Effet d'atmosphère

Un schéma définitif de représentation de l'atmosphère
et de ses conséquences sur la température au sol

Par le Comité de Chercheurs de Terre & Climat, 17 avril 2024, révisé 20 oct 2024

La température de surface de la Terre, dans les premiers mètres d'atmosphère, n'est pas règlée uniquement par l'ensoleillement auquel s'ajoute un "effet de serre".

D'une part, l'effet de serre s'amortit, c'est à dire que au-dessus d'une certaine valeur de la teneur en CO2 l'échauffement supplémentaire s'affaiblit très vite. Cette valeur significative (déjà atteinte il y a plusieurs centaines de milliers d'années) se situe autour de 200 ppm qui produit un effet thermique dans l'atmosphère à la surface terrestre de +14°C. Elle a été déterminée par le programmes de calcul radiatif MODTRAN3 qui s'appuie sur des études spectroscopiques à l'aide des données physiques de la base internationale de données HITRAN. Ceci signifie que les valeurs de CO2 supérieures à 200 ppm produisent de moins en moins d'échauffement supplémentaire. Cet échauffement n'est d'ailleurs pas à proprement parlé un "effet de serre" puisque l'interception par le CO2 du rayonnement infrarouge terrestre se traduit dans l'atmosphère par une "thermalisation", une homogénéisation localisée des propriétés physiques. C'est à dire qu'il n'y a pas de "rétrorayonnement" des molécules de CO2 absorbantes d'infrarouges suivant un modèle fantaisiste de "couches successives"  comme certains l'ont naïvement décrit, et qui circule abondamment dans les médias. C'est un échauffement de toute la masse atmosphérique, oxygène, azote et argon compris, par chocs moléculaires et agitation moléculaire, qui produit une "Back radiation" vers la surface terrestre mais toutefois en fonction de la densité moléculaire, c'est à dire de la pression et de l'altitude (plus bas ; plus radiant). Cet effet d'irradiance vers le bas est quasi nul à l'altitude de 10 km. L'autre part de la radiation isotrope atmosphérique s'exprime vers l'espace et contribue à la régulation thermique de la Terre. Ainsi, l'apport thermique au niveau de la surface terrestre a été calculé à +16,45°C pour le CO2 à la teneur actuelle de 420 ppm (en volume) pour un taux d'humidité (vapeur d'eau) de 80%. Deux gaz qui sont présents dans l'air suivant les données atmosphériques standard et qui conduisent à un réchauffement total qui est de + 31,1°C. L'apport thermique dû à la vapeur d'eau n'est pas strictement additif du fait de la superposition partielle des spectres infrarouges CO2 et H2O. On peut toutefois considèrer l'apport thermique de la vapeur d'eau naturelle, sur laquelle nous n'avons aucune influence possible, à 14,65°C.

Abaque de l'influence CO2 / % humidité en W/m2 à la surface  

Spectres infrarouges de l'atmosphère et transmittance du CO2

Par ailleurs, on peut inférer que par le cycle de l'eau, l'enthalpie des évaporations de surface retire quelques degrés au niveau du sol. En l'état des connaissances, ce point reste imprécis et, de par sa variabilité et son aspect local, il opère entre météorologie et climatologie.

Le CO2 est radiativement et thermiquement actif mais un supplément de teneur a de moins en moins d'action

L'apport thermique d'une augmentation du CO2 dans l'atmosphère, sans réduire du tout les émissions humaines, à partir du taux actuel jusqu'au taux très important de 500 ppm qui prendra des dizaines d'années avant d'être atteint serait de +0,59°C. Ceci n'a rien de catastrophique lorsqu'on constate qu'entre le Nord et le Sud de la France, la différence de température moyenne naturelle est de 6°C. Entre hiver et été au centre de la France, la température peut varier de 30°C.

Cette potentielle augmentation modérée de 0,59°C de la surface terrestre déterminée par le simulateur MODTRAN s'appuie sur les spectres moléculaires et un algorithme ligne par ligne (LBL) qui dépend des paramètres qui ont été attribués au programme (FORTRAN) et à un état de rayonnement solaire standard. Ce simulateur semble fiable et sa souplesse d'utilisation est grande mais il n'est pas une vérité absolue en soi. Notamment, étant purement radiatif, ce modèle ne tient pas compte des mouvements naturels de convection de l'air ni du refroidissement dû à l'évaporation de surface. Il est très probablement pessimiste.
Toute recherche sur l'influence climatique du CO2 ne peut ignorer d'autres approches qui pourraient conduirent à recouper, modifier ou rectifier les prévisions. Les mesures sont réelles, le futur est incertain.

A haute altitude, à pression plus faible, les phénomènes de radiations infrarouges de CO2 et H2O s'expriment vers l'espace et s'ajoutent aux radiations infrarouges non absorbées issues de la surface.
L'équilibre thermique terrestre avec l'irradiation solaire s'établit.
Il faut noter également que la nature absorbant près de la moitié du CO2 par la végétation et les océans, il n'est pas exclu qu'un simple ralentissement des émissions humaines se traduise par une inflexion sensible de sa concentration résiduelle et sa répercussion sur la température.

D'autre part, si l'influence de la masse atmosphérique elle-même a parfois été évoquée, elle n'avait jamais été quantifiée du fait de la problématique insoluble d'intégration de toute l'atmosphère. Une approche pragmatique a permis de calculer l'apport thermique de la masse atmosphérique soumise à
la gravité sur la température des premiers mètres d'atmosphère (Article de 2017 / Article de 2024). Cet apport est de 80,7°C et cette approche correspond précisément au gradient thermique adiabatique auquel est soumise l'atmosphère en fonction de l'altitude. Ceci est cohérent avec ce que serait une Terre sans atmosphère, à une température proche de celle de la Lune qui est à la même distance du soleil et dont la température moyenne est estimée proche de  -100°C. La température de la Terre avec une atmosphère inactive, sans effet de serre, qui est très souvent citée à  -18°C (y compris par le GIEC) est irréaliste et ne repose que sur une approche erronée incomplète car purement radiative.

Sans atmosphère et sans eau, la température de surface terrestre serait probablement de l'ordre de moins 100°C dans l'espace.

En conclusion, la climatologie est une science multidisciplinaire complexe qui n'est pas entièrement aboutie et qui reste soumise à des paramètres multiples incomplètement identifiés et mal maîtrisés (non inventoriés ici). Deux tendances viennent perturber une démarche scientifique athentique. En premier; la main-mise d'idéologues peu scientifiques, partisans d'une doctrine anti-capitaliste, qui exploitent les incertitudes pour manipuler les masses avec une propagande alarmiste catastrophiste. En second; la prise de position, non moins fanatique que la première, par des négationnistes à la science insuffisante qui contestent des phénomènes physiques pourtant bien réels. Entre les deux, quelques honnêtes chercheurs, à l'audience faible, constatent que la situation évolutive du climat est réelle mais modérée, en rien catastrophique, ayant quelques inconvénients et parfois même sous certains angles quelques avantages, mais une situation évolutive qui ne justifie pas l'hystérie climatique, économique, politique à l'oeuvre, notamment en Occident.