthane et oxyde nitreux : 6 %
Celà peut laisser dubitatif à première vue quand on voit la différence entre Vapeur d'eau et le CO2/méthane. Cependant, on ne peut pas mettre en place un forçage radiatif climatique avec la vapeur d'eau ; la concentration d'H2O est essentiellement fonction de la Température. Si l'on tenterait de la faire cela précipiterait très rapidement ( en quelques jours ). Cependant un forçage via le CO2/méthane.. provoque une hausse de la température, qui provoque une hausse de l'H2O. La vapeur d'eau c'est une puissante rétroaction positive, pas un forçage. Je n'ai plus les chiffres exact en tête, mais le CO2 doublé seul, c'est environ 1.2°C de plus, et le CO2 avec la rétroaction H2O c'est environs 2°C. Après on vas a 3°C environs avec le reste des rétroactions.
Qu'est ce qu'un corps noir ?
Un corps noir est un corps idéal qui est un émetteur ( mais aussi un absorbeur ) parfait : il émet le maximum d'énergie possible dans chaque longueur d'onde. Le spectre éléctromagnétique ne dépend que de sa température. Le corps noir est parfois assez éloigné des corps réels mais il reste une référence utile pour décrire l'émission dans de nombreux cas. Les travaux de Planck ont montrés que la luminance monochromatique émise par un corps noir est isotrope, elle ne dépend que de la température et de la longueur d'onde. Elle est donnée par la fonction de Planck Bλ(T) :
Bλ(T) = 2hc²/ λ^5(e^hc/kλT -1 )
D'après cette relation, l'intensité du rayonnement d'un corps noir augmente, pour une longueur d'onde donnée, avec la température.
Loi de Stefan
Quand on intègre les fonctions de Planck sur toutes les longueurs d'ondes et dans toutes les directions d'un demi espace ( isotropie ), on obtient la loi de Stefan qui donne l'émittance d'un corps noir en fonction de la puissance quatrième de sa température :
M(T) = o T^4
ou o = 5,67.10^-8W.m-2.K-4 est la constante de Stefan.
Les corps rééls ne sont jamais des corps noirs. Le rapport entre la quantité de rayonnement émise par un corps réel et celle qui serait émise par un corps noir à la même température et pour une longueur d'onde donnée s’appelle l'émissivité ( en gros la capacité à émettre quoi
). Loi de Kirchhoff
Elle précise que, pour une longueur d'onde donnée, un corps en équilibre thermodynamique est aussi efficace pour absorber que pour emmètre, soit :
Bλ = £λ
Pour un corps noir, £λ = 1, donc Bλ =1. En utilisant la conservation de l'énergie, on en déduit que les facteurs de réflexion et de transmission d'un corps noir sont nuls.
Les gaz sont loin d’être des corps noirs. La capacité d'absorption et d'émission des gaz atmosphérique dépend beaucoup de la longueur d'onde. Un intervalle de longueurs d'onde pour lequel un gaz à une forte capacité d'absorption s’appelle une bande d'absorption ( l'inverse s’appelle une fenêtre atmosphérique au passage ^^ ).
Quand on superpose les bandes d'absorptions des différents constituants de l'air, on remarque que l'atmosphère est assez opaque au rayonnement infrarouge en général. ( complètement opaque aux UVs, très transparent dans le domaine du visible, très opaque dans l'IR malgré quelques fenêtres atmosphériques).
J'avais une fois lu des articles ou y'avait des gars qui disaient que ces deux lois s'appliquaient mal à l'atmosphère. Evidemment, dans les modèles on ne les appliquent pas telles quelles. On calcule d'abord des coefficients qui dépend des caractéristiques microscopiques des différentes couches de l'atmosphère.
Qu'est ce que la luminance ?
La luminance est tout simplement la sensation visuelle qu’on a de la lumière. De toutes les grandeurs photométriques qui caractérisent la lumière, la luminance est celle qui nous concerne le plus, car notre organe visuel ne sait « compter » qu’en luminance. Lorsque la vision est gênée dans une forte pénombre, ou lorsqu’un phare nous éblouit, c’est la luminance qui est en cause.
Il y a plusieurs facteurs qui influencent le niveau de luminance. En premier bien sûr, l’intensité lumineuse de la source de lumière. Ensuite lorsque la luminance est renvoyée par une surface éclairée, tous les paramètres géométriques qui pondèrent plus ou moins la luminance. Et enfin, la coloration de la source lumineuse influence aussi le niveau de luminance. La luminance est la grandeur de photométrie la plus connue du grand public, car c’est celle qui correspond le mieux à nos sensations visuelles. Elle exprime le niveau de luminosité qui est une donnée sensorielle sans tenir compte du débit de lumière qui est une donnée physique.
Lorsqu’on regarde une étoile, c’est à dire une source lumineuse quasi ponctuelle, la luminance et l’intensité lumineuse, c’est la même chose. Et d’une manière générale lorsque un spot est suffisamment éloigné pour qu’on néglige sa surface lumineuse, on peut dire que luminance égale intensité lumineuse.
Mais lorsqu’on regarde une source lumineuse ayant une certaine dimension comme par exemple l’écran que vous avez devant les yeux, si l’on veut que la luminance continue à exprimer l’intensité lumineuse d’un point lumineux unique, on doit diviser l’intensité lumineuse par la surface apparente.
On peut aussi donner à la luminance une correspondance en unité énergétique dans le domaine de la radiométrie. On parle alors de luminance énergétique (radiance en anglais).
le projecteur de gauche est plus grand que le projecteur de droite. Le projecteur de gauche n’éblouit pas les yeux, mais éclaire correctement la pièce. Le projecteur de droite est éblouissant (en face) mais éclaire moins la pièce.
Qu'est ce que l'émittance ?
L'émittance ou exitance désigne le flux lumineux émis par unité de surface d'une source lumineuse étendue (par opposition à la mesure du flux lumineux d'une source lumineuse ponctuelle). C'est à dire qu'on utilise l'émittance pour des sources non ponctuelles, c'est à dire qu'on ne peut pas résumer à un point dans l'espace.
Informations vérifiées, tirées de Fondamentaux de Météo, de connaissances personnelles et du blog couleur.