L’effet de Serre radiatif est-il réellement physiquement fondé ?

par Maurice Hadrien

On le sait « l’effet de serre radiatif » est le modèle présenté par le GIEC pour expliquer le réchauffement climatique consécutif à l’accumulation de Gaz à effet de serre et principalement de CO2 dans l’atmosphère. Il est fondé sur le fait que le rayonnement infrarouge (IR) émis par les gaz froids de la troposphère dans la direction de la surface terrestre contribue au chauffage de celle-ci comme le montre

les figures jointes, toutes deux extraites du chapitre 1 du rapport WG1 du GIEC de 2007(AR4). La figure 1.1 du cinquième rapport(AR5) de 2014, moins explicite, ne dément cependant pas cette présentation.

Bien entendu, l’air d’une serre est plus chaud que l’air extérieur mais ce n’est pas en raison de ce processus1 d’émission de

rayonnement d’infrarouge et c’est la raison pour laquelle j’affuble le modèle du GIEC de l’adjectif radiatif. Il serait plus judicieux pour baptiser ce modèle de parler de rétrodiffusion des IR (backscattering).

Que l’on soit carbocentriste ou climatosceptique, on accorde presque toujours crédit à cet « effet de serre radiatif » supposé basé sur des lois physiques bien établies et

indubitables. Quelqu’un comme Roy Spencer par exemple, ancien de la NASA, climatologue de l’ Université d’Alabama (Huntsville) qui réfute l’idée que le gaz carbonique soit le responsable du réchauffement de ces dernières années met néanmoins en garde les climatosceptiques qui affirment qu’il n'y a pas d'effet de serre radiatif. Je veux donc me concentrer ici sur ce mécanisme physique mais d’une manière un peu différente de celle que l’ai utilisé dans mon livre2 dans lequel je me suis surtout appuyé sur les

1 Même le GIEC le reconnaît, leur « effet de serre » est donc mal nommé !!2 « CO2 coupable ou non coupable ?» Editions Mélibée

équations. Je veux essayer d’être dans ce papier plus descriptif et j’espère tout aussi démonstratif.

Dans le modèle du GIEC et sur les figures jointes l’énergie transférée par le rayonnement infra-rouge descendant du ciel s'élèverait à un niveau de 320/330 W/m2. Pour déterminer ce flux de chaleur, on utilise la loi de Stephan-Boltzmann effectivement bien établie mais pour un corps noir (à la rigueur « gris »). Mais a-t-on le droit de considérer un petit volume d’air comme un corps noir ? Cela est contestable et contesté théoriquement (voir en particulier les écrits de Gerhard Gerlich et Ralf D. Tscheuschner ou mon livre1). Et sur un plan pratique, la mesure de température avec un Thermomètre à IR contrairement à ce qu’affirme Roy Spencer ne vient pas du tout en appui de l’existence de l’effet de serre. Jean Cassanet, membre de la SMF-Météo et Climat, dans son article «  Peut-on mesurer la température de l’air avec un thermomètre infrarouge ? » montre bien que la mesure de température avec ce type de dispositif est d’autant plus fiable et plus proche de la réalité que l’objet vers lequel on le pointe se rapproche d’un corps noir, Il peut ainsi mesurer la température d’une étendue d’eau, d’un nuage, d’une casserole pleine d’eau chaude peinte en noir mais se révèle incapable de mesurer la température de l’air. Je vous laisse en tirer vous-même la conclusion.

La troposphère est néanmoins « baignée3» de rayonnement IR et on peut se demander si les IR qui « reviennent » vers la surface de la planète chauffe réellement celle-ci. Evidemment dira le commun des mortels comme le physicien pressé. C’est oublier que pour répondre à cette question, il faut se souvenir 1) que nous avons à faire à un rayonnement électromagnétique et que l’interaction des ondes électromagnétiques avec la matière peut prendre des formes diverses, fonctions à la fois des caractéristiques du rayonnement et de la matière. 2) de la dualité onde corpuscule du rayonnement.

Un rayonnement est caractérisé par sa fréquence ou ce qui revient au même par sa longueur d’onde et à travers la loi de Wien on relie facilement ces deux entités à une température. Un rayonnement haute fréquence ou de faible longueur d’onde sera plus énergétique et correspondra à une température (du rayonnement) plus élevé qu’un rayonnement basse fréquence ou de grande longueur d’onde. La matière est caractérisée elle par sa composition, sa structure, sa couleur, son état de surface etc. Tout le monde sait, par exemple, que certaines substances peuvent laisser passer le rayonnement électromagnétique. C’est le cas de la lumière visible qui traverse le verre ou l’atmosphère par ciel clair mais les deux arrêtent les Infrarouges ; en revanche les verres chalcogénures (KCl, NaCl etc.) sont eux, en plus transparents aux IR. La matière peut aussi réfléchir ou dévier le rayonnement électromagnétique sans affecter son caractère ondulatoire ni modifier son énergie comme les métaux polis qui sont réfléchissants dans une large gamme de longueur d’onde et ne s’échauffent pas.

3 Dans la basse troposphère dans ce qu’on appelle la zone aveugle ou obscure, les IR vont dans toutes les directions et c’est sans doute là un des points les plus fondamentaux pour comprendre ce qui nous occupe.

Ces quelques exemples bien connus montrent qu’il ne suffit pas qu’un paquet d’onde soit dirigé vers une surface pour que celle-ci soit obligatoirement chauffée par cet « éclairage ».

Regardons maintenant ce qui se passe pour la terre. Elle est éclairée par le soleil avec un rayonnement correspondant à l’émission d’un corps noir de température d’ environ 5500°C, donc rayonnant principalement dans l’UV et le visible centré sur une

longueur d’onde de 0.5 µm (surface jaune de la figure). La terre absorbe les rayonnements à hautes fréquences (faibles longueurs d’ondes) sans émettre à son tour de rayonnement dans le même domaine (le rayonnement émis par la terre apparaît en rouge sur la figure et les deux spectres se recouvrent très peu). Il est évident qu’alors ce rayonnement haute fréquence (jaune) est absorbé et dissipé en énergie calorifique incohérente. Plus précisément, en interagissant avec le sol ou l’océan, l’aspect particulaire de la lumière solaire prend le pas sur l’aspect ondulatoire. Ce sont alors les photons qui interagissent avec la matière de telle sorte que l'énergie électromagnétique est transformée en agitation particulaire : la conservation de la quantité de mouvement du système lors de la collision se traduit par l’augmentation de la vitesse de la particule réceptrice et au niveau macroscopique par une augmentation de la température. Il est donc clair que quand le rayonnement incident possède une fréquence (et une température) plus élevée que l’objet éclairé alors l'énergie électromagnétique est bien transformée en chaleur.

Voyons maintenant ce qui se passe quand la température du rayonnement incident est égale à la température de l’objet éclairé. L’absorption sous forme d’agitation particulaire, si elle existe encore, ne peut plus se traduire par une augmentation de température puisqu’il y a égalité des vitesses. C’est ce qu’on peut dériver de l’équation de Planck mais c’est aussi ce que prévoient les lois de transfert radiatif des modèles classiques d’effet de serre radiatif (l’équation de Schwarzschild etc.) comme cela est montré par le Laboratoire de Météorologie Dynamique de l’ENS (LMD) -voir mon livre1) et plus simplement les lois de conservation de la quantité de mouvement. Pour une température du rayonnement incident inférieure, on devrait s’attendre à un refroidissement si on reste sur un mécanisme particulaire. L’agitation thermique des particules chaudes et rapides ne peuvent être transmise qu’aux particules froides et en aucun cas l’inverse. Mais on voit sur la figure que pour le cas (T incident<Tobjet), on se trouve dans le domaine correspondant à (ou après) la surface rouge dans le système Soleil/Terre pour lequel l’aspect ondulatoire reprend totalement la préséance sur l’aspect particulaire. Il est donc probable que non seulement il n’y ait pas alors

« réduction » de l’onde en corpuscule mais que de plus le rayonnement incident subisse simplement une diffusion Rayleigh, de Lorentz-Mie ou de Thomson dans laquelle la direction de propagation de l'onde électromagnétique associée au photon change sans diminution de l'énergie. On a alors une rétrodiffusion où tous les rayonnements absorbés sont (ré-)émis pour laquelle il est logique de ne pas observer de dissipation d’énergie. Avec ce schéma purement ondulatoire si le rayonnement incident a une température plus faible que l’objet sur lequel il tombe, il n’y aura donc jamais de chauffage de la matière. Et dans le cas où l’émission consécutive à l’interaction du RI venant de l’espace est renforcée par résonance, comme dans l’amplification résonante d’un instrument à corde, on pourra même envisager un refroidissement.

Que l’on considère l’aspect ondulatoire ou corpusculaire, on ne peut donc jamais envisager de réchauffement si la température du rayonnement incident est plus basse que la température de l’objet éclairé.

Finalement description du phénomène et équations s’accordent et permettent d’affirmer qu’ un corps noir est chauffé uniquement par les fréquences qu’il ne peut pas émettre et doit alors stocker l’énergie correspondante sous forme de chaleur. Autrement dit la chaleur radiative peut être transmise par des ondes électromagnétiques à partir d’un corps noir chaud vers un corps noir froid mais en aucun cas d’un froid vers un chaud. Il n’existe donc qu’une seule direction de l’énergie calorifique radiative bien que les ondes électromagnétiques se propagent dans les deux directions. Il s’en suit qu’une surface terrestre peut chauffer une couche atmosphérique froide mais une atmosphère froide ne peut pas chauffer la surface chaude de la terre. Les échanges radiatifs respectent ainsi (aussi) le deuxième principe de la thermodynamique ce qui est rassurant !!

La théorie de l’effet de serre défendue par le GIEC et sur laquelle repose l’alarmisme dont on nous rebat les oreilles est donc caduque et « les mathématiques de l’effet de serre de Fourier-Tyndall-Arrhenius sont non fondée. A la défense de ces derniers, on peut cependant dire qu’il ne pouvait pas avoir connaissance des travaux de Planck, ni de la dualité onde-corpuscule de la lumière.

Réponses aux objections

Il y aura certainement des réactions à ce papier et on évoquera probablement des faits comme la température de surface de la terre qui devrait être plus froide en l’absence d’effet de serre ou comme les différences de températures nocturnes en air sec et humide etc. On peut soit facilement montrer que l’effet de serre n’est pas nécessaire pour expliquer ces observations soit mon livre répond déjà à certains de ces arguments. Je ne répondrai donc par avance qu’à celui qui concerne directement le chauffage de la matière par des rayonnements basses fréquences et qui est exprimé dans la question : « Vous dites qu’un spectre de rayonnements de basse fréquence ou de grande longueur d’onde issus d’une source froide ne peut pas chauffer un objet dont la température est plus élevée, comment alors expliquez-vous que j’arrive à chauffer mes aliments à l’aide d’un four à micro-onde ? »

Réponse : D’abord il faut savoir que la molécule d’eau est une des seules molécules à réagir avec ce type d ‘onde. Il faut savoir aussi qu’il faut impérativement

pour que le phénomène se produise que le rayonnement soit (pratiquement) monochromatique (correspondant à une seule fréquence) et que cette fréquence soit supérieure à 1GHz. Cela confirme ce que j’ai dit plus haut : il ne suffit pas qu’un paquet d’onde soit dirigé vers une surface pour que celle-ci soit obligatoirement chauffée. Le GIEC et les auteurs de ses rapports auraient donc dû se poser sérieusement la question à propos de l’interaction réelle du rayonnement émis par la troposphère avec la surface de notre planète plus chaude !

Mais n’esquivons pas l’objection et interrogeons-nous sur le mécanisme qui permet de chauffer l’eau contenue dans les aliments. Il est lié au fait que les charges électriques négatives et positives d’une molécule d’eau ne sont pas confondues (Les deux atomes d'hydrogène, posés sur celui d'oxygène, forment un pôle positif tandis que les électrons sont situés de l'autre côté).. Il s’en suit que lorsque les molécules d'eau d'un aliment sont soumises à un champ électrique continu, les pôles positifs des molécules d'eau s'orientent en direction de ce dernier ; soumises à un flux de micro-ondes ( bien centrées sur une seule fréquence4), ces molécules d'eau s'orientent en direction du champ électrique qui compose ces ondes. Ce champ étant oscillant, les pôles tournent alternativement perpendiculairement à l'axe de symétrie de la molécule. Au-dessus de 1 GHz, l'oscillation de l'eau a du mal à suivre l'oscillation du champ électrique (pour la fréquence de 2.5 GHz qui est proche de celle d’un four, les molécules s'agitent alors 2,5 milliards de fois par seconde ) et un déphasage apparaît entre les orientations respectives de ce champ et de la molécule d'eau. Il en résulte ce que l'on appelle la « relaxation » des molécules d'eau qui provoque de nombreux frottements entre elles et crée un dégagement de chaleur.

Une fréquence plus faible fait tout autant osciller les molécules d'eau mais il n'y a pas de transfert ni d'absorption de l'énergie des ondes dans l'aliment et donc de dégagement de chaleur. L'onde traverse l'aliment sans le réchauffer, puisque les molécules oscillent librement, permettant une conservation du champ électrique dans la matière sans causer de perte diélectrique.

On le voit ce n’est donc pas un phénomène d’absorption résultant de l’ « échange » de quantité de mouvement entre particules qui provoque le chauffage par microonde. Cela ressemble à l’action d’un aimant (champ magnétique) sur de la matière. Si celle-ci n’est pas magnétique comme un morceau de bois par exemple, j’aurais beau agité mon aimant il ne bougera pas. En revanche, si la matière (morceau de fer) est magnétique, j’arriverai à la déplacer en déplaçant mon aimant ; le frottement de cet aimant sur la paroi pourra provoquer un transfert de chaleur.

C’est donc une action indirecte avec dépenses d’énergie correspondant à des conditions très particulières de la matière et du rayonnement qui permettent le chauffage de l’eau ou d’aliment qui en contient.

J’espère ne pas me tromper en disant que la rétrodiffusion des IR de la troposphère et le four à micro-onde illustre à leur manière l’énoncé fait par Clausius du deuxième principe de la thermodynamique cité par Bruhat: « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou n’a jamais lieu sans compensation. »

4 Si on a à faire à un spectre de rayonnement assez étendu, le champ électrique de chaque fréquence seront en décalage de phase et le champ résultant va fortement s’atténuer ou s’annuler.