L’effet de serre a été décrit pour la première fois en 1924 par le Français Joseph Fourier (1768-1830), dans le but d’expliquer le bilan énergétique de la Terre. Il a supposé que l’atmosphère se comportait comme la vitre d’une serre, transparente à la lumière du Soleil mais absorbant les infrarouges (la chaleur obscure, comme on disait à l’époque) émis par le sol. Il a publié à ce sujet un article intitulé « Remarques générales sur les températures du globe terrestre et les espaces planétaires » dans Les Annales de chimie et de physique. On sait depuis quelques années qu’en 1857, l’Américaine Eunice Newton Foote (1819-1888) a démontré le rôle du dioxyde de carbone. Elle observé que des cylindres de verre remplis de CO2 s’échauffaient plus à la lumière du Soleil que des cylindres n’en contenant pas. Le rôle du CO2 dans ce qui n’était pas encore appelé l’effet de serre était mis en évidence. Ses expériences ont été éclipsées par celles de l’Irlandais John Tyndall (1820-1893). En 1861, il a démontré le rôle de la vapeur d’eau en plus du CO2.
On considère maintenant que l’expression « effet de serre » est inappropriée, car la Terre n’est pas recouverte par une vitre. Le mécanisme de son échauffement sous les rayons du Soleil est complexe mais bien expliqué par la physique de l’atmosphère. Parfois, on préfère parler d’effet de serre radiatif. L’objet de cet article est de présenter une vérification expérimentale faite en 2022 par les physiciens allemands Hermann Harde et Michael Schnell. Ils voulaient démontrer son existence car certains climatosceptiques affirment qu’il n’existe tout simplement pas. Cela leur permet de dire que l’ajout de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère ne peut pas modifier les climats de la Terre. Harde et Schnell sont eux aussi climatosceptiques, mais ils sont plus respectueux de la science. Harde, qui a fait carrière à l’université de Hambourg, est spécialisé en optique, photonique et spectroscopie. La conclusion de cette étude est que l’ajout de GES a peu d’effet et donc que l’alarmiste climatique n’a pas lieu d’être.
Harde attaque le problème sous un autre angle en affirmant que l’augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique, qui a commencé vers 1850 avec l’utilisation des combustibles fossiles, est principalement naturelle. La part humaine dans le CO2 émis ne dépasserait pas 15 %.
J’ai déjà parlé de l’effet de serre radiatif dans cet article, de manière très détaillée quoique sans formule mathématique, ainsi que dans l’article consacré à l’empreinte de l’activité humaine sur la troposphère et la stratosphère. Mon objectif était d’expliquer l’effet d’une augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique. Avant de présenter l’expérience de Schnell et Harde, je vais faire quelques rappels. Comme le dit Jean-Louis Dufresne, l’effet de serre est plus subtil qu’on ne le croît, si bien qu’il n’est pas du tout inutile de donner quelques explications supplémentaires. Ces trois articles sont différents et complémentaires.
L’effet de serre radiatif pour les nuls
La surface de la Terre est chauffée par le rayonnement solaire, comprenant essentiellement des ultraviolets, de la lumière et des infrarouges. Les sources internes de chaleur, dont le volcanisme, sont parfaitement négligeables. Si la Terre est en équilibre thermique, elle renvoie dans l’espace autant d’énergie qu’elle en reçoit, et cela ne peut se faire que par les rayonnements électromagnétiques. En moyenne, le sommet de l’atmosphère reçoit 340 W/m² (watts par mètre carré) du Soleil. La Terre en réfléchit 100 W/m², si bien qu’il lui reste à émettre 240 W/m². Cela se fait par les infrarouges : tout corps chauffé en émet. On les appelle les infrarouges thermiques.
Ce raisonnement n’est valable que si les différences de températures entre les jours et les nuits ne sont pas très importantes. C’est le cas parce que la Terre tourne assez vite sur elle-même (beaucoup vite que la Lune !) et que les océans possèdent une grande inertie thermique. Ils gagnent peu de chaleur pendant le jour et en perdent peu pendant la nuit.
Sachant cela, il faut déterminer la température d’équilibre. À quelle température la Terre émet-elle autant d’énergie qu’elle en absorbe ? Pour faire le calcul, on utilise une loi établie expérimentalement par Joseph Stefan en 1879 et expliquée par Ludwig Boltzmann en 1884. Elle dit que la radiance R (en W/m²) d’un corps dont la température T vaut eσT4, où e est l’émissivité de ce corps, σ est la constante de Stefan-Boltzmann, égale à 5,67 × 10–8 W/(m²·K4) et T est exprimée en kelvins (à partir du zéro absolu, en retranchant 273,16 aux degrés Celsius). L’émissivité de la surface de la Terre est presque égale à 1. Pour trouver la température d’équilibre, il suffit alors de dire que R est égale à 240 W/m² et de calculer T. On trouve T = 255 K, soit – 18 °C.
Ici, il y a une difficulté. On dit souvent que la Terre est assimilable à un corps noir. C’est un corps qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu’il reçoit. Or, la Terre réfléchit dans l’espace 29 % du rayonnement solaire (100/340 = 0,29) : son albédo a est de 0,29. Si elle était vraiment un corps noir, elle n’apparaîtrait pas comme un planète bleue. En fait, quand on calcule sa température d’équilibre, on écrit que la puissance reçue du Soleil, 340 × (1 – a), est égale à la puissance qu’elle émet, eσT4 . Dire que la Terre est un corps noir, c’est donner à e la valeur 1.
Ensuite, si la température moyenne de surface de la Terre était vraiment de – 18 °C, elle serait gelée. Dans les faits, la température moyenne était d’environ 14 °C avant le début de l’ère industrielle. Cet excès de température est dû aux gaz à effet de serre (GES) présents dans l’atmosphère terrestre, essentiellement de la vapeur d’eau, du CO2 et de l’ozone O3. Le méthane CH4, un autre GES, ne doit sa présence qu’à l’activité humaine.
Les nuages, constitués de gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace et non de vapeur d’eau, jouent également un rôle. Les cirrus, nuages de haute altitude, laissent passer une grande partie de la lumière du Soleil mais absorbent les infrarouges thermiques émis par la surface de la Terre. Ils en réémettent autant vers le haut que vers le bas. Un cirrus de 100 mètres d’épaisseur (très fin) ne réfléchit qu’environ 9 % de la lumière solaire mais empêche presque 50 % des infrarouges thermiques de s’échapper dans l’espace. Il n’est alors pas difficile de comprendre que ces nuages ont un pouvoir réchauffant. Ils fonctionnent comme une couverture, qui entrave l’évacuation de la chaleur. Sous les cirrus, la température est en moyenne élevée de 10 °C, or ils couvrent un peu plus de 30 % de la surface de la Terre, jusqu’à 70 % sous les tropiques pendant la nuit. Ce sont pourtant des nuages froids, puisque leur altitude va de 7 000 m aux latitudes moyennes à 13 500 m sous les tropiques. Ils sont constitués de cristaux de glace dont la température est habituellement inférieure à – 20 °C. Au-dessus de – 68 °C, la plupart des cirrus ont une humidité relative de près de 100 % (air saturé en vapeur d’eau).
Les GES fonctionnent de la même manière que les cirrus, sauf qu’ils sont présents jusqu’au niveau de la mer et qu’ils n’absorbent pas les infrarouges dans toutes les longueurs d’onde. Ils ont des bandes d’absorption. Ainsi, le CO2 est particulièrement actif autour de 14,9 µm (micromètres), mais cela lui donne un rôle important, car c’est là que se situe le pic d’émission des infrarouges thermiques de la surface de la Terre. Ceux-ci ont des longueurs d’onde comprises entre 5 et 100 µm. Une autre bande d’absorption du CO2, autour de 4,25 µm, n’arrête donc presque pas ces infrarouges.
La radiance de la surface en fonction de la longueur d’onde, ou radiance spectrale, est donnée par la loi de Planck. Elle a valu au physicien Max Planck le prix Nobel de physique, en 1918, et a jeté les bases de la physique quantique. L’aire de la courbe de la radiance spectrale (son intégrale, en langage mathématique) est la radiance. La loi de Planck explique donc celle de Stefan-Boltzmann.
La figure ci-dessus donne la radiance spectrale d’un corps noir à 5 525 K (courbe rouge), ainsi qu’entre 210 et 310 K (courbes bleues). Attention aux échelles ! Les courbes bleues sont très étalées le long de l’axe des abscisses. Alors que les infrarouges sont compris entre 5 et 100 µm, la lumière (visible) est seulement comprise entre 0,38 et 0,78 µm. Il n’empêche que les courbes bleues sont toutes comprises dans la courbe rouge. Dans cette figure, elles sont très étirées en hauteur pour qu’on puisse les voir. Autrement dit, la radiance d’un corps noir à 210-310 K est très inférieure à la radiance d’un corps noir à 5 525 K. Vu la différence de température, c’est assez évident !
On considère que la température effective du Soleil est de 5 772 K (soit environ 5 498 °C). C’est la température d’un corps noir qui aurait sa radiance. Sa puissance totale est de 3,826 × 1026 W. Sachant qu’il a un rayon moyen de 1 392 684 km, sa radiance vaut plus de 15 millions de watts par mètre carré. Heureusement que nous ne nous trouvons pas à côté de lui, parce que sinon, nous serions cuits. Près que 149,6 millions de kilomètres nous séparent du Soleil. La Terre ne reçoit par conséquent que 1 360 W/m² de rayonnement solaire – ce que l’on appelle la constante solaire. Il faut diviser ce nombre par 4 pour obtenir la puissance par unité de surface répartie sur toute la Terre (flux solaire incident). Cela donne 340 W/m², soit la valeur fournie au début de cet article. Il s’agit d’une moyenne dans le temps et dans l’espace. Le flux s’annule évidemment durant la nuit et diminue des tropiques aux pôles durant le jour.
L’atmosphère terrestre laisse passer 70 à 75 % du flux solaire incident selon la figure ci-dessus, parce que le pic du rayonnement se trouve dans le domaine visible et que l’atmosphère est en grande partie transparente à la lumière. Le flux absorbé par la surface de la Terre est représenté par la courbe pleine rouge. D’après le bilan radiatif de la Terre, il est de 160 ± 5 W/m². C’est l’aire de cette courbe. Comme l’atmosphère est plutôt opaque aux infrarouges, elle n’en laisse passer que 15 à 35 % (courbe pleine bleue). Le rayonnement qui s’échappe dans l’espace devrait donc être inférieur au flux solaire incident, mais si c’était vrai, ce déséquilibre entraînerait une élévation de la température de surface de la Terre, jusqu’à ce que l’équilibre soit établi. C’est le principe de l’effet de serre radiatif. La température d’équilibre de la surface est de 32 °C supérieure à ce qu’elle serait sans nuages et sans GES (33 °C avec le réchauffement climatique actuel).
Pas de violation du deuxième principe de la thermodynamique
Les cirrus ont beau être froids, ils n’en émettent pas moins des infrarouges thermiques. Une température de – 50 °C, ce n’est pas le zéro absolu : c’est 223 degrés au-dessus du zéro absolu, soit 223 K. La loi de Stephan-Boltzmann donne à ces nuages une radiance de 141 W/m², si l’on suppose qu’ils sont des corps noirs. Une moitié de ce rayonnement part vers la surface de la Terre. Il chauffe par conséquent celle-ci, alors que sa température est supérieure à celle des nuages ! Quant aux GES, ils se comportent de la même manière. Ils émettent également un rayonnement thermique, mais leur émissivité est inférieure à 1. Ils sont des corps gris. Leur rayonnement part dans toutes les directions. On l’appelle back-radiation en anglais et rétro-rayonnement en français celui qui est dirigé vers le bas. On estime que les nuages et les GES envoient en moyenne 342 W/m² vers la surface. C’est plus que le flux solaire incident.
Le fait que des nuages ou des gaz froids émettent des infrarouges vers la surface de la Terre et qu’ils chauffent donc un corps plus chaud qu’eux paraît peu intuitif et certains pensent qu’il viole le deuxième principe de la thermodynamique. C’est oublier que ce principe est valable pour un système isolé (sans échange d’énergie, ni de travail, ni de matière avec l’extérieur). Le système Terre-atmosphère n’en est pas un, puisqu’il est chauffé par le Soleil. D’après le bilan radiatif de la Terre, l’atmosphère absorbe directement 80 W/m² de rayonnement et la surface de la Terre en absorbe deux fois plus, mais elle la réémet vers l’atmosphère. En fin de compte, celle-ci est plus chauffée par la Terre que par le Soleil.
Selon le deuxième principe de la thermodynamique, l’entropie d’un système isolé reste constante ou augmente. Dans le second cas, il subit une transformation irréversible. À partir de là, on peut démontrer que la chaleur se transmet toujours de sa partie la plus chaude vers sa partie la plus froide. Rien n’empêche l’entropie d’un système ouvert de diminuer, à condition que celle du milieu extérieur augmente.
Le rétro-rayonnement est observé quotidiennement grâce à des spectroscopes appelés AERI (Atmospheric Emitted Radiance Interferometer). Sa décomposition en différentes longueurs d’onde fait apparaître un rayonnement obéissant à la loi de Planck, qui est celui des nuages, auquel se superposent des bandes d’émission. Elles permettent d’identifier les GES. Le rayonnement s’ajoute à celui des nuages et subsiste en leur absence. Il ne faut cependant pas penser qu’il arrive directement au sol : il est constamment absorbé et réémis. En contrepartie, les couches supérieures de l’atmosphère, dont la stratosphère, sont refroidies. Dans le rayonnement qui s’en échappe, les satellites peuvent observer les bandes d’absorption des GES. Leurs longueurs d’onde sont les mêmes que les celles des bandes d’émission : les molécules émettent et absorbent le rayonnement électromagnétique dans les mêmes longueurs d’onde.
Ceci n’est vrai que si la température diminue avec l’altitude dans la troposphère (gradient de température dirigé vers le bas). Si la température augmente avec l’altitude, comme c’est parfois le cas en Antarctique, l’effet de serre refroidit la surface et les satellites observent des bandes d’émission. Les infrarouges thermiques que le sommet de l’atmosphère émet vers l’espace sont donc accrus.
L’expérience de Harde et Schnell
Le dispositif expérimental comprend un réservoir aux extrémités desquelles deux plaques sont disposées. L’une d’elles, de couleur noire et chauffée à 30 °C (TPE dans le schéma), représente la Terre. L’autre est refroidie à – 11,4 °C (TPC), représente l’atmosphère. Une distance de 111 centimètres les sépare. Le gradient de température ainsi créé est de 0,373 °C/cm du bas vers le haut. Quatre thermomètres sont placés entre elles, mesurant des températures notées T1 à T4, le premier se trouvant du côté de la plaque Terre et le quatrième du côté de la plaque atmosphère. La plaque Terre est placée en haut afin que sa présence ne provoque pas de convection dans le mélange gazeux : l’air chaud a tendance à monter. On ne peut pas éviter de transport de chaleur par conduction, mais on le minimise en mettant la plaque Terre sous un dôme dont la température est maintenue autant que possible à 30 °C. Ce dôme fait office d’isolant thermique. De la sorte, on s’assure que les transferts d’énergie se fassent de manière presque uniquement radiative.
Le réservoir étant rempli d’un air dépourvu de vapeur d’eau (qui givrerait la plaque atmosphère), on ajoute un gaz à effet de serre. Harde et Schnell ont fait cette expérience avec du dioxyde de carbone, du méthane, du protoxyde d’azote et de l’ozone. On observe que durant la période d’addition et d’homogénéisation du GES, la température de la plaque Terre augmente, et que les autres températures restent constantes. On réduit alors son chauffage électrique HE afin de faire revenir sa température à 30 °C.
Puisqu’il n’y a ni conduction ni convection, l’augmentation de la température de la plaque Terre n’admet pas d’autre explication que l’apparition d’un rétro-rayonnement dû au GES. On peut parfaitement, grâce à la physique de l’atmosphère, prédire cette augmentation. Les observations sont conformes à la théorie. La distance entre les deux plaques est largement inférieure à l’épaisseur de la troposphère (la partie inférieure de l’atmosphère), qui est d’une dizaine de kilomètres. On compense cette faible épaisseur par une concentration élevée du GES. Ce n’est pas 0,042 % (420 ppm) de CO2 que l’ajoute, comme dans l’atmosphère actuelle, mais jusqu’à 20 %. Cela réduit le libre parcours moyen des photons infrarouges, qui devient très inférieur à la longueur du réservoir. Sans cela, le rayonnement thermique de la plaque Terre ne pourrait être absorbé ni réémis.
De plus, la température de la plaque Terre augmente d’une manière logarithmique avec la hausse de la concentration en CO2, conformément à ce qui est calculé pour l’atmosphère terrestre. Pour celle-ci, une bonne approximation est donnée par la formule que le climatologue Gunnar Myhre a calculée en 1998. Si l’on appelle C0 la concentration du CO2 avant l’ère industrielle et C la concentration actuelle, alors le forçage radiatif vaut 5,85 × ln(C/C0). C’est le flux d’énergie supplémentaire, en W/m², que la surface de la Terre reçoit. Pour estimer l’augmentation de température qui en résulte, il faut connaître la sensibilité climatique à l’équilibre. C’est la réponse du système climatique à un doublement de la teneur en CO2 atmosphérique.
Hermann Harde estime que celle-ci est égale à 0,7 °C, loin des 3 °C retenus par le dernier rapport d’évaluation du GIEC. Cela peut se discuter. Son expérience, qui ne tient pas compte de la vapeur d’eau ni de l’interdépendance des différents gaz, demande à être améliorée.
Je lui laisse le mot de la fin :
Ces mesures démontrent clairement que contrairement à la deuxième loi de la thermodynamique, souvent mal interprétée, un corps plus chaud peut être chauffé davantage en absorbant le rayonnement d’un corps plus froid, ici le rayonnement de la plaque refroidie et un GES. Ils confirment également que les GES émettent toujours des rayonnements infrarouges vers l’arrière dans des conditions telles que celles rencontrées dans la basse atmosphère. Les mesures sont bien confirmées par des calculs approfondis […], qui sont en plein accord avec les données de température et de chauffage électrique enregistrées, ceci en nombres absolus et sur toute l’évolution en fonction des concentrations de gaz. Tout effet notable sur le bilan énergétique dû à la conduction thermique peut être exclu par des expériences de contrôle avec des gaz rares. […]
À long terme, une transition économique vers de nouvelles formes de production d’énergie, quelle qu’elle soit, est inévitable, puisque l’approvisionnement en combustibles fossiles est limité. Il n’est toutefois pas nécessaire de mener ce processus aveuglément et à la hâte ; sinon, il y a un risque de désindustrialisation, ce qui entraînerait alors un avenir vraiment désastreux pour les générations futures.
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