Nous avons vu, dans un précédent article, qu’on peut assimiler l’atmosphère à un corps opaque (sauf dans la Fenêtre), qui rayonne :
- vers le bas depuis quelques dizaines de mètres d’altitude (traité dans le précédent article),
- vers l’espace depuis le haut des nuages, et le haut du CO2 (dans la stratosphère).
.
Nous allons, dans cet article, nous focaliser sur celui-ci : le rayonnement de l’atmosphère vers le cosmos.
A partir du graphe en tête d’article, qui fournit les épaisseurs optiques des différents gaz opaques de l’atmosphère en fonction de la fréquence de rayonnement, on peut déduire le graphe suivant qui matérialise l’altitude de la surface de rayonnement de l’atmosphère vers l’espace (épaisseur optique vue depuis l’espace = 1) (vapeur d’eau en bleu, CO2 en noir) :
(ordonnées en pression atmosphérique (pour mémoire, la tropopause se situe à environ 0,2 atm. et 0,6 correspond à 4000 m d’altitude), abscisses en THz (20 THz = 667 cm-1 ou 15 microns))
On y voit que :
- dans la Fenêtre (24 à 35 THz ou 800 à 1200 cm-1), l’atmosphère rayonne vers l’espace depuis quelques mètres d’altitude (à une température très proche de celle du sol).
- à l’extérieur de cette Fenêtre, l’atmosphère rayonnera depuis plusieurs milliers de mètres d’altitude (une pression de 0,6 atm. correspond à 4000 m d’altitude)
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Il faut noter que, alors que la concentration de CO2 est uniforme dans toute l’atmosphère (de l’ordre de 420 ppm), celle de la vapeur d’eau décroît considérablement avec la température et donc avec l’altitude, jusqu’à s’effondrer complètement à une altitude qui correspond au haut des nuages : c’est à partir de là que la vapeur d’eau rayonne vers le cosmos.
Traduction en réchauffement/refroidissement
Lorsque l’atmosphère rayonne, elle se refroidit ; inversement, lorsqu’elle absorbe du rayonnement, elle se réchauffe.
Le graphe ci-dessous, résultant d’un calcul raie par raie, montre les altitudes (exprimées en pressions atmosphériques) auxquelles la chaleur s’échange, c’est-à-dire où l’atmosphère se refroidit (jaune-rouge) ou s’échauffe (bleu foncé) par rayonnement thermique en fonction de la fréquence de rayonnement (Source : Brindley & Harries 1998 (SPARC 2000)) :
Dans les zones en bleu ciel, il n’y a aucun échange de chaleur par rayonnement :
- soit parce que l’atmosphère y est opaque (sous les courbes de la vapeur d’eau ou du CO2 dans le graphe du dessus (épaisseur optique > 1)) : il n’y a pas de transfert d’énergie par rayonnement à l’intérieur d’un corps opaque ;
- soit au contraire parce que l’atmosphère y est transparente (au-dessus de ces mêmes courbes) : le rayonnement, d’où qu’il vienne, la traverse librement, sans la réchauffer ;
- soit parce que le rayonnement y est négligeable (fréquences au-delà de 2000 cm-1, où la courbe de rayonnement devient très basse).
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La bande comprise entre 750 et 1170 cm-1 (22,5 à 35,1 THz) correspond à la fenêtre de la vapeur d’eau, où la surface terrestre rayonne dans le continuum : dans cette bande, l’atmosphère se refroidit dès le sol, d’autant plus que le rayonnement y est plus intense (parce que plus chaud).
Les autres zones vermillon et jaunes montrent les altitudes où l’atmosphère rayonne (et donc se refroidit) :
- au-dessus des nuages en ce qui concerne la vapeur d’eau,
- dans la stratosphère en ce qui concerne le haut du CO2.
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La zone bleue foncée entre 1000 et 1100 cm-1 (O3),correspond à une bande d’absorption du rayonnement de l’ozone du haut de la stratosphère absorbé par l’ozone plus froid de la basse stratosphère ;
La tâche bleue foncée en haut de la raie du CO2 (entre 600 et 750 cm-1) correspond à l’absorption par le CO2 de la tropopause (ici la tropopause tropicale vers 100 millibar ou 100 hecto-Pascal, couche la plus froide de l’atmosphère) du rayonnement du CO2 des couches plus chaudes en dessous et au-dessus.
Les observations par satellite (Nimbus 4)
Spectre thermique terrestre observé par l’instrument NIMBUS. Les courbes en pointillé représentent les spectres des corps noirs aux températures indiquées en Kelvin. Ceci permet une lecture directe de ce spectre en température de brillance : un minimum situé autour de 215 K vers 15 µm, et un maximum un peu en dessous de 300 K entre 10 et 12 µm.
Crédit : Adapté de Hanel et al. (1970)
Si on rapproche ce graphe du précédent, on voit que :
- la bande du CO2 (centrée sur 15 microns ou 667 cm-1) rayonne très faiblement, depuis une altitude où la température est inférieure à 220K (ou -53°C)
- alors que la Fenêtre Atmosphérique (800 à 1200 cm-1) rayonne très fortement, à la température du sol d’où provient ce rayonnement
- au centre de cette Fenêtre, on voit rayonner l’ozone stratosphérique aux environs de 1050 cm-1
- ailleurs, c’est la vapeur d’eau qui rayonne depuis une altitude intermédiaire, vers 260K (ou -15°C)
- la bande du méthane, vers 1300 cm-1 est noyée dans la vapeur d’eau, et n’est donc pas significative
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Mais ces observations sont aussi faites avec des AERI, dont on a vu qu’ils présentaient l’inconvénient de ne pas recouvrir l’ensemble du spectre IR terrestre, étant bornés en bas à 400 cm-1, ce qui occulte une partie importante du spectre IR terrestre (0 à 400 cm-1).
Simulation par MODTRAN
Heureusement, comme les spectres IR vers le sol, ces spectres sont parfaitement simulables grâce au simulateur MODTRAN qui donne des spectres complets (0 à 2200 cm-1), dont la partie commune se superpose parfaitement avec les spectres AERI.
Voici un spectre simulé par MODTRAN, dans des conditions qui se rapprochent de celles de Nimbus ci-dessus (sans nuages) : rayonnement OLR reçu à 100 km d’altitude :
On voit que :
- dans la Fenêtre (800 à 1200 cm-1), pour un sol à 300 K, le rayonnement est émis à environ 295 K, soit moins de 1000 m d’altitude ;
- au milieu de cette Fenêtre (vers 1050 cm-1),le sol est masqué par l’ozone stratosphérique, qui rayonne entre 260K et 290K (pointe centrale), et donc depuis le haut de la stratosphère ;
- la bande du CO2, centrée sur 667 cm-1 rayonne :
- sur ses flancs jusqu’à la tropopause entre 290 et 220 K,
- puis dans la stratosphère (pointe centrale en rebroussement), entre la tropopause et 240K (pour rappel, dans la stratosphère, la température remonte jusqu’à la stratopause à environ 220 K) ;
- en dehors de ces bandes, c’est la vapeur d’eau qui rayonne depuis des altitudes diverses caractérisées par leur température ;
- la bande du méthane (vers 1550 cm-1) est peu significative.
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Dans une telle configuration (tropical atmosphere), humide sans nuages, la Terre rayonne 298,49 W/m2 vers le cosmos.
Avec nuages, à une latitude moyenne, on tombe à 214 W/m2 (pour mémoire, la couverture nuageuse est d’environ 70%), car, dans ce cas, la Terre, dans la Fenêtre Atmosphérique, au lieu de rayonner depuis le sol à 300K, rayonne depuis le haut des nuages (aux alentours de 250 K ou -20°C).
La moyenne s’établit, bien entendu, à 240 W/m2.
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Nous consacrerons le prochain (et dernier article de la série) au calcul de la sensibilité climatique au CO2 (c’est-à-dire l’élévation de température entraînée par un doublement de la concentration en CO2)
32 réponses
Et si on parlait d’ordre de grandeur ? que nous dit l’observation ? la Nasa publie : https://www.nasa.gov/missions/aqua/direct-observations-confirm-that-humans-are-throwing-earths-energy-budget-off-balance/ avec 0.5W/m2 pour les activités humaines, on ne serait pas dans l’épaisseur du trait ? Alors oui la présence d’une atmosphère augmente la température moyenne à la surface de la terre. On peut assimiler ce que l’on appelle « effet de serre » à un albedo du au gaz par opposition à celui de surface et quand on ne connait pas au W/m2 près ce que l’on reçoit du soleil…. et que l’on compare à une valeur moyenne de 240W/m2 d’énergie rayonnée par la terre (214-300W/m2), Quel est l’effet réel de l’homme ?
Cette comparaison à un albédo est inappropriée : le rayonnement de l’atmosphère vers le sol n’est pas une réflexion du rayonnement du sol, mais bien un rayonnement thermique (spontané) de l’atmosphère.
Quant à l’effet de l’homme en tant qu’énergie produite indépendammant du CO2, il est vraiment négligeable.
0.5 W/m2 en 15 ans seulement (cf lien NASA), de 2003 à 2018. Bien plus depuis 1900 à 2026. Et on sait précisément ce qu’on reçoit du soleil : 1361 W/m2 de Shortwave sur πR2… avec des variations de seulement 1 W/m2 depuis très longtemps et avec légère diminution depuis 75 ans… — Toutes choses variables (nuages, aérosols, ENSO,…) produisent des effets courts de nature météorologique mais conduisent néanmoins à une moyenne globale terrestre stable sur 20 ou 30 ans. L’énergie vers l’espace est de 238 W/m2 de Longwave sur 4πR2. La seule variation connue et identifiée semble celle due à l’effet spectrocopique du CO2 qui est de 3,7 W/m2 pour un doublement du CO2. L’accroissement atmosphérique du CO2 de 50 % en 150 ans correspond du point de vue spectroscopique à +0,4°C minimum en surface.
Sur quelle base affirmez-vous que le CO2 produit un réchauffement minimal de 0.4 °C?
ΔF_CO2 = 5,35 · ln(C / C₀) — α₀ ≈ 3,2 à 3,3 W·m⁻²·K⁻¹ — ΔT_min = ΔF / α₀ ≈ 3,7 / 3,2 ≈ 1,1 °C. — avec λ₀ ≈ 0,30 K·(W·m⁻²)⁻¹ sans même de rétroaction —-
je n’ai pas le droit de mettre le lien de démonstration – cherchez sur le bon site « ami »
Delta F est le dit forçage radiatif. Sa valeur est celle d’un déséquilibre instantané calculé au sommet de l’atmosphère sous l’effet de l’ajout de CO2. Comment faites-vous le lien entre un déséquilibre instantané des flux au sommet de l’atmosphère et une augmentation de la température de 0.4 °C à la surface ?
ΔT_min = ΔF / α₀ ≈ 3,7 / 3,2 ≈ 1,1 °C est pour un doublement du CO2
J’ai bien compris mais cela, c’est de la cuisine. Sur le plan physique, comment un déséquilibre instantané des flux au sommet de l’atmosphère peut-il être relié à une élévation de la température à la surface ? Connaît-on la réaction du système à ce déséquilibre ? la durée et la forme du retour à l’équilibre ? l’effet sur le profil thermique ?
Avez-vous une référence qui expliquerait votre formule de cuisine ?
Le terme « cuisine » utilisé vous prive de toute réponse détaillée – cherchez par vous-même…
Ne le prenez pas mal, ce n’est pas vous qui avez inventé cette mauvaise cuisine. Je voulais juste vous rendre conscient du fait que ce prétendu 0.4 °C incompressible depuis 150 ans n’a pas de fondement scientifique. C’est de l’arbitraire inventé pour les besoins d’une cause. De plus, cette notion de forçage radiatif est une horreur qui bafoue tous les acquis de la thermodynamique. Soyez plus prudent dans vos affirmations.
La formule de Myhre, dont tu fais état, est une formule empirique qui attribue au CO2 le réchauffement actuel.
Qui plus est, elle s’applique en haut de l’atmosphère, ce qui ne veut rein dire
… sauf que ces 3,7 W/m2 en haut de l’atmosphère ne signifient rien : le bilan est nécessairement équilibré en haut de l’atmosphère : on le verra dans le prochain article.
Bonjour Mr Morane,
Vous avez globalement raison, pour le cas d’un ciel clair.
Dans le cas d’un ciel nuageux avec en particulier des nuages bas, il doit bien y avoir une part de réflexion du rayonnement du sol car il y a bel et bien un interface entre 2 milieux d’indices optiques différents: l’air d’un côté et le nuage de l’autre (gouttelettes d’eau plus ou denses: à assimiler à un milieu intermédiaire d’indice optique entre l’air et l’eau avec probablement de la diffusion plus ou moins isotrope? à discuter!).
Je pense que c’est cette réflexion supplémentaire qui explique (en grande partie) le niveau de puissance globale nettement plus élevé (entre 80 et 95Wm-2 suivant le type de nuages bas) que trouve le simulateur Modtran pour l’onde infrarouge descendante (à faible altitude) dans le cas de systèmes nuageux (cumulus, altostratus…)
La Terre isolée dans l’espace se réchauffe et refroidit globalement uniquement par radiations. Shortwave en réception, Longwave en émission. Seul le bilan global radiatif détermine la température moyenne globale de la Terre. Les nuages interviennent en modifiant à court terme l’albédo (+) sur la réception Shortwave solaire (le jour), et en modifiant la Backradiation Longwave (+) de l’atmosphère vers la surface. Avec des nuages : il fait moins chaud le jour et il fait plus chaud la nuit. Ces effets localisés sont du domaine de la météorologie, du « temps qu’il fait », pas de la climatologie (Sans exclure les variations saisonnières et les « climats locaux »…).
Je pense que vous ne commentez pas le bon article, mais celui du rayonnement vers le bas.
Si l’eau liquide a le même spectre que la vapeur d’eau, vous avez raison dans la Fenêtre (où l’eau ne peut pas rayonner), et tort en dehors où la vapeur d’eau opacifie l’atmosphère en dessous des nuages.
(Les nuages, c’est compliqué)
Mais ça ne change pas grand chose au bilan sol / atmosphère
Effectivement, mon commentaire ne concernait que le rayonnement descendant pour lequel vos différents articles ont conduit à de âpres mais intéressants débats.
Ma remarque est valable sur l’ensemble du spectre infrarouge pratiquement indépendamment du fait que ce spectre se situe dans la fenêtre atmosphérique ou non (petit effet d’atténuation dans ce dernier cas mais faible). Je pense que cela résulte du fait que la réflexion des infrarouges sur l’interface constitué par les nuages bas ne dépend pratiquement pas de la longueur d’onde.
Vous pouvez le vérifier en utilisant Modtran avec les configurations de nuages bas (en particulier cumulus) et en faisant varier l’altitude entre 0 et l’altitude des nuages annoncée (0,66km pour les cumulus je crois).
Vous voyez alors que la puissance du flux descendant ne diminue que très faiblement en fonction de l’altitude jusqu’à 0.66km et surtout ne présente aucun des décrochements liés aux spectres d’absorption de l’eau ou du CO2; on retrouve pratiquement le spectre de l’onde montante. qui suit parfaitement celui de l’onde thermique émise par la surface terrestre.
Lorsqu’il y a des nuages, c’est que l’air est généralement humide. Dans ce cas, pour le rayonnement venant du sol, l’opacité par la vapeur d’eau intervient bien en dessous des nuages, et aucun rayonnement provenant du sol n’atteint les nuages et ne peut donc être réfléchi (en dehors de la Fenêtre, j’entends).
Par contre, les nuages reçoivent (par en dessous) du rayonnement de la vapeur d’eau : c’est sans doute celui-ci qui est réfléchi, mais ne peut quand même pas atteindre le sol, du fait de l’opacité qui règne sous le nuage.
Il est intéressant de voir ce qui se passe quantitativement. MODTRAN permet de calculer l’énergie dissipée vers l’espace par tranches d’atmosphère : https://www.zupimages.net/up/26/10/mrv8.png
Sinon, MODTRAN est un programme qui calcule l’irradiance en fonction d’un profil thermique donné. Il n’a pas d’utilité prédictive car ce profil ne peut provenir que d’observations ou d’un impossible calcul thermodynamique du système. Inutile de lui demander l’irradiance résultant d’un doublement du taux de CO2, il ne sait pas faire. L’interface de MODTRAN est une incroyable graille qui confond irradiance et flux thermique et laisse croire que l’irradiance est calculable en fonction des taux de GES.
Je ne pense pas que MODTRAN fonctionne de cette façon (refroidissement par tranche d’altitude selon un profil)
Je pense plutôt qu’il calcule l’altitude où, raie par raie (issu de HITRAN) l’épaisseur optique est égale à 1 (depuis l’altitude d’observation), en fonction de profils de concentration de la vapeur d’eau.
(Du moins, c’est ce que je ferais si je devais développer MODTRAN, et le résultat y ressemble)
J’ai dit épaisseur optique=1, mais ensuite, il y a sans doute un calibrage pour que le résultat soit conforme aux observations satellites/AERI.
Ce graphique utilise les résultats de MODTRAN. Il ne présuppose rien sur la manière dont ils sont calculés. Pour une altitude donnée, MODTRAN donne l’irradiance du bas et l’irradiance du haut. Le flux thermique radiatif est la différence de ces deux irradiances. L’augmentation du flux thermique radiatif sur l’épaisseur de la tranche donne le refroidissement radiatif de cette tranche.
Oui, mais cela ne signifie pas que MODTRAN raisonne par tranches d’épaisseurs prédéfinies, ni même par « petites » tranches.
La discrétisation me paraît inévitable mais je ne vois pas bien ce que cela pourrait changer sur le principe.
Modtran doit pouvoir résoudre les équations de Maxwell dans un milieu (l’atmosphère) dont l’indice de réfraction varie en fonction de l’altitude aussi bien pour ses valeurs réelles qu’imaginaires (absorption ou émission).
Ce n’est pas trivial et de toute façon demande une grosse puissance de calcul.
Le passage par la case multicouche me semble aussi inévitable pour simplifier le problème et obtenir des résultats avec des moyens de calcul plus limités mais c’est à vérifier!
Comme je l’ai compris, si de tels calculs sont menés, ils le sont par HITRAN et les résultats sont utilisés par MODTRAN.
De toute façon, MODTRAN ne s’occupe ni de l’apport de chaleur (hautes fréquences) ni de thermodyanmique, il ne s’agit que d’un calcul d’opacité couplé avec un profil thermique en entrée pour sortir des irradiances.
Vous avez peut-être raison, mais faute de mieux connaître Modtran dans le détail, il me semble que le simulateur donne bien un flux de photons et non un flux thermique.
Pour cela, il calcule un flux de photons généré par l’atmosphère en fonction de l’altitude et donc forcément à partir d’un profil de température indispensable à connaître (ce profil est d’ailleurs bien mentionné pour chaque simulation)
Je suis d’accord qu’il ne donne pas de renseignements sur le passage entre ce flux de photons et donc l’énergie photonique calculée et les modification des températures qui peuvent en résulter.
Par contre, il me semble qu’il donne bien, pour un profil de température donnée, qu’elle est l’évolution de la puissance photonique infrarouge montante et descendante en fonction de la concentration des gaz à effet de serre.
Ce n’est pas une réponse complète mais c’est tout de même une réponse intéressante qui permet au moins de faire des comparaisons avec des configurations atmosphériques variées.
Le point qui reste inconnu pour moi, c’est comment fonctionne effectivement Modtran dans le modèle multicouche qui semble être le sien.
J’ai beaucoup travaillé sur les systèmes multicouches optiques avec en particulier la méthode d’Abéles qui donnent d’excellents résultats. Par contre dans le cas de couches atmosphériques, si les coefficients d’absorption au niveau de chaque couche semblent parfaitement connus pour toutes les longueurs d’ondes et pour tous les gaz, je ne suis pas certain que les caractéristiques d’émission des photons soient aussi bien maîtrisées. Elles me semblent indispensables pour mener à bien ce genre de calcul.
En particulier, je voudrais savoir si Modtran utilise pour cela des paramètres ajustables pour chaque couche ou s’il s’appuie sur la connaissance indépendante des paramètres physiques que sont l’absorption et l’émission induite (c’est à dire les coefficients B21 et B12 d’Einstein).
Dans le premier cas, le bon accord entre les relevés expérimentaux et les résultats du simulateur (en tout cas aux altitudes où ces comparaisons sont possibles) aurait moins de force que dans le second. Si quelqu’un à la réponse je suis preneur!
Merci d’avance.
Foi de Gemini, MODTRAN utilise une base HITRAN qui tient compte des coefficients d’Einstein.
Voir ma réponse à Phi, ci-dessus.
Par contre, oubliez le rayonnement « induit » : nous ne sommes pas dans une étoile ou dans un laser.
Il ne s’agit que de rayonnement thermique (spontané si vous préférez) (Loi de Planck)
OK, peut-on y avoir accès ?
Je l’ignore mais Jacques-Marie Moranne le sait peut-être.
https://climatemodels.uchicago.edu/modtran/ (MODTRAN3, ancien mais accès libre)
Je parlais de la base Hitran.
Pour Modtran l’accès est simple et assez convivial mais d’indique en rien comment fonctionne le simulateur!
https://hitran.org/