Vouloir évaluer l’impact du CO2 sur le climat sans chercher à comprendre comment fonctionne le climat, est douteux.
Pour bien comprendre la suite :
- tous les corps rayonnent dans leurs bandes d’absorption/émission quantitativement en fonction de leur température : c’est vrai pour les solides, mais ça l’est aussi pour les liquides et les gaz ;
- pour être thermiquement à l’équilibre dans l’espace (ne pas se réchauffer indéfiniment), une planète doit renvoyer par rayonnement autant qu’elle en reçoit du Soleil, quantitativement.
Pour mémoire, la Lune reçoit autant de rayonnement que la Terre (voire plus compte tenu d’un albédo (rayonnement réfléchi) plus faible), et sa température moyenne de surface est de l’ordre de -85°C.
Pour qu’on ait +15°C de moyenne au niveau du sol (c’est là que ça nous intéresse), le fonctionnement thermodynamique du climat obéit à une logique. La logique est la suivante (les chiffres sont arrondis pour faciliter la compréhension) :
- La Terre reçoit en moyenne 340 W/m2 du Soleil ; c’est sa seule source significative d’énergie (on peut négliger l’énergie interne du noyau et l’énergie que nous fabriquons nous-mêmes) ;
- Sur ces 340, 100 sont réfléchis (albédo) : reste 240 ;
- Sur ces 240, 80 sont absorbés par l’atmosphère, essentiellement par les nuages et l’ozone stratosphérique : on verra plus loin ce que deviennent ces 80 qui n’atteignent pas le sol, mais ne peuvent pas rester dans l’atmosphère, sinon ils la réchaufferaient
indéfiniment ; - La surface du sol ne reçoit donc en moyenne que 160 W/m2 (contre 290 pour la surface de la Lune) ;
- … et le sol ne reçoit aucune autre énergie (sinon, d’où viendrait-elle et comment aurait-elle été créée ?) ;
- Si le sol renvoyait ces 160 W/m2, il serait à l’équilibre au sens du corps noir, et sa température serait alors (en application de la Loi de Stefan Boltzmann) de l’ordre de -36°C (en admettant une température uniforme et un inertie infinie) : mais le climat, ce n’est pas que du radiatif ;
- Les nuages, la vapeur d’eau, et le CO2 atmosphériques sont partiellement opaques au rayonnement (infra-rouge) renvoyé par le sol, et empêchent le sol de renvoyer plus d’une cinquantaine de W/m2 sur les 160 reçus (398-342=56 du diagramme de Wild) ;
- Sur cette cinquantaine, la moitié passe en toute transparence vers l’espace ; 25 restent absorbés par l’atmosphère (on verra plus loin ce qu’il en advient) ;
- Le sol se réchauffe donc à raison de 160-50 = 110 Watts par m2 de surface, … ce qui n’est pas rien (plus qu’une lampe de 100 W par m2 de surface, … en moyenne sans arrêt : ça chauffe vraiment !)
- … et ça crée des contre-réactions :
- de la convection qui emmène un peu de chaleur du sol dans l’atmosphère (chaleur sensible : 20 W/m2 sur le diagramme)
- de l’évaporation (84 W/m2 sur le diagramme) qui évacue dans l’atmosphère (grâce à la convection) de la chaleur latente de changement d’état (liquide > gaz : c’est plus de 500 fois l’énergie nécessaire à la simple élévation de 1°C)
- les deux d’autant plus forts que le sol et les océans sont chauds (+7% par °C pour l’évaporation) ;
- Aux environs de 15°C de moyenne, l’évaporation et la convection compensent le déséquilibre de 110 W/m2 (répartition 85+25), et la température se stabilise : le sol est à l’équilibre ;
- Les 25 de convection réchauffent l’atmosphère ;
- Les 85 de chaleur latente évacués sous forme de vapeur d’eau sont restitués à l’atmosphère dans les nuages, par condensation ;
- L’atmosphère reçoit donc environ 215 W/m2 :
- les 80 solaires absorbés à la descente à l’étape 3,
- les 25 de rayonnement du sol absorbés à l’étape 8 ci-avant,
- les 25 de convection de l’étape 12,
- les 85 de condensation de l’étape 13 ;
- Ces 215 W/m2 sont renvoyés à l’espace par rayonnement infra-rouge :
- essentiellement de la vapeur d’eau en haut des nuages, après condensation (atmosphère froide en altitude),
- du CO2, progressivement depuis le haut de la troposphère jusqu’en haut de la stratosphère,
- de l’ozone stratosphérique (en haut de la stratosphère)
- Ces 215 W/m2 se rajoutent aux 25 W/m2 évacués directement depuis la surface du sol à l’étape 8, pour faire le total de 240 qui équilibre l’étape 3.
Une augmentation de la concentration de CO2 joue à l’étape 7, en diminuant les 25 W/m2 renvoyés par le sol vers l’atmosphère à l’étape 8, et donc en augmentant le déséquilibre, et donc le réchauffage de l’étape 9 (les 110 W/m2) : de l’ordre de 1 W/m2 pour un doublement : on passe de 110 à 111 W/m2 de déséquilibre.
Mais ce réchauffage augmente les contre-réactions de l’étape 10, ce qui en limite l’ampleur aux alentours de 0,15°C pour un doublement : le CO2 a un effet, mais cet effet est très réduit.
Nota 1 : le sol ne reçoit que 160 W/m2 de flux d’énergie, ce qui ne l’empêche pas de rayonner 400 W/m2 (loi de Stefan Boltzmann à 15°C) : les unités sont les mêmes, mais un rayonnement n’est pas un flux d’énergie : pour qu’il devienne un flux d’énergie, il faut qu’il puisse s’échapper, ce qui est empêché par l’opacité du CO2 et de la vapeur d’eau ; et s’il pouvait s’échapper, il retomberait très vite à 160 W/m2.
Nota 2 : le sol à 15°C réchauffe d’autant l’atmosphère (par conduction/convection, comme une casserole chauffée chauffe l’eau qu’elle contient), et, par conséquent, l’atmosphère chaude rayonne environ 340 W/m2 vers le sol ; mais c’est une conséquence de la chaleur du sol, et non pas sa cause, comme on l’entend trop souvent ; sa cause, c’est le déséquilibre radiatif (rayonnement reçu – rayonnement renvoyé, par le sol).
19 réponses
Ce diagramme suscite beaucoup d’incompréhensions. La raison en est qu’il mélange les oranges et les carottes. On a d’un côté des flux de chaleur, et d’un autre des « radiances » qui ne sont pas des flux de chaleur, cela dans le seul but de semer l’angoisse chez le lecteur naïf !
Une bonne partie de ces difficultés seraient levées si on se référait à des diagrammes montrant uniquement des flux de chaleur, notion compréhensible en principe par tout le monde, comme par exemple celui-ci: https://assets.science.nasa.gov/content/dam/science/esd/eo/content-feature/energybalance/images/atmosphere_energy_balance.jpg produit par la NASA (tiré de https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance). Ce dernier diagramme démontre clairement que ce qui détermine la température au sol, c’est l’interaction entre la convection sèche et humide dans la basse atmosphère, et les conditions d’émission infrarouge dans la haute atmosphère (à couverture nuageuse constante).
Je suis d’accord avec vous sur ce mélange de rayonnement et de flux radiatif de chaleur.
Mais, concernant cette partie de votre commentaire : « Ce dernier diagramme démontre clairement que ce qui détermine la température au sol, c’est …, et les conditions d’émission infrarouge dans la haute atmosphère (à couverture nuageuse constante) » :
Ma position (personnelle, sans doute, mais je l’assume) est que le haut de l’atmosphère s’en débrouille tout seul : la Terre, qui reçoit 240 W/m2 renvoie nécessairement la même quantité. Le haut de l’atmosphère s’en débrouille sans que cela affecte la température au sol, qui a son propre équilibre indépendant du haut de l’atmosphère.
En particulier, si le haut de l’atmosphère s’échauffe, cela remonte d’autant la « surface » de rayonnement de la vapeur d’eau vers le cosmos : le résultat est que, à couverture nuageuse inchangée, la vapeur d’eau rayonne toujours à la même température, et donc à la même puissance. … et c’est l’essentiel du rayonnement IR de la Terre.
Je suis d’accord avec votre phrase: « le haut de l’atmosphère s’en débrouille tout seul : la Terre, qui reçoit 240 W/m2 renvoie nécessairement la même quantité. », mais cela ne signifie pas que la température au sol reste constante !
Pour moi, ce qui intervient, ce sont les conditions qui règnent dans la haute atmosphère.:
– L’émission de CO2 se situe en général dans la stratosphère dont la température est sensiblement constante. L’émission de CO2 sera donc à peu près constante.
– Par contre, l’émission de H2O se situe à plus basse altitude, de mémoire dans la zone 5000 à 10000 m, et devra être elle même globalement « constante » pour maintenir l’atmosphère en équilibre. Cela impose que la température de H2O à son altitude d’émission soit constante, mais laisse la possibilité à cette altitude de varier. Cette variation d’altitude se traduira, étant donné le gradient convectif adiabatique moyen (env 6,5°C/km) par une variation de température au sol.
– Cette variation d’altitude d’émission peut être engendrée par une présence accrue de GES en cas de recouvrement des spectres d’émission, par une présence de H2O à des altitudes anormales (volcanisme …), par des phénomènes plus ou moins intenses de surfusion de H2O, etc.
– Ceci étant dit, je reste persuadé que le facteur prépondérant dans les variations de température au sol reste la couverture nuageuse ! (et merci pour votre contribution à ce blog)
Je ne vous suis pas totalement : la température du sol est indépendante du Gradient Thermique (qui n’apparaît d’ailleurs pas dans la logique que je décris, car c’est le sol qui chauffe l’atmosphère, et non l’inverse).
Par ailleurs, les rayonnements de l’atmosphère vers le sol et vers le cosmos sont relativement indépendants (la variation pour un doublement est de 1 W/m2 vers le sol, et de 3 W/m2 vers l’espace : chiffres de James Hansen, que je confirme dans La Physique du Climat (https://laphysiqueduclimat.fr/)), ainsi que les modes de régulation :
– par l’évaporation au niveau du sol,
– essentiellement par les nuages, en altitude : mode de formation (théorie de Svensmark ?), altitude, épaisseur, localisation, épaisseur des gouttelettes, etc … : mais en fait, on connaît très mal les nuages.
Et il est vrai aussi que les nuages jouent un rôle fondamental dans l’importance de l’albédo (et que leur couverture semble diminuer depuis qu’on sait mieux la mesurer (depuis 2000) : sur ce point, je vous suis).
Toujours pas d’accord avec vous en ce qui concerne le gradient adiabatique. Ce gradient est de 9,8°C/km en air sec (c’est en général le cas des subsidences), et en air humide (en général dans les ascendances), il peut descendre jusqu’à 3 ou 4°C en fonction de la quantité de vapeur d’eau condensée, la valeur moyenne étant d’environ 6,5°C/km. Ces valeurs de gradients ne dépendent que de la chaleur spécifique de l’air et de la gravité pour l’air sec, des quantités condensées et de l’enthalpie de condensation pour l’air humide. Les températures ou la pression n’interviennent pas dans les formules.
Admettons que l’altitude h0 d’émission moyenne de H2O correspond au départ à une température T0. Si les conditions varient, comme vu plus haut, la température moyenne d’émission reste constante: T1 = T0. Admettons que l’altitude d’émission augmente de 100 m (h1 = h0 + 0,1 km). La température au sol se trouve alors augmentée de 6,5 x 0,1 = 0,65°C (aux approximations près !)
Par ailleurs, juste pour pinailler encore un peu, il est vrai que le sol chauffe l’atmosphère en moyenne, mais c’est parfois l’inverse, par exemple sur terre durant les nuits polaires, ou bien sur Vénus sur toute sa surface. (cf par exemple: http://sesp.esep.pro/pages_fluide-temperature/impression.html)
Je suis d’accord avec votre commentaire.
J’affirme simplement que c’est la température du sol, qui, du fait du Gradient thermique, détermine la température à toutes les altitudes (jusqu’à la tropopause), et non pas le contraire.
Après, je suis d’accord avec vous sur le fait que le Gradient dépend de l’humidité.
J’admets également que le fait que ce soit le sol qui réchauffe l’atmosphère est statistique.
Il ne nous reste plus qu’un petit point de désaccord …
Prenons le cas de Vénus … en raison de la présence de nuages en altitude, le sol n’est pas chauffé par le rayonnement direct du soleil. Seuls les mouvements de convection peuvent expliquer le niveau de température régnant au sol. (462°C, alors que la température moyenne d’émission est de -42°C – voir mon lien ci-dessus).
Supposons qu’il y ait beaucoup moins de gaz sur Vénus, et que l’épaisseur de l’atmosphère au-dessous de l’altitude d’émission soit 10 fois plus faible. La température au sol serait alors de seulement: -42 + (462 + 42) x 10% = +8°C environ … ! C’est le gradient qui fixe la température au sol … sur terre aussi ! (tant que les conditions dans la zone d’émission ne varient pas)
Sur Venus, les conditions sont tellement extrêmes que c’est compliqué. Quelle est par exemple la largeur de la bande opaque du CO2 à une telle concentration ? … et donc la puissance de l' »effet de serre » ?
Néanmoins, la convection y est considérable ; et qui dit convection dit nécessairement chauffage par le bas (par exemple, il n’y a pas de convection dans la stratosphère, qui est en inversion de température).
Qu’est-ce que le bas sur Venus (correspondant au sol sur la Terre) ? A mon sens, c’est le haut des poussières, … qui bloque le rayonnement solaire.
… et je pense que quand on mesure la température de Venus, c’est là qu’on la mesure, et non pas au sol, … qu’aucun instrument ne peut voir (à mon avis).
Et c’est également de là que part de Gradient Thermique sur Venus, selon moi.
Que se passe-t-il en dessous ? Y a-t-il encore de la convection en dessous ? Quelle est l’épaisseur du lit de poussières ? Quelle est la puissance du chauffage du noyau de Venus ? Je n’en sais rien, et je ne sais pas quoi en conclure.
Mais je trouve ce sujet très intéressant, … trop vaste pour être traité dans un simple commentaire d’article.
D’accord avec vous … cette discussion serait bien plus à sa place dans un bistrot !
Pour en revenir à la convection sur Vénus, il n’est pas nécessaire que le sol soit chauffé … il suffit que les gaz en altitude soient refroidis (côté nuit par exemple) … comme un glaçon dans un verre de … (Zut, on n’est pas au bistrot !), ou bien même que les mouvements horizontaux de l’atmosphère soient suffisamment vigoureux pour entraîner par viscosité l’ensemble de la couche.
Enfin concernant l’exploration de Vénus, la première mesure in-situ date de décembre 1970 par la sonde russe Venera 7 (https://fr.wikipedia.org/wiki/Exploration_de_V%C3%A9nus) … et j’en reste donc sur ma position ! Concernant la « puissance de chauffage du noyau de Vénus, à partir du moment où le sol est solide (et non métallique), les coefficients de conduction sont très faibles (du même ordre que sur terre en l’absence d’eau, un mur d’un mètre d’épaisseur isole très bien une maison, alors un mur de plusieurs km …), donc le chauffage de l’atmosphère ne peut provenir du sol.
Si le chauffage ne venait pas du sol, on serait en inversion de température, il n’y aurait pas de convection, donc pas de poussières, ni de Gradient Thermique (qui nécessite des compressions et des détentes, donc de la convection).
A toutes fins utiles, j’ai écrit un § sur Venus dans La Physique du Climat (§ 7.3) il y a quelques années.
En fait, le sol de Venus reçoit quand même 5% du rayonnement solaire : on doit quand même avoir un « effet de serre ».
Mais je crois personnellement qu’on ne peut pas s’appuyer sur le cas de Venus pour étayer le fonctionnement du climat : Venus est vraiment trop particulière.
Je ne comprends plus … je suis tout à fait d’accord avec la 1ère phrase du §7.4 de la « Physique du Climat »:
« Comme son nom l’indique, le Gradient Thermique Gravitationnel détermine la température de façon différentielle, et non pas de façon absolue : ce n’est donc pas lui qui fixe la température au sol ou à la tropopause ; par contre il fixe l’une en fonction de l’autre, sans qu’on puisse dire, à ce stade, laquelle est la poule et laquelle est l’œuf. »
Partant de cette affirmation, et si les conditions au sommet sont identiques, à l’altitude près … les conditions à la base sont déterminées par ce gradient et la hauteur sur laquelle il agit !
Concernant la convection, je le répète, un chauffage en point bas n’est pas nécessaire … un refroidissement en point haut est tout aussi efficace et en fait tout mouvement de l’atmosphère pour quelque cause que ce soit, l’alternance jour / nuit étant suffisante pour amorcer le processus !
Je ne veux pas monopoliser le fil … aussi je vais arrêter là la discussion, mais si vous avez l’occasion de passer dans le Tarn-et-Garonne où j’habite, il y a plein de bistrots pour en discuter.
Je vous cite : « Si les conditions au sommet sont identiques … » : ce n’est pas suffisant : encore faut-il qu’il règne à ce « sommet » des conditions thermodynamiques qui en fixent la température.
De quel « sommet » parle-t-on ?
Bien sûr, il y a l’espace avec ses 3°K, mais l’espace n’a aucune frontière avec la planète : aucun Gradient Thermique Gravitationnel ne peut partir de l’espace, et, en plus, ça ne peut pas fonctionner pour sur la Terre, du fait de la stratosphère (chauffée par le haut par rayonnement de la couche d’ozone).
Sur Terre, on cite souvent la tropopause (en moyenne à 12 km et -56°C) comme point de départ ; mais alors, qu’est-ce qui fixe la température de la tropopause (si ce n’est indirectement le sol + gradient) ?
Sur Terre, le seul endroit où la température puisse être fixée par un système de régulation thermodynamique est le sol.
… d’où mon article.
Concernant la convection, un refroidissement par le haut ne peut exister sans un chauffage par le bas : qui dit refroidissement dit nécessairement chaleur.
Cela dit, pour Venus, singulièrement, je n’ai pas de certitude absolue.
Je n’ai malheureusement pas l’occasion de passer dans votre belle région, mais cela aurait été avec plaisir.
1 – Conditions « identiques au sommet »:
Le rayonnement émis vers l’espace est égal à la somme des rayonnements émis:
– par le CO2: son altitude d’émission se situe dans la stratosphère dont la température est à peu près constante … donc la puissance émise est constante
– par le sol via la « fenêtre atmosphérique »: j’ai considéré ses variations négligeables (c’est pas très rigoureux … d’accord !)
– par les nuages: par hypothèse on les a considérés identiques
– par la vapeur H2O à des altitudes entre (de mémoire) 5 et 10 000 m (donc au-dessus des nuages en général)
Si le rayonnement solaire atteignant le sol ne varie pas (hypothèse « nuages constants »), alors sur ces bases, le rayonnement émis par H2O est forcément constant … donc la température de H2O à l’altitude d’émission est constante
2 – Refroidissement par le haut
Sur terre,comme sur Vénus et ailleurs, notre atmosphère se refroidit par le haut (CO2 + H2O + nuages), à l’exception de la fenêtre atmosphérique. Ce refroidissement provoque une augmentation de la masse volumique des gaz et Archimède nous dit que les gaz denses coulent … jus qu’au sol ! D’autres gaz plus légers finiront par quitter le sol pour prendre la place des gaz refroidis en altitude … c’est de la convection !
Votre point 1 : je suis d’accord avec vous, à une réserve près : l’altitude d’émission peut varier en fonction de la température, et donc, en partie, de la quantité de condensation.
Votre point 2 : la condensation réchauffe le haut de l’atmosphère (jusqu’en haut des nuages au moins) (et ne le refroidit pas) : en atmosphère sèche, le Gradient serait de -9,8°C/km ; c’est essentiellement la condensation qui le réduit à -6,5°C/km. Mais il est effectivement clair que la convection fonctionne dans les deux sens (nécessairement).
– Causes de la variation d’altitude d’émission: Bien sûr, la température peut aussi faire varier l’altitude d’émission, mais dans ce cas, elle fera varier également le rayonnement émis vers l’espace, ce qui est parfaitement possible, celui-ci n’étant constant qu’en moyenne
– Quand je parle de refroidissement « par le haut », je pense essentiellement aux émissions des GES: H2O, CO2, O3 et autres, et aux nuages. Bien entendu la condensation des nuages apporte au contraire un réchauffement.
Papijo, Jacques-Marie,
je ne prétends pas intervenir dans vos discussions. Au-delà de la Terre et de Vénus, on peut s’interroger aussi sur Mars qui a perdu son eau et son atmosphère (son faible bouclier magnétique, le vent solaire ?). Je crains que chaque planète a ses particularités. Essayons de résoudre la question terrestre, ce ne sera déjà pas mal…
Bonjour Zagros,
Sur Mars, on a une atmosphère de CO2, même si elle est ténue, donc un déséquilibre radiatif reçu-renvoyé, qui chauffe le sol, … jusqu’à ce que ce déséquilibre le chauffe suffisamment pour que le rayonnement renvoyé le compense.
Et on a donc probablement un Gradient Thermique de -8°C/km jusqu’à une altitude probablement assez faible.
Mon commentaire sur Vénus a été remplacé par un article complet : voir : https://climatetverite.net/2025/02/23/l-effet-de-serre-sur-venus/
Merci pour ce résumé , plus compréhensible que mon laius