Nous avons vu, dans un précédent article, qu’il n’y avait aucune raison que les gaz, et donc l’atmosphère, ne rayonnent pas thermiquement, comme n’importe quel corps.
Nous avons vu également que le rayonnement prenait sa source à la distance où l’épaisseur optique était égale à 1 en ordre de grandeur (correspondant à la distance où intervient l’opacité) : une bonne façon d’imaginer la chose est de considérer que les GES agissent comme un brouillard (sans sa part de réflexion).
Ce second article a pour objet d’évaluer l’épaisseur optique de l’atmosphère en fonction de la fréquence de rayonnement, et donc de localiser à quelles altitudes se situent les sources de rayonnement vers le sol, et vers le cosmos.
Pour ce faire, nous allons nous appuyer sur le graphe en tête d’article, qui donne l’épaisseur optique des différents « gaz à effet de serre » (GES) atmosphériques en fonction de la fréquence de rayonnement, et de ses dérivés (graphe établi par Camille Veyres, sur la base des données HITRAN).
Ce graphe positionne les différentes bandes d’absorption des GES par rapport au spectre de rayonnement du sol assimilé à un corps noir à 15°C (288K : orange), température moyenne du sol.
La teneur en vapeur d’eau (25 kg/m2) est considérée comme moyenne (pour mémoire, les océans occupent plus de 70% de la surface du globe, et l’air y est toujours humide).
L’abscisse est graduée en fréquence (nombre d’ondes par cm ou cm-1) : à titre indicatif, le centre de la bande du CO2 (en rouge) à 667 cm-1, est équivalent, en longueur d’onde, à 15 microns (mais alors, l’abscisse serait inversée : la longueur d’onde est l’inverse de la fréquence).
L’ordonnées est graduée en épaisseur optique, avec une échelle logarithmique.
Que dit ce graphe ?
Si on fait abstraction de la vapeur d’eau (bleue), les seules bandes opaques de l’atmosphère sont celle du CO2 (rouge à 667 cm-1, avec une épaisseur optique qui dépasse 500 au centre), et un tout petit peu du méthane (vert à 1300 cm-1) : globalement, l’atmosphère sans vapeur d’eau est totalement opaque dans la bande du CO2 (on parle de saturation) ; mais elle est totalement transparente en dehors de cette bande, et une bonne partie du rayonnement du sol peut donc atteindre le cosmos.
Mais si on rajoute la vapeur d’eau (25 kg/m2 en moyenne terrestre), tout le spectre de rayonnement du sol devient opaque, à l’exception de la bande comprise entre 800 et 1200 cm-1 : on appelle conventionnellement cette bande « Fenêtre de la vapeur d’eau » ou Fenêtre « atmosphérique ») : il n’y a que dans cette bande que le sol peut rayonner vers le cosmos, et encore, seulement partiellement (l’épaisseur optique n’y est pas totalement nulle). Ailleurs que dans cette bande, le rayonnement du sol est totalement absorbé à quelques dizaines de mètres d’altitude
En dehors de cette bande, l’épaisseur optique est supérieure à 10, et donc l’atmosphère est très opaque dans le spectre IR terrestre : l’opacité intervient :
- vue depuis l’espace : dans la stratosphère pour le CO2, et en haut des nuages pour la vapeur d’eau (où sa concentration chute brutalement) ;
- vue du sol : à quelques dizaines de mètres d’altitude (et donc, vus du sol, les nuages éventuels ne sont visibles, dans l’IR, que par la Fenêtre atmosphérique).
.
Quant au méthane, sa bande d’absorption (verte) est totalement noyée dans celle de la vapeur d’eau, déjà totalement opaque : on fait beaucoup de bruit autour du méthane, … pour rien.
On peut donc assimiler l’atmosphère à un corps opaque (sauf dans la Fenêtre), qui rayonne :
- vers le bas depuis quelques dizaines de mètres d’altitude,
- vers l’espace depuis le haut des nuages et le haut du CO2 (dans la stratosphère).
18 réponses
Jacques-Marie Moranne,
Vous écrivez que l’atmosphère ne rayonne vers l’espace que depuis le haut des nuages et le CO2 depuis la stratosphère.
Ce qui peut être vrai pour les centres de bandes ne l’est pas du tout globalement.
Comme je vous l’ai déjà fait remarquer, l’atmosphère se refroidit radiativement d’à peu près 2 °C par jour de 0 à 10 km. Les densités correspondantes passent de 1.2 à 0.4 kg/m3. La puissance radiée par l’atmosphère vers le haut est donc maximale dans le couches basses et se réduit fortement en montant. La moitié de l’énergie évacuée par l’atmosphère l’est en-dessous de 4500 m.
En °C par jour à la figure 5 de ce lien :
https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/bilan-radiatif-terre3.xml
En W par m3 :
https://www.zupimages.net/up/24/08/3fkw.png
L’opacité diminue en proportion de la densité, cette diminution est donc maximale près de la surface. Elle dégage des fréquences dans les bords de la fenêtre atmosphérique et cela à des températures d’autant plus élevées que l’altitude est basse.
Cette répartition du refroidissement radiatif selon l’altitude est un facteur important relativement à l’effet d’une augmentation du taux de CO2.
Je ne suis pas sûr de bien comprendre votre commentaire, mais même si la densité diminue fortement près de la surface, elle reste suffisante pour que l’opacité soit presque totale jusqu’en haut des nuages (bien en dessous des 10 km), où elle décroît brutalement.
Le passage de la densité de 1,2 à 0,4 kg/m3 ne fait que diviser par 3 l’épaisseur optique, ce qui ne fait pas une grosse différence en terme d’opacité, même sur la largeur de bande, d’autant plus que le bord de la bande gauche du graphe est noyée dans celle du CO2, et que la bande de droite n’agit que dans une bande de spectre IR très faible.
J’aborderai les spectres haut et bas dans le prochain chapitre.
A toutes fins utiles je précise aussi que je raisonne ici en terme de moyenne, et que les écarts entre air sec et air humide induisent des différences beaucoup plus importantes.
Vous dites, si je comprends bien, que l’atmosphère n’émet vers l’espace que depuis une altitude correspondant au haut des nuages (quelle altitude ?) car en-dessous, l’opacité serait presque totale.
Cela voudrait dire que le refroidissement radiatif serait nul près de la surface.
Y a-t-il malentendu ? parlez-vous d’une atmosphère nuageuse exclusivement ?
Pour ce qui est de l’atmosphère prise globalement et jusqu’à preuve du contraire, son refroidissement radiatif est tenu pour se situer autour de 2 °C par jour de la surface à 10 km. Cela signifie qu’il est maximal en W/m3 près de la surface.
Etes-vous d’accord avec cela ? sinon, pourquoi ?
Attention : un rayonnement n’entraîne pas nécessairement un refroidissement : le bas de l’atmosphère rayonne vers le sol, mais la chaleur va du sol vers l’atmosphère : un transfert radiatif, c’est la différence entre le rayonnement émis par la source et le rayonnement émis par la cible.
Oui l’atmosphère n’émet vers l’espace (sauf dans la Fenêtre) que depuis une altitude correspondant au haut des nuages et du CO2 car en-dessous, l’opacité est totale (sauf dans la Fenêtre).
Oui, le refroidissement radiatif de l’atmosphère est nul près de la surface : c’est même l’inverse car le sol est statistiquement plus chaud que l’atmosphère.
Je parle d’une atmosphère statistique : la couverture nuageuse est supérieure à 70%. En air totalement sec, le rayonnement part directement du sol (sauf dans la bande du CO2).
Je ne comprends pas votre refroidissement radiatif de 2°C par jour entre le sol et 10 km : le gradient thermique est de -65°C entre les deux.
Oui bien sûr, un refroidissement radiatif est nécessairement un flux de chaleur. Il n’y a donc pas de confusion.
Si vous intégrez cette courbe (https://www.zupimages.net/up/24/08/3fkw.png), vous obtenez 213 W/m2 ce qui correspond bien, en gros, au flux de chaleur évacué radiativement par l’atmosphère.
Et le refroidissement radiatif est nettement plus intence dans la basse troposphère que dans la haute troposphère.
Le réchauffement par compression et le refroidissement minoritaire par détente n’évacuent rien du tout dans l’espace et ne se mesurent pas en °C par jour.
La question que je poserais : pensez-vous que la figure 5 du document de l’ENS Lyon est complètement fausse ?
Si ce n’est pas le cas et compte tenu du fait qu’elle correspond à un refroidissement radiatif total de l’atmosphère d’environ 200 W/m2 cohérent avec les valeurs communément admises, comment conciliez-vous cela avec ce que vous écrivez du refroidissement radiatif en fonction de l’altitude ?
Votre lien porte en titre : « Puissance rayonnée en fonction de l’altitude ». Trouvez nous un autre graphique dont le titre serait: « Puissance rayonnée vers l’espace en fonction de l’altitude » (un GES rayonne aussi bien vers le haut que vers le bas ou sur les côtés !)
Il devrait être évident qu’une puissance rayonnée soit un flux de chaleur. Il est vrai que la thermodynamique semble avoir disparu de la culture scientifique commune et que j’aurais dû intituler le graphique : refroidissement radiatif en direction de l’espace.
Mais qu’importe, ce graphique n’est qu’une transformation d’unités de la figure 5 de l’ENS Lyon, elle, intitulée : Refroidissement infra-rouge.
Il est également à noter que cette figure 5 provient de London 1980
Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Atmospheric Ozone: Its Variation and Human Influences
Figure 2. Page 708.
Il est assez étonnant que ce profil de refroidissement qui joue un rôle de premier plan dans la compréhension du mécanisme de l’effet de serre soit systématiquement illustré par un graphique de 1980 publié dans le cadre d’un papier touffu sur l’ozone.
Je n’avais pas vu la question sous cet angle, d’un rayonnement exprimé en °C par jour.
On en reparlera dans un prochain chapitre consacré au rayonnement vers l’espace, où on verra d’où (de quelle altitude) provient ce rayonnement.
(Je ne veux pas répondre avant d’avoir défloré le sujet)
Vous ne comprenez pas ou vous faites semblant ?
Les « -2°C/jour » ne signifient pas que les rayons émis par les GES au niveau 0 s’échappent directement dans l’espace.
Le niveau 0 émet un photon qui est absorbé et provoque donc un échauffement par exemple à +10 m. L’air à +10 m émet un rayonnement qui lui sera bloqué par exemple à + 25 m (mais ça aurait aussi bien pu être +3 m), lequel niveau émet … et finalement la molécule de CO2 à +10000 m, chauffée grâce à un photon venu de +9880 m et absorbé par une molécule CH4 voisine, émet un photon qui lui échappe aux GES et s’en va dans l’espace. Le trajet des photons IR est long et compliqué … ce qui explique que le refroidissement qui en résulte est faible … seulement 2°C par jour !
Comme on le verra prochainement, le refroidissement se fait uniquement par rayonnement de l’atmosphère vers le cosmos, en fonction de la température à l’altitude de ce rayonnement.
Ce qui pilote la température, c’est le Gradient Thermique.
Le rayonnement à l’intérieur de l’atmosphère n’a aucune pertinence.
papijo
Le rayonnement terrestre total émis vers l’espace vaut 240 W/m², cela correspond à une température de -18°C et à une altitude moyenne d’émission du rayonnement vers l’espace de 5000m.
Mais le sol et la surface des océans émettent directement vers l’espace 40 W/m² via la fenêtre atmosphérique, le complément de 200 W/m² émis par l’atmosphère vers l’espace correspond à une altitude de près de 7000m.
Autrement dit, la moitié du rayonnement émis par l’atmosphère vers l’espace l’est entre 0 et 7000m d’altitude et l’autre moitié l’est au-dessus de 7000m d’altitude.
Cela n’a pas l’air incohérent avec le graphique mis en lien par phi.
Je précise : 200 W/m² correspond à une température de -30°C, qui est la température atmosphérique à environ 6900m d’altitude.
Pour être plus précis, cette figure: https://image.slideserve.com/458243/spectra-of-outgoing-radiation-from-earth-observed-by-iris-on-nimbus-3-l.jpg, par exemple au-dessus du Sahara pour une température du sol de 320 K (47°C):
– de 400 à 600 cm-1 : Tre d’émission de H2O: 270 K correspondant à environ H = 7.5 km = (320 – 270) / 6.5 = sommet de la « couche » de vapeur d’eau
– de 600 à 750 cm-1: Tre d’émission de CO2 : 220 K (-53°C) dans la stratosphère
– de 750 à 1000 cm-1: Fenêtre atmosphérique, c’est le sol qui émet et non les GES
– de 1000 à 1100 cm-1: Tre d’émission de O3: 290 K correspondant à environ H = 4,5 km = (320 – 290) / 6.5 … toute l’épaisseur de l’atmosphère intervient, ainsi que le sol (fenêtre atm.)
– de 1100 à 1300 cm-1: Fenêtre atmosphérique, c’est le sol qui émet et non les GES
– >1300 cm-1: Tre d’émission de H2O: 270 K correspondant à environ H = 7.5 km = (320 – 270) / 6.5 = sommet de la « couche » de vapeur d’eau
En conclusion, on peut dire que CO2 et H2O n’émettent directement vers l’espace que depuis le « sommet » de leur couche (voir figure 5 les concentrations estimées des GES dans l’atmosphère: https://co2coalition.org/wp-content/uploads/2023/11/The-Role-of-Greenhouse-Gases-in-Energy-Transfer-in-the-Earths-Atmosphere.pdf). L’émission d’O3 est répartie sur toute l’atmosphère mais est faible vis à vis du rayonnement du sol). Pour être plus précis, il faudrait prendre en compte le recouvrement des différentes bandes … mais c’est de la physique qui n’est plus de mon âge !
Pour la tranche d’émission de H2O, vous faites erreur : 270 K correspond à -3°C, soit environ 3000m d’altitude (en été dans nos alpes, l’isotherme zéro est vers 3500m, il peut monter à 4500m voire plus les jours de grosses chaleurs)
Le graphique concerne le Sahara en plein soleil avec un sol à 320 K soit 47°C. Même en admettant un gradient « sec » sans mélange d’aucun air humide avec un gradient de 10°C/km, cela correspondrait à une altitude minimale de 5000 m … la vérité est sans doute nettement au-dessus de 5000, mais nettement au-dessous des 7500 que j’ai annoncé un peu vite !
Si on se réfère à ce genre de modèle: https://www.ventusky.com/fr/temperatures-carte/500hpa-5500m#p=19.0;16.6;3&t=20250714/1500, on trouve dans le Sahara algérien à P = 500 hPa une température de l’ordre de -7 à -8°C, contre autour de 45°C à H = 2 m. Si on tient compte de la différence de densité de l’air avec l’air standard à 15°C (env 10%), l’altitude réelle correspondant à ces 500 hPa doit se trouver un peu au-delà de 6000 m …
J’ai oublié de préciser, j’ai choisi « au hasard » la date du 14 juillet 2025 à 16 h 00
Attention : vos 200 W/m2 sont une moyenne et non une médiane.
Hug,
Les 200 W/m2 correspondent effectivement à une émission d’un corps noir à -30 °C. L’atmosphère étant très loin d’être un corps noir, elle doit émettre à une température nettement supérieure à -30 °C en moyenne et donc à une altitude nettement plus basse en moyenne. La médiane de la puissance cumulée est à 4500 m (https://www.zupimages.net/up/24/08/3fkw.png) soit à une température d’environ -14 °C (254 W/m2 pour un corps noir). On peut en déduire que l’émissivité moyenne de l’atmosphère est d’environ 0.8 (200 / 254).