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jeudi 13 juillet 2017

Et c'est reparti comme en 40 !

Je devrais préciser que c'est reparti comme en 1740, bien avant que la science s'empare sérieusement de la problématique de l'atmosphère avec notamment Joseph Fourier qui, dès 1824, avait posé les bases de ce que l'on désigne désormais sous l'expression "effet de serre", comme nous l'explique Jean-Louis Dufresne :
  • Dans l’introduction de son “mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaire”, publié en 1824 Joseph Fourier présente clairement l’ambition et le principal apport de son mémoire : poser les bases scientifiques de l’étude de la température de la Terre.
  • La présentation par Fourier des échanges radiatifs infrarouges est très qualitative, très courte (environ 2 pages de son mémoire long de 28 pages), ne possède pas le degré d’achèvement de ses travaux sur la diffusion de la chaleur, mais introduit des mécanismes essentiels (tel l’effet de serre) qui seront ensuite des sujets de recherche pendant plusieurs décennies, certains étant toujours d’actualité.
Oui, « toujours d'actualité », sauf qu'il existe certains esprits supérieurs qui ont décidé de contester 2 siècles de science en refaisant le monde sur un site appelé Skyfall.

Dufresne continue :
  • Par ailleurs J. Fourier néglige la convection, mais il estime que celle-ci ne devrait pas remettre en cause l’effet de serre lui-même. «La mobilité de l’air, qui se déplace rapidement dans tous les sens et qui s’élève lorsqu’il est échauffé, le rayonnement de la chaleur obscure dans l’air diminuent l’intensité des effets qui auraient lieu sous une atmosphère transparente et solide, mais ne dénaturent point entièrement ces effets.» Ceci est vrai dans le cas de l’atmosphère terrestre, mais pas dans celui d’une serre, ce qui est à l’origine des critiques de l’appellation “effet de serre”.
Ainsi la convection peut être considérée comme non-significative dans le cas de l'atmosphère terrestre, laquelle ne se comporte pas comme une serre de jardin dans laquelle la convection joue un rôle essentiel :
  • La distribution des calories à l'intérieur de la serre se fait par convection grâce à des tuyaux aériens, ou des aérothermes. La chaleur peut être distribuée en basse température (branché sur le retour du chauffage) par des tapis sous les tablettes de culture pour apporter une chaleur de fond.
Donc pas grand chose à voir entre les deux "effets de serre", mais celui qui nous intéresse ici c'est celui qui concerne l'atmosphère.


Et Dufresne nous dit dans sa conclusion :
  • Ainsi J. Fourier a établi les principes fondamentaux qui régissent la température de surface d’une planète, et notamment les principes de l’effet de serre : l’ajustement de la température de surface pour atteindre l’équilibre énergétique ainsi que le rôle essentiel de la dissymétrie entre les propriétés radiatives de l’atmosphère dans le spectre solaire (atmosphère transparente) et dans le spectre infrarouge thermique (atmosphère partiellement opaque). Deux siècles seront nécessaires pour quantifier et comprendre ces phénomènes. Il restait notamment à établir la loi d’émission du corps noir (loi de Stefan - Boltzmann) et comprendre la décroissance verticale de la température de la basse atmosphère et son rôle sur le rayonnement émis vers l’espace. De même il a fallu se rendre compte du rôle essentiel des constituants mineurs de l’atmosphère (vapeur d’eau, CO2, CH4...) sur les propriétés radiatives dans l’infrarouge et apprendre à les mesurer et à les calculer.
On remarquera que Dufresne parle de « basse atmosphère », en fait il fait référence à la troposphère dans laquelle on observe une décroissance de la température au fur et à mesure que l'on monte en altitude ; d'ailleurs voici le profil de l'atmosphère tiré du site education.meteofrance :


Avec les précisions suivantes :
  • Ce profil vertical de température est totalement lié à la composition chimique de l'atmosphère, et à la capacité des différents gaz qui la composent d'absorber certains rayonnements. Ainsi, l'augmentation de la température avec l'altitude dans la stratosphère, et donc le maximum relatif de température à la stratopause, s'explique par l'absorption des UV par l'ozone stratosphérique.
Mais quid de la diminution de la température dans la troposphère ?

Sur le site exergie.free on nous explique :
  • Avec l'altitude (moindre pression des couches supérieures), l'air compressible se détend (occupe plus de volume) et baisse en température (d'environ -1°C tous les 400 m)
Et on va même jusqu'à nous préciser que :
  • Si l'air ne pouvait se détendre, sa température moyenne serait uniforme quelque soit l'altitude
Effectivement, un gaz se réchauffe quand il se comprime et il se refroidit quand il se détend, c'est le principe de la pompe à vélo qui s'échauffe quand on gonfle un pneu ou de l'air sortant de la valve qui est froid quand on dégonfle le même pneu ; wikipedia nous dit que c'est également le principe de la compression et la détente adiabatique avec l'altitude
  • De manière globale :
    • il s'établit un gradient thermique entre le sol, dont la température est gouvernée par la géothermie, et l'ensoleillement (effet de corps noir, effet de serre, effet albédo), et l'espace ;
    • il s'établit un gradient de pression : la pression est créée par le poids de l'air situé au-dessus du lieu considéré ; il faut prendre en compte la compressibilité de l'air ainsi que la variation de la gravité avec l'altitude.
  • À faible altitude, la pression atmosphérique baisse de 1 hPa chaque fois que l'on s'élève de 8 mètres, et la température baisse d'environ °C chaque fois que l'on s'élève de 150 m (valeur ISA : perte de 6,5 °C par kilomètre, soit °C pour 154 m ou 505 pieds).

Il faut noter à ce stade que si la gravité était trop faible, alors l'atmosphère aurait foutu le camp et nous ne serions pas en train de nous poser des questions existentielles.

Comme nous l'indique le site déjà mentionné plus haut, exergie :
  • S'il n'y avait pas de gravité, il n'y aurait pas d'atmosphère... et donc il n'y aurait pas de climat ! Ainsi s'il n'y avait pas de gravité, la température de la Terre serait de -240°C !
 Et donc sans atmosphère...
  • S'il n'y avait pas d'atmosphère... il n'y aurait par définition pas de climat (!),
    et la température du lieu serait celui (sic) provenant du centre de la Terre :
    soit environ -240°C (sans apport du Soleil)

Et tant que nous y sommes allons plus loin avec l'effet de serre :
  • sans effet de serre : température moyenne = -19°C
  • avec effet de serre : température moyenne = +15°C
  • différence de température moyenne : +34°C avec effet de serre

On peut donc dire merci à l'effet de serre !

Pour résumer, si j'ai bien tout compris (mais comme je suis un grand benêt je n'en suis pas tout à fait certain...), en moyenne :
  • sans atmosphère (si la gravité était trop faible) la température serait de -240°C ;
  • sans effet de serre la température serait de -19°C ;
  • avec l'effet de serre la température est de +15°C ;
  • dans la troposphère la température diminue progressivement avec l'altitude, ce phénomène étant essentiellement dû à la diminution de la pression avec l'altitude (poids de la colonne d'air au-dessus de notre tête qui diminue)
D'ailleurs wikipedia nous dit, pour le gradient thermique adiabatique :
Et qui précise :
  • La variation de pression de l'atmosphère est très complexe. Toutefois, pour comprendre un certain nombre de mécanismes météorologiques, on peut s'en tenir à un modèle très simple qui ne dépend que de l'altitude.
Ainsi on comprend bien que c'est très complexe dans le détail, mais qu'on peut grandement se satisfaire d'une explication générale pour comprendre le fonctionnement de la basse atmosphère où se situent les phénomènes météorologiques et climatiques.

Alors pourquoi diable compliquer ce qui pourrait rester simple ?

Ainsi Tsih, dans un commentaire d'un des derniers articles sur Skyfall, tente une explication :
Sans gradient de pression donc de température… Eh non, justement petit Robert, ça c’est grossièrement faux ! Le gradient de pression qui résulte de l’équilibre hydrostatique dans le champ de pesanteur n’implique pas le gradient de température. Une atmosphère isotherme à l’équilibre thermodynamique avec gradient de pression mais pas de température dans un champ de pesanteur c’est parfaitement possible. C’est même un exemple simple traité couramment dans les cours d’introduction à la mécanique statistique ! L’atmosphère réelle de la planète terre n’est justement pas à l’équilibre thermodynamique car elle est chauffée par le bas et c’est ça qui fait le gradient de température. Le « c’est juste mécanique » c’est de la pure connerie (ou petite physique bonhomme d’ignare).
Hum...« le chauffage par le bas » qui produirait le gradient de température, en contradiction avec tout ce que l'on peut lire sur le sujet, mais où donc est-il allé chercher cela ?

Alors je suis allé voir le lien qu'il fournit et j'ai trouvé ceci :
  • Let us begin with an example: the distribution of the molecules in an atmosphere like our own, but without the winds and other kinds of disturbance. Suppose that we have a column of gas extending to a great height, and at thermal equilibrium—unlike our atmosphere, which as we know gets colder as we go up. We could remark that if the temperature differed at different heights, we could demonstrate lack of equilibrium by connecting a rod to some balls at the bottom [...]
    • Commençons par un exemple: la distribution des molécules dans une atmosphère comme la nôtre, mais sans les vents et autres types de perturbations. Supposons que nous ayons une colonne de gaz s'étendant à une grande hauteur, et à l'équilibre thermique, contrairement à notre atmosphère, qui, comme nous le savons, devient plus froide à mesure que nous nous élevons. Nous pourrions remarquer que si la température différait à différentes hauteurs, nous pourrions démontrer un manque d'équilibre en reliant une tige à des balles en bas [...]
Il y a beaucoup de conditionnels dans ce passage, « supposons », « nous pourrions », « si la température », mais on peut aussi remarquer qu'il y a des affirmations, comme « notre atmosphère [...] devient plus froide à mesure que nous nous élevons » ; ainsi le texte suppose une atmosphère sans changement de température avec l'altitude, pour démontrer je ne sais quoi (on s'en fiche un peu ici) mais que Tsih semble prendre au pied de la lettre en affirmant sérieusement que « le gradient de pression qui résulte de l’équilibre hydrostatique dans le champ de pesanteur n’implique pas le gradient de température. »

Etant curieux de nature je suis allé voir ce que signifiait exactement l'équilibre hydrostatique :
Ainsi d'après cette définition, le gradient de pression est une composante de l'équilibre hydrostatique, qui contrebalance les forces de gravitation pour arriver à un équilibre, sans lequel soit la Terre serait comprimée comme un pois chiche (j'exagère peut-être, mais bon) soit l'atmosphère prendrait la tangente dans l'espace.

Mais aucune mention de la température là-dedans, ce n'est apparemment pas le sujet, et c'est peut-être pourquoi Tsih se croit autorisé à conclure que « une atmosphère isotherme à l’équilibre thermodynamique avec gradient de pression mais pas de température dans un champ de pesanteur c’est parfaitement possible » ; sauf que sur la Terre, jusqu'à preuve du contraire il y a un gradient de température qui, là-aussi jusqu'à preuve du contraire, agit en corrélation avec le gradient de pression, donc l'exemple fourni par Tsih est un cas théorique qui n'est pas en phase avec la réalité (mais j'ai comme l'impression que Tsih viendrait d'une autre planète...)

Et après l'équilibre hydrostatique voilà que surgit l'équilibre thermodynamique, késaco ?
Ou comment perdre les gens dans une série de termes abscons dont la compréhension des seules définitions demande un doctorat en physique, ou plutôt comment s'arranger pour que personne ne vous comprenne et vous prenne pour un grand ponte à l'immense savoir...

Comme je suis un peu perdu dans ce labyrinthe tsihesque j'en reste à mes lectures basiques déjà résumées plus haut ; si quelque lecteur(trice) attentionné(e) veut bien réagir et me dire ce qu'il/elle pense de tout cela je veux bien l'écouter et lui en serais éternellement reconnaissant.


Pour finir voici une désopilante histoire de pull tirée (sic) du même article skyfalleux :
  • 145.  volauvent | 11/07/2017 @ 12:26  Astrolabe (#144), Quand j’ai froid, je dis que je mets un pull pour me réchauffer. Et effectivement, j’ai plus chaud. Ces joutes sémantiques sont stériles.
  • 146.  Astrolabe | 11/07/2017 @ 12:30 volauvent (#145), Non c’est un abus de langage, votre pull ne vous réchauffe en aucun cas, il vous isole et vous empêche de vous refroidir trop vite, les mots ont un sens et en science la rigueur est de rigueur, il faut donc comprendre ce qui se cache derrière certaines phrases.
  • 149.  volauvent | 11/07/2017 @ 14:18 Astrolabe (#146), Alors, tout le monde abuse du langage….car je n’ai jamais entendu quelqu’un dire: oh je mets un pull pour ne pas me refroidir…
  • 152.  tsih | 11/07/2017 @ 14:54 volauvent (#149), Il n’y a aucun abus de language, bien sûr !Le verbe réchauffer peut vouloir dire
    • -soit avoir pour effet d’augmenter la température de quelque chose. Par exemple fermer une fenêtre ou un volet en hiver a pour effet de réchauffer l’intérieur d’une maison (en diminuant les fuites de chaleur -de toutes sortes- vers l’extérieur), ceci à puissance de chauffage ou énergie apportée par unité de temps parfaitement constantes. De même mettre des GES dans l’atmosphère réchauffe le sol (en diminuant les fuites IR vers l’espace), ceci à irradiation et apport d’énergie solaire parfaitement constants.
    • -soit apporter de l’énergie pour augmenter (ou non d’ailleurs) la température de quelque chose. Par example le matin le soleil réchauffe l’air et le sol (leur T augmente ) ou fait fondre la glace dans un seau laissé pendant la nuit ( T reste constante)
    • C’est le premier principe de la thermo qui régit tout ça. et les deux sens sont parfaitement corrects et sans aucune ambigüité pour un physicien.
On voit par là que le dénommé volauvent, un habitué de longue date du site, n'a rien compris au rôle du pull, et que par conséquent il est normal qu'il n'ait rien compris non plus à l'effet de serre.

C'est bien Astrolabe qui a raison (qui au passage n'est pas Robert, contrairement à ce que pense Tsih), le pull n'a aucun pouvoir réchauffant, pas plus que la couverture que vous rajoutez quand vous avez froid dans votre lit.

Le pull ou la couverture ne font que retenir la chaleur dégagée par votre corps, ce qui vous permet d'avoir moins froid que si vous étiez à poil avec l'épiderme en contact direct avec l'air ambiant.

Mais cela n'a qu'un temps, au bout d'un moment la température interne du corps va baisser au point où, même avec le pull ou sous la couverture, on va commencer à avoir vraiment froid, jusqu'à carrément mourir de froid si la température de l'air est vraiment trop basse et qu'on ne s'alimente pas pour maintenir la température interne à un niveau correct ; si volauvent avait fait un peu de montagne et avait bivouaqué en haute altitude il aurait une bonne idée de la chose, et il aurait déjà entendu dire « je mets mon pull pour ne pas me refroidir » ! Mais au lieu de cela il se contente apparemment de dégoiser dans son fauteuil devant la télé avec son demi de bière dans une main et l'autre main occupée à on ne sait trop quoi.

Au passage c'est aussi en faisant de la montagne qu'on peut expérimenter "dans sa chair" la baisse de la température avec la montée en altitude, avec ou sans vent, avec ou sans pluie ou neige, avec l'exception quand même de la situation d'inversion de température qui ne fait que confirmer la règle.

Quant aux couches supérieures de l'atmosphère, au-dessus de la troposphère, c'est une autre histoire que je me garderai bien de vous conter, je n'ai jamais fait de trek dans ces contrées-là.


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