Re: Une erreur aux conséquences graves dans un des arguments centraux du GIEC

Le 01/08/2024 à 12:34, Paul Aubrin a écrit :

Le 01/08/2024 à 12:19, Olivier@ a écrit :

Ce que vous n'arrivez pas à comprendre, c'est que ces affirmations sont invérifiables, sauf à rédiger une lettre dans la revue où est sorti l'article concerné et appelant une discussion entre scientifiques.

 N'importe quoi, Olivier@. Nikolov et Zeller découvrent qu'une courbe du chapitre 7 de l'AR6 du GIEC a l'air "à l'envers". Ils vérifient dans le dépôt de données du GIEC et confirment que les données ont bien été multipliées par -1. Ils prennent contact avec l'auteur du chapitre 7 d'une façon tout à fait conforme aux procédures du GIEC (qui n'est pas une revue académique revue par les pairs). L'auteur leur confirme l'erreur et l'affaire s'arrête là. Nikolov et Zeller rendent publique l'erreur et la réaction du rédacteur du chapitre du GIEC concerné.
Tout cela suit les procédures normales, excepté l'absence de réaction de l'auteur principal du GIEC.

Nikolov et Zeller ont perçu un problème qui n’était pas réellement là, une divergence qu’ils croyaient présente dans les modèles standards de réchauffement atmosphérique.
Ils ont entrepris de résoudre le problème perçu de manière empirique, à travers un processus d'ajustement de courbe, en ignorant largement la connaissance de la physique.
Ils ont découvert une corrélation entre la température et la pression. Ils ont interprété cette relation comme significative et unique, mais je montre qu'elle n'est ni significative ni unique. Ils ont interprété cette corrélation comme impliquant une causalité, présentant leur formule comme une nouvelle « loi naturelle ». Cependant, cette « loi » est définitivement fausse. Je le démontre en utilisant une logique simple et des principes fondamentaux de la physique.
Les divergences que N&Z croyaient exister dans la théorie standard étaient basées sur un calcul de température erroné qu'ils avaient effectué et sur une incapacité à comprendre comment la recirculation de l'énergie peut augmenter les niveaux de puissance. S'ils avaient eu une bonne conversation avec la bonne personne, ils auraient pu éclaircir ce qui les intrigue depuis des années et se seraient peut-être épargné beaucoup de travail.
Corrélation
La corrélation n’implique pas de causalité.
La formule de N&Z pour la température basée sur la pression est-elle significative et unique ?
Je démontre que la formule de N&Z n'est pas spéciale, en montrant que les formules que j'ai développées, qui dépendent de la quantité de gaz à effet de serre présente, fonctionnent aussi bien que la formule de N&Z pour prédire les températures planétaires.
Lien avec la physique : Conservation de l’énergie
Je parle de la physique qui détermine la température.
Lien avec la physique : hypothèse selon laquelle la pression détermine la température
Je propose un argument simple « global » qui démontre que l'idée selon laquelle la pression provoque un réchauffement des planètes ne peut pas être vraie.
Pour ceux que cela intéresse, j'explique également pourquoi l'existence d'un « taux de décroissance adiabatique » ne signifie pas que les processus adiabatiques peuvent réchauffer une planète.
Lien avec la physique : hypothèse selon laquelle les propriétés radiatives n’affectent pas la température
J’offre un argument simple et global pour démontrer que les principes fondamentaux de la physique disent qu’il doit être vrai que les gaz à effet de serre réchauffent les planètes.
Ce qui a conduit Nikolov et Zeller sur cette voie : l’écart de température
J’identifie l’erreur de N&Z en croyant que l’atmosphère doit être responsable de 90ºC de réchauffement sur Terre, et pas seulement de 33ºC.
Ce qui a conduit Nikolov et Zeller sur cette voie : les niveaux de puissance
J'explique pourquoi il peut être logique que les surfaces de la Terre et de Vénus reçoivent plus de puissance rayonnante du rayonnement arrière des gaz à effet de serre que du Soleil.
Conclusions
ANNEXE : DÉTAILS TECHNIQUES
Détails des formules d'amélioration de la température atmosphérique
Évaluation de l'importance de ces modèles
Une nuance sur les flux d'énergie par rapport aux flux de chaleur
Informations connexes provenant d'autres personnes
Réponses connexes de moi
* * *
1. Corrélation
Le modèle de N&Z propose une formule qui fait correspondre les valeurs de température planétaire (GMAT) que N&Z utilisent pour six corps célestes (Vénus, Terre, Lune, Mars, Titan, Triton) à 1,5ºC près.
Cela démontre une corrélation entre la valeur de leur formule et les températures de ces corps.
C’est un principe largement reconnu que la corrélation n’implique pas la causalité .
Il est facile de trouver d’innombrables exemples de corrélations qui sont purement fortuites, sans aucun lien de cause à effet sous-jacent.[ 2 ][ 3 ][ 4 ][ 5 ]
Voyez par exemple le graphique ci-dessus, qui montre une corrélation étroite entre les revenus des salles d'arcade et le nombre de doctorats en informatique décernés. Il existe une forte corrélation. Mais l'idée de causalité, bien qu'amusante, est finalement peu plausible.
Au mieux, la corrélation peut suggérer la possibilité d'une causalité. Lorsque l'on envisage la possibilité d'un lien de cause à effet, il est important d'examiner à la fois (a) les arguments en faveur de la conviction que la corrélation est statistiquement significative et (b) s'il existe ou non des facteurs sous-jacents qui pourraient justifier ou exclure un lien de cause à effet.
* * *
2. La formule de N&Z pour la température basée sur la pression est-elle significative et unique ?
Formule de N&Z pour calculer la température planétaire (GMAT) à partir de la pression atmosphérique proche de la surface, P. Ils écrivent (p. 17) :
« Notre analyse a révélé que les températures d'équilibre de surface globales des planètes rocheuses dotées d'atmosphères tangibles et d'un réchauffement de surface géothermique négligeable peuvent être estimées de manière fiable sur une large gamme de compositions atmosphériques et de régimes radiatifs en utilisant seulement deux variables de forçage : l'irradiance solaire du sommet de l'atmosphère et la pression atmosphérique totale de surface... l'amélioration thermique atmosphérique relative (RATE) définie comme un rapport entre la température de surface globale réelle de la planète et la température qu'elle aurait eue en l'absence d'atmosphère est entièrement explicable par la seule pression atmosphérique de surface... Dans le même temps, les concentrations de gaz à effet de serre et/ou les pressions partielles n'ont montré aucune relation significative avec les températures de surface sur un large éventail d'environnements planétaires considérés dans notre étude. »
N&Z semblent conclure que (a) la corrélation avec une fonction de pression qu'ils ont découverte offre une adéquation particulièrement bonne aux données de température, et en déduisent en outre que (b) cette corrélation doit impliquer une causalité. Ils concluent que la pression est la cause de la température, ce qui n'est pas le cas des gaz à effet de serre.
Toutes les parties de cette conclusion sont manifestement fausses. Dans cette section, je vais aborder l'erreur consistant à croire que la corrélation qu'ils ont trouvée est significative et unique.
Il y a peu de raisons de croire que la corrélation découverte par N&Z soit aussi significative qu’ils l’imaginent.
Un argument pour ce manque de signification majeure est le suivant. N&Z a supposé une forme fonctionnelle particulière avec 4 paramètres réglables (coefficients de régression), a essayé d'ajuster la courbe en utilisant cette forme fonctionnelle avec une variété de variables et a trouvé une variable et un ensemble de paramètres qui ont fait un bon travail d'ajustement de 6 points de données. Cependant, l'un de ces points de données (la Lune) avait été arrangé pour être bien ajusté par le modèle presque indépendamment des valeurs de paramètres choisies. Ainsi, N&Z n'ajustaient en fait que 5 points de données. Et, pour la variable particulière qu'ils ont fini par sélectionner, deux points de données (la Terre et Titan) ont fini par être presque indiscernables. Ainsi, pour obtenir un bon ajustement, ils n'avaient essentiellement besoin que d'ajuster leur modèle à 4 paramètres pour ajuster 4 points de données. Comme ils ont choisi une forme fonctionnelle qui ne peut pas se conformer à tous les modèles de données, il n'était pas automatique qu'ils y parviennent. Mais trouver un bon ajustement n'était pas non plus un miracle, ni même très surprenant.
Comme l'illustrent les exemples de corrélations fallacieuses mentionnés précédemment, il n'est pas du tout rare de tomber sur des choses qui semblent s'aligner, même si c'est purement le fruit du hasard.
Je peux affirmer que ce que N&Z a découvert n’était qu’une coïncidence, et j’applique dans l’annexe un test statistique qui étaye cette conclusion. Pourtant, vous ne me croyez peut-être toujours pas.
Alors, démontrons qu’il existe plus d’une façon d’avoir de la chance en « prédisant » les températures planétaires.
N&Z ont essayé de faire fonctionner une version de leur modèle en utilisant des données sur les gaz à effet de serre au lieu de données sur la pression. Mais cela n'a pas fonctionné. Leurs tentatives d'ajustement de courbe ont utilisé une forme fonctionnelle particulière. Pourtant, il n'y a aucune raison de croire que la forme fonctionnelle choisie par la Nouvelle-Zélande soit la seule façon dont la nature pourrait fonctionner.
J’ai donc essayé une forme fonctionnelle différente et je l’ai utilisée pour voir si je pouvais faire correspondre les températures planétaires en utilisant des mesures de la quantité de gaz à effet de serre présents.
J'ai utilisé les données fournies dans le document 2017 de N&Z.
Après seulement quelques heures d'expérimentation, j'ai pu élaborer quelques formules étroitement liées, chacune d'entre elles « prédisant » les températures planétaires aussi bien que la formule de N&Z. Mes formules fonctionnent en considérant les trois gaz à effet de serre CO₂, CH₄ et H₂O individuellement, plutôt qu'en les regroupant comme l'avaient fait N&Z.
Regardons les résultats.
Comme N&Z, je me concentre sur la température de la surface planétaire, T, par rapport à la température qui serait prédite (par N&Z) s'il n'y avait pas d'atmosphère, Tₙₐ.
Le graphique ci-dessus montre les données de température réelles, les résultats du modèle à 4 paramètres de N&Z basé sur la pression et les résultats de 3 variantes de mon modèle basées sur les quantités de divers gaz à effet de serre. Le modèle GH6 a 6 paramètres réglables (coefficients de régression). Les modèles GH4a et GH4b n'ont chacun que 4 paramètres réglables, comme le modèle de NZ.
Tout comme le choix des fonctions de N&Z, la forme fonctionnelle que j'ai utilisée est quelque peu « rigide » de sorte qu'elle ne peut pas s'adapter automatiquement à n'importe quel ensemble de données.
(Notez qu'il y a tout lieu de croire que la physique sous-jacente aurait besoin d'un certain nombre de paramètres par type de gaz pour décrire comment chaque gaz affecte les choses. Ainsi, réduire le nombre de paramètres à 4 paramètres au total concernant 3 gaz distincts simplifie sûrement énormément la physique. Mais je voulais prouver quelque chose en utilisant aussi peu de paramètres que N&Z.)
Les détails de chaque modèle sont fournis vers la fin de cet essai, dans l’annexe.
Dans la figure ci-dessus, tous les modèles semblent correspondre assez bien aux données. Les exceptions sont les modèles GH4a et GH4b qui sont un peu décalés pour Triton, et le modèle NZ4 qui est un peu décalé pour Titan.
Nous pouvons voir plus clairement la précision des modèles en traçant les erreurs résiduelles.
Dans le graphique ci-dessus, j'ai normalisé les erreurs résiduelles (différence entre la prédiction du modèle et la valeur observée) par rapport à l'incertitude (écart type) de la valeur observée.
J’ai utilisé les valeurs d’incertitude proposées par N&Z. Mais notez que je pense que N&Z ont considérablement sous-estimé certaines des incertitudes réelles dans leurs données. Ils écrivent à plusieurs reprises des choses comme « il n’y a pas de valeur de consensus » et proposent ensuite une valeur pour laquelle ils attribuent une incertitude à peine plus grande que l’incertitude d’un organisme pour lequel nous avons un consensus et beaucoup plus de données. Veuillez donc prendre les valeurs d’incertitude avec un gros « grain de sel ».
En examinant les erreurs résiduelles dans le graphique, nous voyons que les trois modèles impliquant des gaz à effet de serre ont des erreurs beaucoup plus petites que le modèle basé sur la pression de N&Z, pour 4 des 6 corps célestes. Le modèle GH6 à 6 paramètres a des erreurs beaucoup plus petites que le modèle de NZ pour 5 des 6 corps célestes (c'est-à-dire pour chaque corps ayant une atmosphère non négligeable).
Dans l’ensemble, tous les modèles correspondent très bien aux températures observées.
* * *
Qu'est-ce que cela signifie?
Cela démontre que la formule découverte par N&Z ne constitue pas une corrélation particulièrement bonne avec les températures planétaires.
Cela démontre en outre qu’une corrélation comparable peut être obtenue en utilisant des formules qui s’appuient sur des mesures des gaz à effet de serre , plutôt que sur la pression globale.
* * *
Alors, laquelle de ces formules reflète selon moi la réalité de la manière dont les températures planétaires sont déterminées ?
Aucune d'entre elles. Il s'agit presque certainement de simples corrélations fortuites.
La véritable physique qui détermine les températures planétaires est connue, et elle est plus complexe que ce que pourraient représenter de manière plausible des formules aussi simples.
(Entre autres choses, les différents corps célestes sont à des températures très différentes, de sorte que les bandes d'absorption d'un gaz à effet de serre donné qui interagissent avec le rayonnement thermique sont susceptibles d'être différentes pour différents corps. Par conséquent, il y a peu de raisons de s'attendre à ce que l'effet d'un gaz donné soit numériquement similaire pour différents corps. Une autre complication est que le calcul des températures en l'absence d'atmosphère par N&Z semble être erroné, comme indiqué dans la section 6 de cette réponse ; cela jette un doute sur la signification de tout calcul de « l'augmentation de la température atmosphérique » par rapport aux résultats de ce calcul.)
Ce que nous pouvons dire avec certitude, si nous examinons la physique, c'est que la pression à elle seule n'augmente pas et ne peut pas augmenter les températures planétaires , et que les gaz à effet de serre peuvent augmenter et augmentent effectivement les températures. Je justifierai ces affirmations dans ce qui suit.
* * *
3. Lien avec la physique : Conservation de l'énergie
N&Z semble croire que la capacité des gaz à effet de serre à réchauffer les planètes n’est qu’une « hypothèse » non prouvée. Ils écrivent (p. 16) :
« L’hypothèse selon laquelle une atmosphère librement convective pourrait retenir (piéger) la chaleur radiante en raison de son opacité est restée incontestée depuis son introduction au début des années 1800, même si elle était basée sur une conjecture théorique qui n’a jamais été prouvée expérimentalement. »
Une telle position semble être courante parmi les personnes qui nient la possibilité d’un réchauffement climatique anthropique.
Mais une telle position n’est soutenable que si l’on refuse obstinément de réfléchir clairement à la conservation de l’énergie et à la relation entre l’énergie et la température.
Qu'est-ce qui détermine la température d'un objet ?
Considérons un objet dont la température, T
 , doit être déterminé. L'énergie circule dans l'objet à un rythme P
je
n
 (énergie/temps) et quitte l'objet à un rythme P
je
n
=
P
ou
toi
t
 À l’équilibre, il doit en être ainsi : P
ou
toi
t
 Si l’énergie entrante et l’énergie sortante ne sont pas les mêmes, alors par conservation de l’énergie, le contenu énergétique total de l’objet changera et l’objet ne sera pas dans un « état stable ».
La manière dont l'équilibre est atteint, dans lequel la puissance absorbée est égale à la puissance dissipée, est une conséquence de la manière dont le contenu en énergie thermique affecte la température, qui à son tour affecte les flux d'énergie. Une énergie totale plus importante signifie généralement une température plus élevée. (L'exception est lorsqu'un mécanisme stocke de l'énergie de manière non thermique. Mais cette exception n'est pas pertinente si l'énergie stockée est en régime permanent, car dans ce cas, le stockage d'énergie non thermique n'affecte pas le flux net d'énergie thermique.)
Un objet plus chaud perd plus d'énergie, sous forme de flux de chaleur (que ce soit par rayonnement, conduction, convection ou flux de chaleur latente). La température de l'objet s'ajuste jusqu'à atteindre un point où P
je
n
=
P
ou
toi
t
 et c'est ce qui fixe la température de l'objet.
Ainsi, l’équilibre des flux de puissance est ce qui détermine fondamentalement la température.
(Détails qui n'intéressent que certaines personnes : si un objet n'a pas une température unique et uniforme, cela ajoute quelques complications. Les personnes qui nient la réalité du réchauffement planétaire dû à l'absorption et à la réémission du rayonnement à ondes longues sont parfois obsédées par ces complications, comme si cela pouvait leur offrir un moyen de « sortir » de la conclusion qu'elles souhaitent éviter. Mais ces complications ne changent pas la situation dans son ensemble. L'équilibre des flux de chaleur détermine les températures. Et il peut être très instructif d'examiner les situations où il existe une température unique et uniforme dans un objet, car, dans de tels cas, il devient manifestement évident que le type d'effets de réchauffement (que certaines personnes soupçonnent de ne pas être réels) doit, en fait, être réel.)
En général, le suivi des flux d'énergie peut être compliqué. Mais il existe aussi des moyens de le rendre assez simple.
En ce qui concerne les températures planétaires, il existe deux endroits où il est relativement simple d’observer les flux d’énergie :
À l'interface entre la surface de la planète et l'atmosphère.
A l'interface entre l'atmosphère et l'espace.
Si l’on considère le bilan énergétique à l’une ou l’autre de ces interfaces, il apparaît clairement que les gaz à effet de serre doivent entraîner une augmentation des températures planétaires.
Il ne s’agit pas simplement d’une « hypothèse » ou d’une « conjecture ». Cela découle directement de la physique fondamentale impliquée, y compris la conservation de l’énergie et la façon dont le contenu énergétique affecte la température, qui affecte les flux d’énergie.
Je l'expliquerai en détail dans les sections suivantes (en particulier la section 5).
* * *
4. Lien avec la physique : hypothèse selon laquelle la pression détermine la température
N&Z semblent émettre l’hypothèse que ce qu’ils ont découvert n’est pas seulement une corrélation, mais un véritable phénomène physique dans lequel la pression est responsable du réchauffement planétaire. Ils écrivent (p. 12) :
« L’augmentation thermique induite par la pression au niveau planétaire, représentée dans [un graphique du modèle par rapport aux températures réelles] et quantifiée avec précision par [la formule du modèle], est analogue à un réchauffement par compression, mais pas totalement identique à un processus adiabatique. Ce dernier est généralement caractérisé par une durée limitée et ne s’applique souvent qu’à des particules d’air de taille finie se déplaçant verticalement dans l’atmosphère. [Le modèle d’augmentation de température via la pression], en revanche, décrit un effet thermique de surface qui est de portée mondiale et de nature permanente tant qu’une masse atmosphérique est présente dans le champ gravitationnel de la planète. Par conséquent, le TAUX planétaire [« augmentation thermique atmosphérique relative »] pourrait être compris comme le résultat net d’innombrables processus adiabatiques simultanés fonctionnant en continu dans l’atmosphère libre... [Le modèle] décrit une propriété émergente au niveau macro des atmosphères planétaires représentant le résultat net d’une myriade d’interactions de processus au sein de systèmes climatiques réels. »
Je pourrais paraphraser cela comme suit :
Il est connu que la compression adiabatique des gaz entraîne un réchauffement. Mais il ne s'agit là que d'un effet temporaire et localisé. Nous émettons l'hypothèse que bon nombre de ces effets temporaires pourraient se produire de manière à aboutir à un réchauffement global permanent.
Malheureusement, il est fondamentalement impossible que cette hypothèse soit vraie. Ce que l'on suppose serait une sorte de machine à mouvement perpétuel, qui produirait de la chaleur à partir de rien.
Nous pouvons le constater soit à un niveau « global », soit en considérant les mécanismes spécifiques que N&Z émettent comme hypothèse.
* * *
Pour avoir une vue d’ensemble, supposons que ce que dit N&Z soit vrai : qu’une atmosphère sans aucun gaz à effet de serre réchaufferait une planète.
Supposons que notre planète n’ait initialement pas d’atmosphère et qu’elle ait une température T
n
un
 . La surface de la planète reçoit de l'énergie du Soleil, P
je
n
 . Ceci est équilibré par l'énergie rayonnée dans l'espace avec puissance P
ou
toi
t
 , où P
ou
toi
t
=
P
je
n
 . Nous ajoutons maintenant une atmosphère transparente au rayonnement électromagnétique et laissons la situation parvenir à un nouvel équilibre. Si l'hypothèse de N&Z selon laquelle la pression réchauffe les planètes est vraie, la température augmente jusqu'à une nouvelle température d'état stable T

>

T
n
un
 . Mais, selon la loi de Stefan-Botzmann, la puissance rayonnée est proportionnelle à ε
σ
T
4
 . Donc, la puissance rayonnée par la surface a augmenté. Comme l'atmosphère est supposée transparente au rayonnement thermique, tout ce qui a été rayonné par la surface atteindra l'espace, donc P
ou
toi
t
 sera plus grand qu'il ne l'était. Maintenant, P
ou
toi
t

>

P
je
n
 Cela signifie que le système n'est pas en équilibre et T
 La température de la planète n'est pas celle à l'état stationnaire. Le déséquilibre des flux d'énergie provoquera un refroidissement de la surface de la planète, ce qui contredit l'hypothèse selon laquelle l'atmosphère aurait créé une nouvelle température plus élevée et à l'état stationnaire pour la surface de la planète.[ 6 ]
La seule façon de contourner cette logique est que l'atmosphère crée spontanément de l'énergie à partir de rien et utilise cette énergie à partir de rien pour augmenter le flux d'énergie. P
je
n
 à la surface. Cependant, les économies d'énergie excluent cette possibilité.
Par conséquent, une atmosphère sans gaz à effet de serre ne peut pas réchauffer une planète.
En fait, c'est un peu pire que ça. Une atmosphère transparente au rayonnement ne modifiera pas les flux d'énergie radiative. Mais elle introduira des flux de chaleur supplémentaires loin de la surface. En particulier, la convection et éventuellement le flux de chaleur latente (provenant de l'évaporation de composés volatils) augmenteront. P
ou
toi
t
 de la surface planétaire. Par conséquent, une atmosphère transparente au rayonnement thermique aura tendance à refroidir (au moins légèrement) la surface planétaire.
* * *
Ceux pour qui l’explication globale était suffisante pourraient vouloir passer à la section suivante (sur les « Propriétés radiatives »).
Nous pouvons également constater la non-viabilité de l’hypothèse selon laquelle la pression provoque un réchauffement en examinant le type de processus atmosphériques qui, selon N&Z, pourraient conduire au réchauffement.
Bien que les processus adiabatiques associés à la convection produisent effectivement un réchauffement et un refroidissement localisés, l'effet de réchauffement net dans l'atmosphère dans son ensemble est nul. Il existe deux manières équivalentes de voir que cela doit être vrai :
Lorsque des paquets d'air se déplacent vers le bas dans l'atmosphère, ils se compriment et se réchauffent. Lorsque des paquets d'air se déplacent vers le haut dans l'atmosphère, ils se dilatent et se refroidissent. Cependant, la quantité d'air se déplaçant vers le bas et vers le haut est toujours exactement égale , de sorte qu'aucune chaleur nette n'est ajoutée à l'atmosphère.
Le refroidissement et le réchauffement adiabatiques de l'air à mesure qu'il change d'altitude peuvent être considérés comme un compromis entre l'énergie potentielle gravitationnelle et l'énergie thermique. Lorsque l'énergie potentielle gravitationnelle diminue, la chaleur augmente, et vice versa. Si nous examinons l'énergie potentielle gravitationnelle de l'atmosphère dans son ensemble, nous savons que l'énergie potentielle gravitationnelle totale ne change pas puisque le profil de masse totale et de densité par rapport à l'altitude de l'atmosphère est stable. Par conséquent, par conservation de l'énergie, il ne peut y avoir de réchauffement net de l'atmosphère par des processus adiabatiques. (Même si le profil de masse ou de densité atmosphérique changeait, cela produirait au plus un effet transitoire, et non une infusion continue d'énergie.)
Ainsi, les processus adiabatiques (associés à la convection) n’ajoutent aucune énergie nette ni chaleur nette au système.
Mais qu’en est-il du « taux de chute adiabatique » ?[ 7 ]Nous savons, après tout, que les processus adiabatiques conduisent à une atmosphère plus chaude à basse altitude et plus froide à haute altitude (dans la partie de l’atmosphère où le mélange convectif est fort).
Cela ne prouve-t-il pas que les processus adiabatiques peuvent affecter la température ?
Oui et non. Les processus adiabatiques affectent la température relative (à différentes altitudes) , mais pas la température absolue (globale).
Dans la troposphère (la partie inférieure de l'atmosphère où la convection est active), les flux d'air ascendants et descendants subissent un refroidissement et un réchauffement adiabatiques qui contribuent à établir un taux particulier de changement de température en fonction de l'altitude dans l'atmosphère, c'est-à-dire qu'ils affectent le taux de décroissance.
Cependant, ces processus ne déterminent pas la température absolue. La surface de la planète pourrait se refroidir ou se réchauffer de 2 °C, et tout ce qui se trouve dans la troposphère pourrait également se refroidir ou se réchauffer d'environ 2 °C. Le gradient thermique ne détermine que les températures relatives à différentes altitudes, et non la température de base. Le réchauffement et le refroidissement adiabatiques ne peuvent pas affecter la température de base, car ces processus ne produisent pas de chaleur nette au total.
En particulier, le réchauffement et le refroidissement adiabatiques sont globalement associés à un transfert thermique net nul vers la surface planétaire (à l’exception du transfert de chaleur convectif associé depuis la surface, qui refroidit la surface au lieu de la réchauffer). Les processus adiabatiques peuvent transférer la chaleur entre différentes parties de la surface, transférant efficacement la chaleur des endroits à haute altitude comme les montagnes vers des endroits à basse altitude comme les vallées. Mais ces effets s’équilibrent à l’échelle mondiale.
La température de la surface d'une planète est, selon les premiers principes, déterminée par la température à laquelle l'énergie reçue et l'énergie quittant cette surface sont en équilibre. Les processus adiabatiques ne fournissent aucune énergie thermique nette pour chauffer la surface, et la convection associée refroidit la surface.
N&Z suggèrent également (p. 13) :
« La pression en tant que force par unité de surface a un impact direct sur l'énergie cinétique interne et la température d'un système conformément aux principes thermodynamiques déduits de la loi des gaz ; par conséquent, la pression atmosphérique pourrait être le véritable facteur causal physique contrôlant la température de surface d'une planète… »
La loi des gaz parfaits spécifie une relation entre la pression, le volume, la quantité de gaz et la température.[ 8 ]La loi des gaz ne signifie pas que la pression « cause » la température. Pour une pression donnée, un gaz peut avoir n’importe quelle température. La loi des gaz nous dit que la pression n’affecte la température que dans la mesure où les changements de pression peuvent modifier la température , comme lors d’une expansion ou d’une compression adiabatique. Pourtant, nous avons déjà établi que le refroidissement et le réchauffement adiabatiques n’introduisent pas de chaleur nette à l’échelle mondiale. Ainsi, invoquer la loi des gaz n’ajoute rien à la plausibilité de la pression déterminant les températures planétaires.
L’idée selon laquelle la pression atmosphérique pourrait augmenter la température planétaire est incompatible avec la conservation de l’énergie. Cette hypothèse nécessiterait que de l’énergie apparaisse de nulle part de manière continue.
* * *
5. Lien avec la physique : hypothèse selon laquelle les propriétés radiatives n'affectent pas la température
N&Z émettent l'hypothèse que la corrélation qu'ils ont trouvée signifie que les caractéristiques d'absorption et d'émission de rayonnement de l'atmosphère n'affectent pas la température d'une planète. Ils écrivent (p. 13) :
« La pression atmosphérique pourrait être le véritable facteur causal physique qui contrôle la température de surface d'une planète plutôt que la profondeur optique infrarouge atmosphérique, qui n'est en corrélation qu'avec la température en raison de sa co-dépendance avec la pression. Sur la base des preuves évoquées précédemment, nous pensons que [c'est] la raison la plus probable de la faible capacité prédictive des gaz à effet de serre par rapport aux GMAT planétaires [températures moyennes annuelles globales proches de la surface] révélées dans notre étude. »
N&Z avancent quelques raisons philosophiques vagues (liées à l'analyse dimensionnelle et à l'importance de la pression) pour lesquelles ils trouvent cette hypothèse plausible. Le raisonnement philosophique peut parfois être utile pour faire le tri dans la science. Mais il est souvent peu fiable. Personnellement, je ne trouve pas le raisonnement philosophique de N&Z convaincant.
La principale affirmation de N&Z concerne leur affirmation selon laquelle les modèles climatiques ne tiennent pas correctement compte de l'interaction des différentes formes de transport de chaleur dans la basse atmosphère (c'est-à-dire la troposphère). Ils soutiennent que les effets de la convection dominent ici les autres formes de transport de chaleur, de sorte que (p. 14) :
« Un système convectif-radiatif correctement couplé rendra la température de surface insensible aux variations de la profondeur optique infrarouge atmosphérique »
Cet argument fait référence à une part de vérité, mais aboutit à une fausse conclusion.
La convection et le flux de chaleur latente (évaporation, transport de vapeur et condensation) sont des aspects très importants du flux de chaleur dans la troposphère. À l'interface entre la surface et l'atmosphère, ces effets sont importants, mais le rayonnement n'est pas négligeable. Les estimations quantitatives que j'ai vues suggèrent que pour le flux de chaleur provenant de la surface de la Terre, 52 % sont des flux de chaleur latente (évaporation, transport de vapeur, condensation), 33 % sont des flux de chaleur radiative nette et 15 % sont des flux de chaleur sensible (mouvement convectif de l'air chaud).
Mais ce n'est pas tout. Dans la stratosphère, il existe une inversion de température qui empêche la convection. Une telle inversion de température dans la haute atmosphère est typique des planètes dotées d'atmosphères.[ 9 ]L’absence de convection dans cette région élimine en grande partie le flux de chaleur sensible et réduit considérablement le flux de chaleur latente (puisque la convection est un mécanisme important de transport de vapeur d’eau).
Le transport de chaleur radiative devient beaucoup plus important que le transport de chaleur dans la haute atmosphère. De plus, l'efficacité avec laquelle la chaleur circule dans la haute atmosphère et vers l'espace affecte la température de la basse atmosphère et de la surface planétaire.
Il est pourtant très facile de se perdre dans les détails. Un raisonnement qualitatif sur ces détails et leurs implications ne peut guère conduire à des conclusions précises. Existe-t-il un moyen « global » de contourner tous ces détails pour établir si l’absorption et la réémission du rayonnement à ondes longues sont importantes ou non pour déterminer la température mondiale ? Je crois que oui.
Considérons le bilan énergétique à l’interface entre l’atmosphère et l’espace.
Le graphique ci-dessous montre le spectre du rayonnement à ondes longues quittant la Terre tel que mesuré au-dessus de l'atmosphère.[ dix ]
La courbe rouge montre le spectre prévu d'un corps noir à 294 K. Il s'agit essentiellement du spectre du rayonnement que nous nous attendons à voir émis par la surface de la Terre. (Le spectre d'émission réel de la surface de la Terre présenterait quelques petites irrégularités puisqu'il s'agit d'un « corps gris » plutôt que d'un « corps noir ». Mais comme la surface de la Terre a une émissivité moyenne de 0,94, nous nous attendrions à ce que le spectre du rayonnement de la surface soit assez proche de celui indiqué par la courbe rouge.)[ 11 ])
La courbe noire avec le bleu en dessous montre la quantité de rayonnement à ondes longues réellement émise par la Terre. On peut clairement voir les endroits du spectre où l'absorption par H₂O, CO₂ et d'autres gaz à effet de serre réduit la quantité de rayonnement à ondes longues qui atteint l'espace.
Maintenant, considérez ceci : à l’équilibre, le flux d’énergie du rayonnement à ondes courtes du Soleil qui est absorbé par la Terre (moyenne sur une journée), P
je
n
 , est égal au flux d'énergie du rayonnement à ondes longues quittant la Terre, P
ou
toi
t
 (Cela doit être le cas si l’on veut que l’énergie thermique totale de la Terre et la température moyenne de la Terre soient relativement stables.)
Que se passerait-il si soudainement, comme par magie, nous désactivions les propriétés d’absorption et de réémission des ondes longues de tous les gaz à effet de serre ?
Les creux du graphique ci-dessus dus à l'absorption des gaz à effet de serre se combleraient. Le rayonnement thermique émis par la surface de la Terre atteindrait l'espace et le spectre rayonné serait beaucoup plus proche de ce qui est indiqué par la courbe rouge. Plus important encore, le flux total d'énergie rayonnée vers l'espace, P
ou
toi
t
 , augmenterait.
Mais attendez ! La puissance radiante reçue et la puissance radiante perdue étaient auparavant en équilibre. Si la puissance est perdue, P
ou
toi
t
 , augmente, cela signifie que les choses sont désormais déséquilibrées : il y a plus d'énergie perdue qu'elle n'en reçoit, c'est-à-dire, P
ou
toi
t

>

P
je
n
 .
Cela signifie que l’énergie thermique totale de la Terre doit diminuer et que la Terre deviendrait plus froide.
Qu'avons-nous donc démontré ? Si l'on éliminait les propriétés d'absorption des ondes longues des gaz à effet de serre, la Terre se refroidirait inévitablement ! Inversement, cela montre clairement que la Terre est plus chaude avec les gaz à effet de serre qu'elle ne le serait sans eux.
Cet argument montre que les gaz à effet de serre augmentent la température de la Terre. Il repose uniquement sur les principes fondamentaux de la physique, sur le fait observable que les gaz à effet de serre produisent des creux dans le spectre du rayonnement émis dans l'espace et sur la logique simple.
Cet argument est complètement indépendant des détails de ce qui se passe à l’intérieur de l’atmosphère.
(Cet argument simple et définitif m'a été suggéré par David Borojevic . Il semble évident avec le recul.)
L’hypothèse selon laquelle l’absorption et la réémission du rayonnement à ondes longues par les gaz à effet de serre n’entraînent pas de réchauffement planétaire n’est tout simplement pas cohérente avec les mesures simples et les principes fondamentaux de la physique.
* * *
6. Ce qui a conduit Nikolov et Zeller sur cette voie : l'écart de température
Je pense avoir démontré de manière convaincante que Nikolov et Zeller sont arrivés à des conclusions gravement erronées.
Pourtant, en lisant leur article, je ressens une certaine compétence mathématique et une certaine compréhension de certains aspects de la physique concernés. Alors, qu'est-ce qui les a conduits sur une voie qui, à mon avis, n'a pas été fructueuse ?
Si vous voulez bien m'accorder un peu de patience, je pense qu'il serait instructif d'examiner comment N&Z expliquent ce qui les a conduits au travail présenté dans leur article de 2017. Ils écrivent (p. 1) :
« Dans une étude récente, Volokin et ReLlez ont démontré que l'intensité de l'effet de serre atmosphérique terrestre est d'environ 90 K au lieu de 33 K comme le supposent actuellement la plupart des chercheurs. La nouvelle estimation corrige une erreur mathématique de longue date dans l'application de la loi de rayonnement de Stefan-Boltzmann (SB) à une sphère appartenant à l'inégalité de Hölder entre intégrales. »
L'article de 2014 a été rédigé par Volokin et Rellez[ 12 ]a en fait été écrit par Nikolov et Zeller sous des pseudonymes, comme ils l'ont admis dans un errata publié en 2016 dans cet article.[ 13 ]Dans leur article de 2014, N&Z prédisent que la température moyenne globale (GMAT) de la Terre sans atmosphère devrait être de 197,0 Kelvin, soit 90 K de moins que la moyenne globale observée de 287,4 K.
Cette température de 197 K pour une Terre sans air est bien inférieure à ce que d’autres chercheurs ont calculé. AP Smith (2008) a fait un calcul similaire et a noté que la surface de la Terre subit des variations de température quotidiennes relativement faibles en raison de « la rotation rapide et de la capacité thermique élevée de l’eau recouvrant la majeure partie de la surface ». En raison de ces facteurs, les calculs de Smith indiquent qu’une Terre sans air qui aurait encore la rétention de chaleur associée aux océans aurait une température radiative effective de la planète légèrement inférieure à 254 K.[ 14 ]
Roy Spencer (2016) a effectué un calcul montrant que la diminution de la période de rotation de la Lune de 29,5 jours (terrestres) à 1 jour augmenterait sa température GMAT prévue de 56 K. Son modèle d'une Terre sans air prédit une température de 251 K.[ 15 ]
Il semble que N&Z ait insisté pour modéliser une Terre avec une vitesse de rotation et des propriétés de rétention de chaleur similaires à celles de la Lune, sans tenir compte de la grande capacité thermique des océans et de la croûte terrestre.
Bien qu'ils aient étudié l'effet de la vitesse de rotation, ils ont rejeté l'importance de ce facteur, concluant (p. 17) que « ω [vitesse angulaire] ne peut pas affecter ηₑ [rétention de chaleur] et la température moyenne de surface d'une planète ». Ce résultat est incompatible avec les conclusions auxquelles sont parvenus indépendamment Smith et Spencer. Je n'ai pas cherché à savoir exactement où l'analyse de N&Z sur l'impact de la vitesse de rotation s'est trompée, mais il est clair que c'est le cas.
N&Z (p. 14) rejettent la conductivité thermique des océans parce qu'une planète sans atmosphère n'aurait pas d'océans. Ils rejettent également (p. 15) la conductivité thermique de la croûte terrestre, parce que l'air et l'humidité du sol contribuent grandement à cette conductivité. Bien qu'il soit juste de dire que ces effets ne seraient pas présents sur une version de la Terre sans atmosphère, il n'est pas juste de rejeter la pertinence de ces effets pour expliquer l'écart de température de 90 K entre une Terre avec et sans atmosphère, et d'insister sur le fait que des effets purement atmosphériques devraient pouvoir expliquer cette différence de température totale.
L'écart de 90 K entre les calculs de N&Z et les températures observées semble être le résultat d'une combinaison de facteurs : N&Z a négligé à tort l'importance du taux de rotation et n'a pas tenu compte de la capacité thermique des océans et du sol. Contrairement à ce qu'affirment N&Z, il n'est pas nécessaire de tenir compte à lui seul de l'impact de l'atmosphère pour expliquer ce phénomène.
« Étant donné que la théorie actuelle de l’effet de serre s’efforce d’expliquer l’effet de serre uniquement par la rétention (piégeage) du rayonnement de grande longueur d’onde sortant par les gaz atmosphériques, une augmentation thermique de 90 K crée une énigme logique, puisque les observations par satellite limitent l’absorption atmosphérique globale de rayonnement de grande longueur d’onde à 155–158 W m⁻². Un tel flux ne pourrait expliquer qu’un réchauffement de surface allant jusqu’à 35 K. Par conséquent, plus de 60 % de l’effet atmosphérique de 90 K sur la Terre semble rester inexplicable dans le contexte de la théorie actuelle. »
Il n’y a pas d’« énigme logique ». Ce que N&Z interprète comme un écart de température « inexplicable » semble s’expliquer facilement par la vitesse de rotation de la Terre et la capacité thermique des océans.
* * *
Notez que, si le calcul de N&Z de la température planétaire sans atmosphère est erroné, comme cela semble être le cas, cela remet en question la signification de l'un des calculs du facteur de renforcement atmosphérique (que ce soit via leur formule ou la mienne).
* * *
7. Ce qui a conduit Nikolov et Zeller sur cette voie : les niveaux de puissance
N&Z continuent (p. 1) :
« De plus, les mesures de rayonnement par satellite et en surface ont montré que la basse troposphère émet 42 à 44 % de rayonnement de plus vers la surface (soit 341 à 346 W m⁻²) que le flux net d'ondes courtes délivré au système Terre-atmosphère par le Soleil (soit 240 W m⁻²). En d'autres termes, la basse troposphère contient beaucoup plus d'énergie cinétique que ce que l'on attend du seul réchauffement solaire, une conclusion également confirmée par la nouvelle estimation de 90 K GE. Une situation similaire mais plus extrême est également observée sur Vénus, où le rayonnement atmosphérique descendant de faible intensité près de la surface (> 15 000 W m⁻²) dépasse le flux solaire total absorbé (65 à 150 W m⁻²) d'un facteur 100 ou plus. La théorie de l’effet de serre radiatif ne peut expliquer ce paradoxe apparent, étant donné que les gaz absorbant l’infrarouge comme le CO₂, la vapeur d’eau et le méthane ne font que réémettre les émissions de LW disponibles et ne constituent pas un stockage de chaleur significatif ni une source nette d’énergie supplémentaire pour le système. Cela soulève une question fondamentale sur l’origine du surplus d’énergie observé dans la basse troposphère des planètes telluriques par rapport à l’apport solaire. Les incohérences susmentionnées entre la théorie et les observations nous ont incités à jeter un nouvel œil sur les mécanismes contrôlant l’effet thermique atmosphérique.
N&Z ont raison de dire que le rayonnement de retour de l’atmosphère vers la surface présente un flux d’énergie supérieur à celui de la lumière du soleil, légèrement supérieur dans le cas de la Terre et considérablement supérieur dans le cas de Vénus.
Pourtant, ce fait ne présente pas un « paradoxe » ou des « incohérences » mais plutôt une façon dont l’intuition de N&Z sur la façon dont les choses fonctionnent leur fait défaut. Je soupçonne que ce passage révèle un aspect central de ce qui trouble beaucoup de gens qui ne croient pas que le réchauffement dû aux gaz à effet de serre puisse être réel.
Pour donner un sens à ce que N&Z trouvent déroutant ici, il pourrait être utile de considérer ce qui se passe à l’intérieur d’une cavité réfléchissante.
Le schéma ci-dessus illustre un type de cavité réfléchissante. Ce schéma pourrait être lié à la lumière, au son ou à autre chose. Les mathématiques sont les mêmes. La cavité est constituée d'un réflecteur parfait à gauche et d'un réflecteur partiel à droite. Le réflecteur parfait réfléchit 100 % de l'énergie qu'il reçoit. Le réflecteur partiel réfléchit une fraction α
 de l'énergie qu'il reçoit et transmet la fraction restante (
1
−
α
)
 (Notez que cela n'a pas d'importance si ce qui se passe est une véritable réflexion ou une absorption et une réémission de l'énergie, tant que cela se produit quantitativement dans les quantités décrites.)
Chaque fois que l'énergie frappe le réflecteur partiel, une partie de l'énergie est réfléchie et une autre partie est transmise. La figure illustre comment cela pourrait fonctionner pour plusieurs passages d'énergie dans les deux sens. Pour plus de clarté, j'ai dessiné les choses comme si l'énergie se déplaçait en diagonale. Cependant, j'aimerais vraiment que vous imaginiez que l'énergie se déplace d'avant en arrière sur une seule ligne.
J'ai étiqueté les différents flux d'énergie avec le niveau de puissance associé. En principe, l'énergie rebondit dans les deux sens un nombre infini de fois, s'affaiblissant un peu à chaque passage. La série de niveaux de puissance forme ce que l'on appelle une « série géométrique » et il est désormais bien connu qu'il faut additionner une telle série.[ 16 ]J'ai effectué l'ajout pour vous.
Il s'avère que, si vous dirigez le pouvoir P
 au niveau de la cavité réfléchissante, la quantité de puissance réfléchie ou émise par la cavité (la somme à droite du diagramme) est également P
 . Cela a du sens, car rien dans la cavité n'absorbe ou ne détruit l'énergie. Il faut qu'elle aille quelque part. Par conséquent, la puissance qui entre dans le diagramme vers la gauche et la puissance qui sort du diagramme vers la droite sont égales.
Ce qui est plus curieux, c'est que la puissance qui frappe le réflecteur parfait à gauche s'additionne également à P
 . La quantité d'énergie à l'intérieur de la cavité est tout aussi élevée que celle à l'extérieur de la cavité. Pourtant, la quantité d'énergie qui entre dans la cavité n'est que (
1
−
α
)
⋅
P
 . Supposer α
 est de 0,99, de sorte que la majeure partie de l'énergie est réfléchie. La puissance qui entre dans la cavité n'est alors que de 0,01 ⋅
P
 . Pourtant, la puissance totale circulant dans chaque direction à l'intérieur de la cavité est P
 , qui est 100 fois supérieure à la quantité d'énergie qui entre dans la cavité !
Comment est-ce possible ? C'est la magie de la recirculation de l'énergie, l'énergie étant réfléchie dans un sens et dans l'autre à l'intérieur d'une cavité réfléchissante. Chaque réflexion augmente la quantité totale d'énergie dans la cavité, sans jamais violer la conservation de l'énergie. Chaque unité d'énergie « visite » un endroit donné dans la cavité réfléchissante plusieurs fois. La puissance est une mesure de la fréquence à laquelle une unité d'énergie « visite », et non une mesure de la quantité totale d'énergie présente dans le système. Cela peut sembler un peu contre-intuitif, mais la puissance fonctionne vraiment de cette façon.
Pour faire une analogie approximative, imaginez que vous lancez une balle de ping-pong sur un mur toutes les 10 secondes et que vous comptez le nombre de rebonds que vous entendez. Imaginez ensuite que vous placez deux murs très près l'un de l'autre. Là encore, vous lancez une balle de ping-pong dans l'espace entre les murs et comptez le nombre de rebonds que vous entendez. Il y en aura beaucoup, beaucoup plus.
Vous avez peut-être déjà expérimenté ce genre de multiplication de puissance si vous êtes déjà entré dans une pièce où les murs réfléchissent fortement le son. Tout son émis semble beaucoup plus fort qu'il ne le serait normalement. Les murs ne sont pas de très bons réflecteurs, vous n'obtiendrez donc probablement pas une amplification d'un facteur 100. Mais, même ainsi, les sons sont rendus plus forts en raison des réflexions.
Maintenant, relions cela à ce qui se passe avec l'effet de serre atmosphérique. Dessinons une version légèrement modifiée du diagramme précédent.
La différence dans ce cas est que le « réflecteur partiel » est supposé laisser passer tout le rayonnement à ondes courtes et n’être un réflecteur partiel que pour le rayonnement à ondes longues.
Le « réflecteur parfait » est supposé être un radiateur « corps noir » idéal.[ 17 ]Il absorbe toute l’énergie qu’il reçoit, la convertit en chaleur, puis rayonne une quantité égale d’énergie sous forme de rayonnement thermique à ondes longues.
Ainsi, l’énergie à ondes courtes du Soleil traverse le « réflecteur partiel » sans perte d’énergie. Lorsque cette énergie est absorbée par le « réflecteur parfait », elle chauffe ce dernier et provoque l’émission d’une quantité d’énergie équivalente sous forme de rayonnement à ondes longues. Ce rayonnement à ondes longues est en partie réfléchi et en partie transmis par le réflecteur partiel.
Encore une fois, en principe, l'énergie va et vient un nombre infini de fois. J'ai indiqué la quantité d'énergie présente à chaque passage. J'ai également additionné les sommes infinies.
Comme précédemment, nous voyons que la puissance totale sortant du système est égale à la puissance entrante, puisqu'aucune énergie n'est créée ou détruite.
Nous voyons également que la puissance totale incidente sur le « réflecteur parfait » ou « corps noir » est P
/
(
1
−
α
)
 . Si α
 est proche de 1, cette puissance peut être énorme. Si α
=
 0,99, alors la puissance totale incidente sur le « corps noir » serait 100 fois supérieure à la puissance du Soleil. (C'est similaire à ce qui se passe sur Vénus.)
Pourtant, aucune énergie n'est créée ou détruite. Elle rebondit simplement d'avant en arrière d'une manière qui crée une intensité localisée bien supérieure à celle de la source d'origine.
(Non, cela ne viole pas la deuxième loi de la thermodynamique .[ 18 ]Un tel arrangement ne peut jamais conduire à ce que la température d’un « corps noir » à l’intérieur d’une cavité réfléchissante dépasse la température du Soleil. Si la température du corps noir s’approchait de celle du Soleil, la longueur d’onde de son rayonnement émis se décalerait pour devenir plus courte et le « réflecteur partiel » ne réfléchirait plus ce rayonnement. Cela impose une limite supérieure à l’ampleur du réchauffement qui pourrait se produire.)
Redessinons le diagramme pour aider à compléter l’analogie avec l’effet de serre atmosphérique.
Cela inclut les mêmes flux d'énergie que dans le diagramme précédent. Mais j'ai additionné toutes les réflexions et je n'affiche désormais que les flux totaux dans chaque direction. J'ai également rebaptisé le « réflecteur parfait » et le « réflecteur partiel » en « surface de la planète » et « atmosphère », respectivement. Tous les calculs sont exactement les mêmes qu'avant. L'épaisseur des lignes est dessinée pour refléter l'ampleur de chaque flux d'énergie pour une valeur de α
=
 0,6.
Il peut paraître étrange que les flux d'énergie radiante entre la surface et l'atmosphère soient plus importants que le flux d'énergie provenant du Soleil. Il pourrait être rassurant de considérer les flux de chaleur plutôt que les flux d'énergie radiante. Rappelons que le flux de chaleur est défini comme le flux d'énergie net .
Le diagramme ci-dessus montre la même situation, mais montre des flux de chaleur plutôt que des flux d'énergie radiante. Le flux de chaleur entre la surface et l'atmosphère est l'énergie nette lorsque le flux d'énergie rayonné par la surface, P
/
(
1
−
α
)
 , a le flux de rayonnement arrière α
P
/
(
1
−
α
)
 soustrait de celui-ci, ce qui donne un flux de chaleur net, P
 .
La situation peut paraître surprenante si l'on considère les flux radiants, qui peuvent être supérieurs à celui reçu par le Soleil. Cependant, si l'on considère le flux thermique net, il est clair que l'énergie est conservée.
Les diagrammes ci-dessus illustrent le fonctionnement de l’effet de serre atmosphérique, au niveau mathématique. Cela est vrai même si les gaz à effet de serre ne réfléchissent pas techniquement le rayonnement et même s’ils produisent un « rayonnement arrière » en tant qu’effet cumulatif de plusieurs couches de gaz, et non comme un phénomène qui se produit sur une seule surface. Néanmoins, mathématiquement, l’effet net est analogue à ce qui se passe dans une cavité réfléchissante.
Même si cela peut surprendre les personnes qui ne sont pas familières avec la recirculation de l'énergie ou les cavités réfléchissantes, il n'y a aucun « paradoxe » ou « incohérence » dans le fait que le rayonnement à ondes longues descendant dans l'atmosphère ait plus de puissance que la lumière du soleil.
Ainsi, nous voyons que le « casse-tête » que Nikolov et Zeller ont cherché à résoudre en cherchant une nouvelle explication des températures planétaires n’était pas du tout un casse-tête. Il s’agissait simplement d’une question de physique bien comprise qui peut être surprenante si on ne vous l’a pas expliquée ou si vous n’avez pas été capable d’y réfléchir par vous-même.
Je me sens un peu triste qu'ils aient apparemment investi des années de travail dans un projet qui aurait été apparemment inutile, s'ils avaient été disposés et capables d'avoir une conversation sur ce qu'ils ne comprenaient pas encore.
8. Conclusions
Comme vous pouvez le constater, j'ai passé pas mal de temps à décortiquer la manière de penser les affirmations de Nikolov et Zeller. J'aurais pu simplement partager mes conclusions (qui n'ont pas beaucoup changé au cours de la semaine où j'ai travaillé sur cette réponse). Mais pourquoi me croiriez-vous ? Je voulais vraiment expliquer les choses en détail, pour favoriser l'apprentissage mutuel.
Nikolov et Zeller sont arrivés à des conclusions qui, à mon avis, ne sont clairement pas liées à la physique sous-jacente telle qu'ils l'ont formulée. La pression atmosphérique à elle seule ne peut pas réchauffer les planètes. Les gaz qui absorbent et réémettent le rayonnement à ondes longues doivent réchauffer les planètes, selon une logique difficile à contester si l'on prête attention à certains principes fondamentaux de la physique. Oui, il y a des choses sur la façon dont le rayonnement à ondes longues réchauffe les planètes qui peuvent paraître surprenantes. Mais tout cela a du sens si l'on est prêt à prendre le temps de l'étudier.
J'ai aimé développer cette réponse. J'espère que vous en tirerez quelque chose. Faites-moi savoir si vous en avez tiré de la valeur.
Merci et portez-vous bien.
9. ANNEXE : DÉTAILS TECHNIQUES
A1. Détails des formules pour l'augmentation de la température atmosphérique
Comme décrit ci-dessus, je voulais voir si je pouvais identifier des formules pour faire correspondre les températures planétaires observées à l’aide de données sur les gaz à effet de serre.
Les expériences de N&Z sur l'ajustement des courbes ont démontré, et ma propre expérience l'a confirmé, qu'il semble difficile de relier simplement la quantité totale de tous les gaz à effet de serre aux effets thermiques observés. J'ai réfléchi à la raison pour laquelle il pourrait en être ainsi. L'examen de la physique réelle de l'effet de serre atmosphérique montre que différents gaz affectent le rayonnement à ondes courtes dans différentes bandes de longueurs d'onde (mais parfois superposées), et l'effet n'est pas linéaire dans la concentration de chaque gaz.[ 19 ]Il semblait plausible que, pour correspondre aux données, une formule devrait refléter cette dynamique, au moins qualitativement.
Ma formule est basée sur les idées suivantes :
Les différents gaz à effet de serre affectent différents segments du spectre électromagnétique, avec des propriétés radiatives différentes. La contribution de chaque gaz à effet de serre doit donc être étudiée séparément.
Pour évaluer l'impact radiatif, il semble probable que la quantité de rayonnement d'un gaz donné qui doit passer entre la surface planétaire et l'espace soit importante. J'ai donc choisi comme unité de mesure la quantité d'un gaz particulier multipliée par le nombre de moles de gaz dans une colonne de gaz s'étendant de la surface vers l'espace, que je désigne par Uₓ.
(Détails techniques : Ceci est calculé comme Uₓ/Aᵣ = L⋅ρₓ/Mₓ, où Aᵣ est une zone de référence, ρₓ et Mₓ sont la densité proche de la surface et la masse molaire du gaz x, et L est la hauteur d'échelle nominale de l'atmosphère, donnée par L = P/(g⋅ρ) où g est la gravité de surface, P et ρ sont la pression atmosphérique totale et la densité à la surface, et g est l'accélération gravitationnelle. La densité du gaz x est calculée comme ρₓ = ρ (0,01⋅Cₓ)⋅(Mₓ/M), similaire à l'équation N&Z 9. Pour rendre Uₓ sans dimension, j'utilise une zone de référence Aᵣ = 1 m².)
Pour chaque gaz, j'ai supposé que lorsqu'il y a peu de gaz, son influence augmente linéairement avec Uₓ, mais que lorsque la quantité de gaz devient importante, l'influence se déplace vers une augmentation logarithmique avec Uₓ. Pour obtenir ce résultat, j'ai supposé que la contribution du gaz x prend la forme aₓ⋅ln(1 + Uₓ/bₓ).
L'objectif est de calculer les valeurs de ce que N&Z appellent « l'amélioration thermique atmosphérique relative » (RATE), E = T/Tₙₐ, le rapport entre la température de surface réelle, T, et l'interprétation de N&Z de ce que serait la température sans atmosphère, Tₙₐ.
Mes modèles ont la forme :
E = 1 + a꜀ₒ₂⋅ln(1 + U꜀ₒ₂/b꜀ₒ₂) + a꜀ₕ₄⋅ln(1 + U꜀ₕ₄/b꜀ₕ₄) + aₕ₂ₒ⋅ln(1 + Uₕ₂ₒ/bₕ₂ ₒ)
(Il est peu probable que cette formule représente avec précision la physique impliquée. Mais elle est quelque peu inspirée de la physique sous-jacente, au moins autant que la formule de N&Z.)
Associés à cette forme générale, j'ai identifié trois modèles spécifiques :
GH6 : a꜀ₒ₂=2,47461964e-01, b꜀ₒ₂=3,46821712e+03, a꜀ₕ₄=2,52997123e-02, b꜀ₕ₄=1,49966410e-03, aₕ₂ₒ=1,81. 685678e-01, bₕ₂ₒ=7,97199109e+ 01
GH4a : a꜀ₒ₂=2,47085039e-01, ꜀ₕ₄=1,16558785e-01, aₕ₂ₒ=1,99513528e+00, b꜀ₒ₂=b꜀ₕ₄=bₕ₂ₒ=3,42189402e+03
GH4b : a꜀ₒ₂=a꜀ₕ₄=aₕ₂ₒ=2,47283033e-01, b꜀ₒ₂=3,44616690e+03, b꜀ₕ₄=3,36453603e+04, bₕ₂ₒ=1,67913 332e+02
Le modèle GH6 possède 6 paramètres réglables (coefficients de régression), tandis que les modèles GH4a et GH4b en ont chacun 4.
À titre de comparaison, le modèle à 4 paramètres de N&Z a la forme suivante (équation 11 de N&Z) :
E = exp[a⋅(P/Pᵣ)ᵇ + c⋅(P/Pᵣ)ᵈ]
où
NZ4 : a = 0,174205, b = 0,150263, c = 1,83121e-5, d = 1,04193
* * *
(Vous pouvez ignorer ce paragraphe si vous n'essayez pas de reproduire mon travail numérique. Sur la base des données proposées par N&Z, les moles par mètre carré pour les gaz à effet de serre sur chaque corps céleste sont données par : Vénus U꜀ₒ₂=2.33129328e+07 ; Terre U꜀ₒ₂=1.39185086e+02, Uₕ₂ₒ=8.62947532e+02 ; Lune aucune ; Mars U꜀ₒ₂=4.05755574e+03, Uₕ₂ₒ=8.93922268e-01 ; Titan U꜀ₕ₄=1.93756806e+05 ; Triton U꜀ₕ₄=4.38436244e-02. Remarque : Dans (Au cours de mes travaux numériques, j'ai découvert quelques incohérences dans le tableau 5 de N&Z (p. 10) concernant les paramètres des gaz à effet de serre sur Mars. La pression partielle et la densité des gaz à effet de serre ont été données comme étant de 667,7 Pa et 0,018 kg/m³, mais auraient dû être de 653,5 Pa et 0,0188 kg/m³. Il est peu probable que ces erreurs aient modifié les conclusions générales de N&Z.)
* * *
A2. Évaluation de l'importance de ces modèles
La mesure du chi carré (𝛘²) peut être utilisée pour comparer la qualité de l'ajustement. Le chi carré est la somme des carrés de la différence entre la prédiction et l'observation, ces différences étant normalisées par l'incertitude de l'observation. De petites valeurs de 𝛘² indiquent généralement un meilleur ajustement.[ 20 ]
La valeur de cette métrique pour ces modèles est : GH6 𝛘²=0,1, NZ4 𝛘²=5,9, GH4a 𝛘²=9,7, GH4b 𝛘²=9,7.
Il est clair que le modèle GH6 est de loin celui qui fait le meilleur travail de correspondance des données. Le NZ4 s'adapte un peu mieux aux données que le GH4a et le GH4b, mais la différence n'est pas spectaculaire.
Il faut noter que pour le modèle GH6, de légères variations dans la formule ou dans les variables impliquées ont conduit à un mauvais ajustement signifié par une valeur 𝛘² énorme. Il n'est donc pas vrai que le fait d'avoir 6 paramètres réglables garantissait automatiquement l'excellent ajustement qui a finalement été trouvé.
* * *
La valeur de 𝛘² peut également être utilisée pour évaluer l’importance de l’ajustement.
(Une telle évaluation de la signification n'est rigoureusement correcte que lorsqu'elle s'ajuste à des courbes comme des polynômes qui sont très flexibles dans l'ajustement des données. Mais, même ainsi, l'application de ce test statistique est plus objective que la simple devinette intuitive si l'ajustement est significatif.)
Pour évaluer la signification, on divise 𝛘² par 𝞶, le nombre de « degrés de liberté » impliqués dans l'ajustement. Le nombre de degrés de liberté est la quantité par laquelle le nombre de points de données indépendants dépasse le nombre de paramètres de réglage.[ 21 ]
Combien de degrés de liberté sont associés à l'ajustement pour chaque modèle ? Six corps célestes ont été pris en compte. Cela semble être six points de données, mais ce n'est pas vraiment le cas. Toutes les formules ont été conçues pour ajuster automatiquement la Lune à toutes les valeurs probables des paramètres d'ajustement. Il y a donc effectivement cinq points de données. Dans le cas du modèle NZ4, les points de données pour la Terre et Titan sont presque identiques, ils ne constituent donc pas des points de données indépendants à des fins d'ajustement ; il n'y a en fait que quatre points de données.
Ainsi, le nombre de « degrés de liberté » pour 𝛘² est NZ4 𝞶=0, GH6 𝞶=0, GH4a 𝞶=1, GH4b 𝞶=1.
Les valeurs 𝛘² normalisées associées sont NZ4 𝛘²/𝞶=∞, GH6 𝛘²/𝞶=∞, GH4a 𝛘²/𝞶=9,7, GH4b 𝛘²/𝞶=9,7. Pour qu'un ajustement de courbe soit considéré comme significatif, on recherche généralement que 𝛘²/𝞶 ne soit pas trop supérieur à 1.
Ces valeurs 𝛘² normalisées suggèrent que ces ajustements de courbes ont peu de signification.
Ce test statistique suggère que le « bon ajustement » de ces modèles est probablement simplement le résultat du hasard.
L’interprétation selon laquelle les ajustements reflètent le hasard est renforcée par l’observation selon laquelle différents modèles dépendant de variables non liées (pression par rapport aux quantités de gaz à effet de serre) s’adaptent tout aussi bien aux données.
* * *
A3. Une nuance sur les flux d'énergie et les flux de chaleur
Un lecteur astucieux et méfiant pourrait remarquer que dans la section 4, j'ai soutenu que « la seule façon de contourner cette logique [selon laquelle la pression ne peut pas augmenter la température] est que l'atmosphère crée spontanément de l'énergie à partir de rien et utilise cette énergie de quelque chose à partir de rien pour augmenter le flux d'énergie. P
je
n
 « vers la surface » ; pourtant, dans la section 7, j’ai soutenu que la recirculation radiative de l’énergie pourrait augmenter le flux d’énergie vers la surface planétaire, sans qu’aucune nouvelle énergie ne soit introduite. Est-ce que j’applique sournoisement un double standard à différents arguments ?
Non, je ne le suis pas. C'est juste que, pour obtenir des réponses rigoureusement correctes, il faut faire très attention à savoir si l'on raisonne du point de vue des flux d'énergie ou du point de vue des flux de chaleur.
On peut analyser un système thermodynamique du point de vue des flux d'énergie , ou du point de vue des flux de chaleur (qui sont des flux d'énergie nets ), ou du point de vue des flux mixtes d'énergie et de chaleur . Des règles légèrement différentes s'appliquent, selon le point de vue utilisé.
L’argument de la section 4 était ancré dans la perspective du flux de chaleur, tandis que la discussion de la section 7 était ancrée dans la perspective du flux d’énergie.
Les analyses internes, quelle que soit la perspective, sont valables. Mais si vous ne savez pas de quelle perspective il s'agit, il est facile de se tromper, d'avancer des arguments erronés ou de voir des choses comme contradictoires alors qu'elles ne le sont pas.
Au niveau des flux d'énergie radiative (utilisé dans la section 7), il est possible que la recirculation d'énergie multiplie les niveaux de puissance du flux d'énergie même si aucune énergie nette n'a été ajoutée au système.
Cependant, lorsque l’on considère les effets radiatifs d’un point de vue thermique, la recirculation de l’énergie ne crée pas de niveaux de flux de chaleur plus élevés ; au contraire, la recirculation de l’énergie radiative réduit le flux de chaleur radiatif net circulant de la surface planétaire plus chaude vers l’atmosphère plus froide.
On peut augmenter la température de la surface d'une planète soit en augmentant l'énergie renvoyée à la surface (du point de vue du flux d'énergie), soit en diminuant le taux de chaleur qui s'en échappe (du point de vue du flux de chaleur). La présence de gaz atmosphériques qui absorbent et réémettent le rayonnement à ondes longues a ces effets de réchauffement (selon la perspective choisie).
Dans le cas d'une atmosphère transparente au rayonnement, nous savons, dans la perspective du flux de chaleur (utilisée dans la section 4), que l'atmosphère (1) n'a aucun effet sur le flux de chaleur radiatif et (2) ajoute un flux de chaleur supplémentaire loin de la surface, sous forme de convection et de flux de chaleur latente (évaporation des substances volatiles). Il s'ensuit qu'une atmosphère transparente refroidira la planète.
C'est dans cette perspective de flux de chaleur que nous savons que, si aucune énergie n'est générée dans l'atmosphère, alors une atmosphère transparente ne peut pas inverser le flux de chaleur net entre la surface et l'atmosphère, comme cela serait nécessaire pour que l'atmosphère transparente augmente la température de la surface.
Ainsi, les arguments que j'ai avancés sont corrects et cohérents entre eux. Mais, à certains moments, un argument se rapporte implicitement soit à la perspective du flux d'énergie, soit à la perspective du flux de chaleur, et cela peut être déroutant si l'on ne s'en rend pas compte.