Vérification expérimentale de l’ “effet de serre” atmosphérique

Hermann Harde est sans aucun doute aujourd’hui l’un des plus grands théoriciens de l’ “effet de serre” atmosphérique.

Nous reproduisons ici, en le traduisant, un résumé de son expérience de laboratoire exposée sur son site.

Les émissions de fumées fossiles sont rendues responsables d’une urgence climatique aux conséquences catastrophiques pour notre planète, si elles ne sont pas rapidement stoppées mondialement.

La base de ces prévisions est l’effet de serre thermique et atmosphérique (EGS), qui remonte à Jean-Baptiste Joseph Fourier en 1824, qui étudiait le budget énergétique de la Terre afin de déterminer la température de la surface. Il supposait que l’atmosphère chaude se comportait comme une vitre, transparente pour le rayonnement solaire mais bloquant le rayonnement infrarouge (IR) émis par le sol.

Les échanges de chaleur avec l’environnement par convection ou conduction thermique étaient largement négligés dans ce modèle.

Cependant, jusqu’à aujourd’hui, les experts du climat ne se soucient pas de comprendre comment les gaz à effet de serre (GES) affectent réellement notre climat, ce qui conduit souvent à des interprétations dramatiques dans les revues populaires et même dans le Résumé à l’intention des décideurs (6e rapport d’évaluation du GIEC, RAR6).

D’autre part, pour les personnes qui n’ont qu’un sentiment et une compréhension limités des faits physiques réels, ces exagérations finissent par renforcer les doutes sur le changement climatique dû à l’homme et sur l’existence de l’effet de serre, qui sont exclusivement basés sur des faits théoriques.

La principale raison de ces doutes est l’absence de vérification traçable de l’effet de serre, bien que des efforts continus aient été déployés au cours des 120 dernières années pour confirmer ou infirmer cet effet par des expériences de laboratoire plus ou moins simples.

Les mesures directes de la chaleur de l’atmosphère sont trop fortement affectées par la convection, la turbulence ou les effets de diffusion pour pouvoir quantifier la contribution relativement faible des molécules vertes au réchauffement local de l’air à la surface de la Terre, qui est dominé par les cycles jour-nuit et saisonniers avec des variations locales de 60°C ou plus.

Objectif de nos études

Il est temps de mettre fin aux interminables spéculations sur les conséquences désastreuses de l’existence d’un GES atmosphérique et de se concentrer sur des études fiables permettant de quantifier l’ampleur et les limites de l’impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement planétaire causé par les émissions anthropiques de combustibles fossiles.

Dans cette étude, nous avons résumé le contexte théorique de la théorie et nous présentons pour la première fois des mesures quantitatives des gaz à effet de serre CO2, CH4 et N2O à l’aide d’un dispositif expérimental avancé, mis au point par Michael Schnell, qui permet de réaliser des mesures dans des conditions similaires à celles de la basse troposphère (Harde & Schnell 2022).

Une version abrégée et moins technique peut être téléchargée sous forme de fichier PDF en anglais ou en allemand.

Installation expérimentale

A la différence des autres expériences, nous utilisons deux plaques dans un boîtier fermé, une plaque supérieure, appelée plaque de terre, qui est chauffée à 30°C, et une plaque inférieure refroidie, stabilisée à 11,4°C (plaque atmosphérique ou atm). La distance qui les sépare est de 111 cm.

Aucune source lumineuse supplémentaire dans le visible ou l’IR n’est utilisée, seul le rayonnement émis par les deux plaques et interagissant avec les gaz est considéré.

Cela permet de simuler les conditions dans lesquelles les échanges de rayonnement s’effectuent comme dans le système Terre-Atmosphère (EASy), avec la surface de la Terre plus chaude et l’atmosphère plus froide.

Cela permet également d’éviter les problèmes causés par une source externe dans une gamme spectrale trop large, qui produit beaucoup de chaleur perdue dans le compartiment et les fenêtres, mais qui n’est pas bien adaptée aux bandes d’absorption des gaz à effet de serre, ce qui réduit considérablement la sensibilité de la mesure.

Avec l’échantillon de gaz dans le réservoir, la plaque de sol chauffée agit simultanément comme source de rayonnement et détecteur sensible au rayonnement en retour des gaz à effet de serre.

De cette façon, l’effet de rayonnement plus pur des gaz est mesuré comme une augmentation directe de la température de la plaque supérieure ou, alternativement à température stabilisée, comme une économie d’énergie du chauffage de la plaque.

Cette configuration permet, dans une large mesure, d’éliminer la convection ou la conduction de la chaleur et d’étudier de manière approfondie l’influence directe des gaz à effet de serre dans des conditions similaires à celles de la sphère à basse température.

Tout impact notable dû à la conduction thermique peut être exclu par des expériences de contrôle avec des gaz rares.

Quelques notions de physique : Absorption et émission spectrales

La surface de la Terre, ou ici la plaque de terre noire et la plaque atm, est supposée évoluer comme un corps noir avec une distribution de Planck, qui est contrôlée par la température du corps.

Sur l’échelle des longueurs d’onde, le spectre des perspectives s’étend d’environ 4 µm à la gamme des cm, ou , en fréquences, de 10 à 2 500 cm-1.

Cette figure montre le spectre d’émission de la plaque de terre pour ET=30°C (rouge) et de la plaque de terre pour AT=-11,4°C (bleu), avec 20% de CO2, sur 111 cm.

Contrairement à l’azote, à l’oxygène et aux autres gaz, les gaz à effet de serre peuvent absorber et émettre des rayonnements dans cette gamme spectrale.

Pour le CO2, par exemple, l’interaction dominante a lieu sur des transitions hétéro-vibroniques du mode de flexion autour de 670 cm-1 (15 µm).

En raison de cette interaction, le résultat pour le rayonnement se propageant de la plaque chaude à la plaque froide est que l’intensité spectrale au-dessus de la bande d’absorption est atténuée (mais loin de l’opacité), tandis que le rayonnement dans le sens inverse (vers la plaque terrestre) est encore “amplifié”.

L’émission supplémentaire de CO2 peut être identifiée comme un pic plus large autour de 670 cm-1 (en gris).

Sur les lignes plus fortes au centre de la bande, l’émission de gaz atteint déjà la saturation avec des intensités spectrales qui sont les mêmes que celles émises par la plaque terrestre (ligne rouge) dans cette gamme spectrale.

Ce type de calcul tient compte d’une séquence continue d’absorption et d’émission pour le rayonnement qui se propage et est connu sous le nom de calcul du transfert de rayonnement (calcul RT à l’aide de l’équation de Schwarz-Schild).

Par rapport à l’intensité totale du rayonnement de la plaque chauffante avec IA=266W/m2 , le rayonnement en retour augmente de 24,2W/m2 , soit 9,1%.

Ce rayonnement en retour plus important est identique aux pertes dans le sens de la marche. C’est un aspect important qui va à l’encontre de la mesure de la température des gaz pour prouver l’effet de serre.

D’autre part, dans le contexte actuel, le rayonnement en retour des gaz de serre peut être détecté comme une augmentation de la température de la plaque terrestre.

Objections à l’encontre de l’effet de serre

L’une des objections les plus courantes à l’encontre de l’effet de serre est que les gaz à effet de serre n’émettraient pas dans la basse atmosphère, alors qu’ils sont de bons émetteurs dans la tropopause et la stratosphère : les critiques affirment que dans la basse troposphère, les processus de collision avec l’azote et l’oxygène empêchent toute émission spontanée et que l’énergie absorbée est convertie en énergie cinétique et donc en chaleur.

Malheureusement, cette interprétation ne tient pas compte du fait que les taux de collision typiques de plusieurs GHz, tels qu’ils sont observés dans la basse atmosphère, ne sont réduits que par un facteur de 4 à 5 à une altitude de 11 km et sont donc toujours 100 millions de fois plus élevés que le taux de transition spontané dans le mode de flexion du CO2 (~1 Hz). Au lieu de cela, une émission continue, même sans absorption préalable d’une quantité de lumière IR, se produit, car en plus des collisions superélastiques (transitions induites par les collisions d’un état moléculaire supérieur à un état moléculaire inférieur), des collisions élastiques ont également lieu, qui enlèvent l’énergie cinétique du mélange gazeux et la reconvertissent pour exciter les molécules de gaz GH (Harde2013, sous-section 2.3). Ainsi, les niveaux d’énergie inférieurs sont continuellement repeuplés, lorsque l’énergie thermique est suffisante, et l’émission spontanée se produit en grande partie de manière indépendante, parallèlement aux collisions superelastiques et au rayonnement thermique de fond (Harde2013, sous-section 2.5).

Cette émission est contrôlée par la température de l’air et c’est la raison principale pour laquelle l’intensité du rayonnement diminue de manière significative avec l’augmentation de l’altitude. Ainsi, à une altitude de 11 km pour le CO2, par exemple, l’intensité du rayonnement ne représente que 12 % de celle observée dans une couche de gaz de 100 m d’épaisseur proche du sol.

Mais à ces fréquences et sur des trajets plus longs, le rayonnement peut atteindre la même force que le rayonnement du corps noir, et à l’équilibre thermique, il est principalement contrôlé par la température du gaz TG.

Une autre objection est que le rayonnement d’un corps plus froid ne peut pas être absorbé par un corps plus chaud, car cela violerait la deuxième phase de la thermodynamique. Une simple mesure, qui consiste à augmenter progressivement la température de la plaque chauffante et à mesurer l’échauffement de la plaque terrestre ou la réduction de sa capacité de chauffage, prouve clairement que cette loi est mal interprétée et qu’elle inclut explicitement “un double échange simultané de chaleur par rayonnement” (Clausius).

Dans un système fermé, “le corps froid subit une augmentation de la chaleur au détriment du corps chaud”, qui subit alors un taux de refroidissement plus faible.

Dans un système ouvert avec un chauffage externe, le rayonnement en retour du corps froid conduit généralement à une température plus élevée du corps chaud que sans ce rayonnement. A partir de ces mesures, on peut déterminer d’autres pertes de rayonnement dues à la divergence et à la réflexion sur les parois latérales.

En même temps, l’augmentation de température observée en fonction de la puissance de chauffage fournit un étalonnage de la sensibilité des réponses à la température de la plaque terrestre.

Mesures

Nous avons étudié les gaz CO2, CH4 et N2O dans une large gamme de changements de concentration jusqu’à un facteur de 16. Nos mesures montrent une forte réponse à ces gaz mais aussi une saturation prolongée de la température avec l’augmentation de la concentration, et elles sont en excellent accord avec les calculs détaillés.

Mesure du CO2

La figure a) montre l’augmentation de température mesurée DTE sur la plaque terrestre en fonction de la concentration de CO2 dans l’air sec, qui a augmenté progressivement de 1,25 % à 20 % (diamants bleus).

À titre de comparaison directe, on a représenté sur un graphique l’augmentation de température calculée (carrés magenta), basée sur un calcul TTR du rayonnement de retour (triangles verts), multiplié uniquement par un facteur d’étalonnage (fraction transmise) fCO2 pour le rayonnement collecté (voir ci-dessous) et ces réponses de température mesurées séparément E de la plaque de sol. La mesure et le calcul sont bien représentés par un graphique logarithmique (croix brune) en fonction de la concentration de CO2 dans l’air sec.

On en déduit le renforcement radiatif du CO2 à une concentration de CO2 doublée de F2xCO2 = 3,7 W/m2.Le graphique b) montre le réchauffement réduit de la plaque de terre (diamants bleus) lors de la stabilisation de cette plaque à une température fixe (30°C), tout en augmentant la concentration de CO2.

Il s’agit d’un moyen indépendant de détection du rayonnement de retour, qui peut être produit par le rayonnement de retour calculé lorsque la fraction transmise de CO2 = 59% traverse la plaque et est absorbée (vert).

Cette fraction fCO2 est dérivée d’un ajustement au chauffage enregistré HE.

Mesure du CH4

Les mesures du CH4 ont été effectuées pour des changements de concentration de 1,25 à 10 % dans l’air sec. L’augmentation de température observée DTE de la plaque terrestre en fonction de la concentration de CH4 (losanges bleus) montre une excellente concordance avec l’augmentation de température calculée (carrés magenta) sur la base du rayonnement arrière calculé (triangles verts).

A l’exception des concentrations les plus faibles, ce gaz GH indique une forte saturation à ces niveaux de concentration et peut très bien être représenté par un tracé analogique (croix brune) avec une force radiative à une concentration double de DF2xCH4=2,75W/m2.

Dans des conditions comparables, cette force est égale à 74% de celle du CO2.

Bien que la concentration atmosphérique de CH4, avec 1,8 ppm, soit plus de 200 fois inférieure à celle de CO2, sur le trajet optique, qui est proportionnel à la longueur de propagation de la concentration, le CH4 présente également une saturation plus forte dans l’atmosphère.

Mesures de N2O

Les mesures de N2O ont été effectuées pour des concentrations de 1,25 % à 15 %. Le changement de température enregistré TE de la plaque terrestre avec une concentration croissante de N2O (losanges bleus) peut très bien être produit par le changement calculé (carrés magenta). L’émission théorique de N2O  est représentée par des triangles verts.

La température mesurée correspond bien à la courbe analogique (croix brune) et donne un forçage de l’émission de N2O à une concentration doublée de F2xN2O = 5,0 W/m2, soit 35 % de plus que le forçage du CO2.

Résultats

Différences par rapport à l’atmosphère

Le dispositif expérimental s’est avéré approprié pour démontrer l’ “effet de serre” atmosphérique en laboratoire. Bien que la longueur de trajet de l’atmosphère de chaleur sèche soit environ 80 000 fois plus grande que dans le réservoir, ceci est partiellement compensé par une concentration de CO2 500 fois plus élevée, une concentration de CH4 50 000 fois plus élevée et une surcompensation significative pour le N2O avec une concentration presque 500 000 fois plus élevée par rapport aux valeurs de ces niveaux.

Dans les conditions atmosphériques réelles, le rayonnement en retour des gaz GH est superposé au rayonnement beaucoup plus large des nuages, qui, en première approximation, peuvent être considérés comme des émetteurs gris dont la température est donnée par leur face inférieure, mais avec une émissivité < 1.

Dans notre expérience, les nuages sont remplacés par la plaque chauffante et les murs, dont le rayonnement varie fortement avec la température de la plaque chauffante et simule ainsi l’impact des nuages à différentes hauteurs, mais affecte également l’importance de la contribution du gaz à effet de serre, qui dépend de la différence de température entre les plaques et du gradient thermique gravitationnel.

Le transfert vers l’atmosphère signifie qu’avec les nuages, le rayonnement en retour est plus important que dans le cas d’un ciel clair, mais que la contribution relative des gaz à effet de serre diminue.

Comparaison avec la littérature

Il y a une bonne concordance entre la mesure et le calcul pour tous les trois gaz, aussi bien pour les données de température que pour le chauffage de la plaque.

En particulier, l’augmentation de la saturation et la dégradation caractéristique de la concentration en gaz qui diminue sont bien confirmées par les calculs et excluent un impact plus important de la conduction thermique.

En même temps, ces graphiques montrent que l’augmentation de la concentration de gaz GH n’a qu’un impact limité sur le réchauffement de la planète.

Alors que la coïncidence entre les valeurs absolues de mesure et les données calculées est en partie la conséquence de l’utilisation du facteur d’échelle théorique de référence du gaz pour le rayonnement de retour absorbé et les courbes de température, l’accord presque exact du forçage radiatif dérivé pour le CO2 avec F2xCO2 = 3.70W/m2 de plus qu’une coïncidence inattendue avec la littérature (voirAR6), car les mesures ont été effectuées dans des conditions très différentes.

Néanmoins, pour permettre une comparaison directe, il suffit de prendre en compte les différents impacts tels que la variation de la pression, l’élargissement des lignes d’absorption sur la longueur du trajet dans l’atmosphère chaude, l’interférence avec d’autres gaz GH comme la vapeur d’eau, la différence de température au sol et la variation du rayonnement en retour en fonction de l’altitude des nuages, de la couverture nuageuse et de la diffusivité.

A partir de là, nous calculons un forçage radiatif de F2xCO2=3.4W/m2, et en tenant compte d’une réponse de Planck de P=0. 31°C/(W/m2)(voirAR6), on obtient une sensibilité climatique de base (augmentation de la température pour une concentration de CO2 doublée, sans rétroaction) de ECSB = PF2xCO2 = 1,05°C.

Ce résultat est en excellent accord avec le projet d’intercomparaison de modèles couplés en phase 5 (CMIP5). Toutefois, si l’on tient compte des autres rétroactions, nos propres calculs montrent que, contrairement aux hypothèses du CMIP5, la vapeur d’eau ne contribue qu’à une rétroaction positive marginale et l’évaporation à la surface de la terre conduit à une réduction supplémentaire significative de la sensibilité climatique pour une CSE=0. 7°C (Harde2017), ce qui représente moins d’un quart de la valeur du GIEC avec un ECS = 3°C (AR6 ) et 5,4 fois moins que la valeur moyenne du CMIP6 avec un ECS = 3,78°C.

Leurs valeurs relatives par rapport au CO2 permettent néanmoins d’évaluer indirectement leur contribution au réchauffement de la planète, qui n’est pas supérieure à 2 % pour CH4 et inférieure à 1 % pour N2O.

Conclusion

Les mesures et les calculs présentés confirment clairement l’existence d’un effet de serre atmosphérique et démontrent, contrairement au deuxième principe de la thermodynamique souvent mal interprété, qu’un corps chaud peut être réchauffé en absorbant le rayonnement d’un corps plus froid, en l’occurrence le rayonnement de la plaque refroidie et le gaz GH.

Ils confirment également que les gaz à effet de serre ne transmettent pas le rayonnement IR dans le sens inverse dans les conditions que l’on trouve dans la basse atmosphère.

Dans le même temps, nous avons étudié le principe de la multiplication des différences en mesurant l’effet de serre uniquement en tant qu’augmentation de la température du gaz, ce qui, dans les configurations classiques, est principalement dominé par des effets indirects tels que l’échange de chaleur avec les parois des compartiments, alors que les conditions préalables à son observation sont absentes : l’effet de serre est principalement le résultat d’une différence de température sur le chemin de propagation du rayonnement et donc du taux de renouvellement dans l’atmosphère.

Nos résultats ne montrent qu’un faible impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement global, qui est apparemment dominé par des impacts naturels tels que le renforcement radiatif (voir, par exemple, Connolly et al 2021 ; Harde 2022)

L’influence solaire). Il n’y a donc pas de raison pour l’urgence sur les paniques et le climat, il faut plutôt revenir à un débat consolidé sur le climat, qui se concentre sur les faits et inclut également les avantages des gaz à effet de serre.

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