dimanche, mai 26, 2019

Forçage radiatif: mesures au sol

J'ai passé un certain temps sur un article de W.F.J. Evans, dans lequel il pointe un spectromètre vers le ciel et analyse les résultats. La procédure est décrite minutieusement, de sorte que quiconque disposant d'un matériel similaire puisse reproduire les résultats. Le matériel en question ne risque pas de traîner au fond d'un garage, par contre: calibrage à l'aide d'un corps noir de référence, miroir en or, refroidissement à l'azote liquide ...

Mais en retour, on a deux mesures assez intéressante du rayonnement réémis par l'atmosphère, l'un (la Fig. 1) avec un air sec qui met en évidence la contribution des gaz à effet de serre. L'autre avec un air humide, mettant en évidence la contribution de la vapeur d'eau. Et comme M. Evans est basé au Québec, il n'est pas trop difficile d'avoir un air sec: il suffit d'attendre l'hiver.
Les valeurs rapportées ? De 35 W/m² pour le CO2, mais qui tombe à 10W/m² lorsque l'air est riche en vapeur d'eau. La vapeur d'eau, elle, passe alors de 100 à 250W/m² de contribution au réchauffement de la surface.

Il met aussi en vis à vis les mesures "actuelles" (1999/2000) avec les mesures "passées" (date à retrouver dans l'article) et montre que s'il y a bien une augmentation de 10% sur la contribution du CO2 par temps sec, aucune augmentation du forçage radiatif dû au CO2 n'a pu être mis en évidence par temps humide.

 Je m'attendais à ce qu'une telle étude ait été répliquée un peu partout dans le monde, comparée, réutilisée, etc. mais assez curieusement, elle n'a été que très peu citée,
et pas forcément par des gens qui travaillent sur les même choses.

Prochaine piste, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/rog.20009

samedi, avril 20, 2019

Du transfert radiatif au "pressure broadening"

Bon, mes recherches sont un peu parties dans toutes les directions, ce mois-ci, ce qui rend plus difficile d'en faire un compte-rendu. Je voulais tirer au clair les interactions entre les molécules et les rayonnement infra-rouge avant de continuer plus loin. De mon cours de physique, j'avais retenu qu'un atome peut emmagasiner de l'énergie reçue d'un photon (et passer dans un état "excité") pour le restituer plus tard. C'est la base des phénomènes de fluorescence et de phosphorescence.

Une autre interaction importante est celle de l'émission stimulée, qui est elle à la base du LASER: un photon de passage dans le voisinage d'un atome excité peut -- si il a la bonne fréquence -- provoquer la libération d'un autre photon par la dés-excitation de l'atome. C'est contre-intuitif, mais ça se produit bel et bien. (( introduire une référence sur les coefficient A-Einstein à ce sujet et se souvenir de ce qu'ils veulent dire )).

Par contre, j'avais appris tout ça avec des électrons qui passent sur des orbitales plus ou moins éloignées du noyau, mais ça, ça ne marche qu'avec des photons transportant assez d'énergie -- de la lumière visible ou des ultra-violets légers. La longeur d'onde des infra-rouges, en revanche, entre en résonnance avec les vibrations des molécules. Tout ça est loin d'être simple. Chaque molécule a ses modes de résonnances propres, lié aux distances et aux angles que font ses atomes, et peut prendre un photon de fréquence A pour passer d'un état peu excité M0 à un état excité MA ou un autre photon de fréquence B pour passer du même état M0 à un autre état MB...
Tout ça est rassemblé depuis des monceaux de résultats de recherches dans une grande base de données nommée "HITRAN" dans ce qu'on appelle des descriptions de "lignes" parce que dans un gaz suffisamment dans le vide, chaque absorption se traduit par un 'trou' de la largeur d'une ligne dans l'arc-en-ciel (promis, la prochaine fois, je dis directement 'le spectre') de la lumière qu'on essaie de faire passer à travers le gaz.

Cette histoire de ligne m'ennuyait. Parce que si une molécule telle que le CO2 ne peut absorber que photons faisant 700 cycles par cm, on aurait absolument aucune chance qu'elles puissent réchauffer quoi que ce soit, vu que la puissance rayonnée par la Terre, elle, s'étale continument et ne se concentre pas sur des "raies" de ce genre. Il y avait des indices sur des mécanismes prouvant que les "lignes" n'expliquent pas tout ça et là dans les articles autour de HITRAN, mais ce n'est qu'en découvrant le terme de "broadening" que j'ai commencé à trouver des réponses. On pourrait traduire ça par "étalement de spectre" en Français (la team PremierDegré range ses costumes de ghostbusters, merci): une série de phénomènes physiques qui font qu'une molécule au milieu de l'atmosphère ne se comporte pas toujours comme son modèle idéal quand elle passe de l'état M0 à MA et peut le faire en absorbant des photons allant d'une fréquence A-d à A+d.

Le premier de ces mécanismes que j'ai découvert est lié à l'effet Doppler (qu'on devrait renommer officiellement "effet de l'ambulance de Doppler"): si la molécule vient à la rencontre du photon (elle se déplace quand-même à pas loin de 500m/s, confirmés par une 3eme source indépendante), une fréquence plus lente peut entrer en résonnance. Si elle va dans le sens du photon, une fréquence plus rapide pourra réagir. Mais bon, 500m/s, on est encore très loin des 300,000 km/s du photon: l'effet n'est pas terrible, même si il a le bon goût d'être intuitif à expliquer et à comprendre pour qui a un peu lu sur les étoiles dont on mesure les vitesses d'éloignement.

La bonne nouvelle, c'est qu'avec le nom cet effet-là (baptisé aussi temperature broadening, parce que la vitesse des molécules dans le gaz dépend directement de sa température), on trouve assez facilement le nom de l'autre, celui qui marche vraiment dans l'atmosphère terrestre et qui fait que le spectre d'absorption du CO2 nous apparaît comme continu entre 13 et 17µm, c'est l'étalement de spectre liés aux collisions entre molécules de gaz: le pressure broadening. Celui-là est beaucoup moins évident à expliquer et je n'ai pas encore rencontré la publication qui permette de le comprendre sans avoir d'abord fait de la physique quantique, donc je vais utiliser une analogie de mon crû: si une molécule peut jouer le rôle d'antenne pour un photon à 700 cycles quand elle est dans des conditions normales (ses atomes sont à une distance habituelle les uns des autres, en équilibre avec leurs forces attractives et répulsives), on peut parfaitement imaginer qu'une collision avec une autre molécule à 500+500m/s la déforme l'espace d'un instant, un peu comme si on faisait une partie de billard avec des machins à ressort. Et pendant qu'elle est déformée, elle pourrait réagir à 690 cycles, puis à 695 pendant qu'elle se redresse, etc.

Par contre, ces phénomènes-là sont déjà à l'oeuvre sur les graphiques où l'on voit la toute petite fenêtre d'infra-rouges avec lesquels le CO2 sait interagir et le large spectre que la Terre rayonne.

Petite remarque: la plupart des références tournant autour de HITRAN ne nous parleront pas des fréquences d'infra-rouges en Herz, ni en longueur d'ondes classiques (autour de 14-15µm), mais avec des 'wave numbers' exprimés en 'par centimètres'. Je pense qu'il faut interpréter ça comme "nombre de cycles sur un centimètre", ce qu'on peut alors convertir en une longeur d'onde. Nos 700 cycles/cm (wavenumber = 700) se 14.2 microns.

Pour la suite, il faudra que je comprenne les implications de tout ça. https://www.youtube.com/watch?v=S5KJeUVL8aw a l'air mieux construit que la digression sur "sceptical science".

samedi, avril 06, 2019

El Niño ?

Bon, pour des infos sur El Niño, j'ai trouvé https://ggweather.com/enso/oni.htm

Je suis très tenté quand je vois une image pareille de tracer une grande ligne en travers des maximas pour bien montrer qu'ils montent, petit à petit, sauf que je n'ai aucune garantie que ce soit un signe de réchauffement climatique (à compléter avec l'analyse du GIEC sur le sujet: ils ont un bon morceau de chapitre pour El Niño), et il y aurait certainement d'autres données qu'on pourrait montrer qui iraient dans le sens de "bin non, ça n'évolue pas" donc, je vais juste garder les valeurs sous le coude pour quand j'en saurai plus sur le sujet.

Il y a aussi http://jfarmersalmanac.com/climate-change/2015-hottest-year-in-history/, avec un schéma intéressant qui met en vis-à-vis les années Niño/Niña avec la température (à définir)

Les données présentées ici sont du NOAA, qui permet une présentation en ligne de ses données: il suffit de donner la région géographique souhaitée, si on veut terre + océan, terre ou océan, et d'attendre un peu.

 La ligne "zéro" correspond ici à la moyenne sur la période 1910-2000. Donc bien sûr, il y a des pics historiques, des creux, etc. On est pas face à une montée monotone, mais je crois qu'on peut dire ici qu'on voit bel et bien une montée -- le système des écarts par rapport à la moyenne est idéal pour ça.

J'en profite au passage pour insister sur l'accès ouvert aux données: à aucun moment je n'ai dû m'identifier ni sortir ma carte de crédit pour obtenir l'information.
On est loin d'un scénario d'inquisition où seuls les initiés peuvent constater les causes de tel ou tel problème. Donc, non, on a pas tous les moyens de mettre en place son propre réseau météo pour constater la présence du réchauffement global depuis la terrasse de son immeuble, mais on a accès aux chiffres des réseaux de ce genre mis en place avec les deniers publics. Et celui qui veut quand-même mettre en route sa petite station météo pourra comparer ses relevés avec les relevés de sa région, si vraiment il pense que les chiffres pourraient être truqués.

mardi, avril 02, 2019

traverser de l'air à 400ppm

Sur base de mon calcul, il y aura une probabilité de 0.3 pour un photon de rencontrer une molécule de la taille du CO2 en traversant un mètre d'air à température et pression standard (soit contenant une mole dans 24 litres).

Une probabilité de 0.00012 de rencontrer une molécule de CO2. Puisque la probabilité de traverser 2m d'air sans être affecté vaut P(traverser le 1er mètre) ET P(traverser le 2nd mètre), on peut exprimer la probabilité de traverser N mètres d'air sans rencontrer de CO2 comme P(traverser un mètre) ^ N. Et ça, ça nous donne 43% de rayonnement encore en course à 7km d'altitude (grosso-modo à la hauteur de l'Everest). Et 16% encore en course à 15km (au début de la stratosphère).

Bien sûr, ce n'est qu'une borne inférieure, pour se fixer un ordre de grandeur: je n'ai pas tenu compte de l'atténuation de la densité au fur et à mesure qu'on s'élève ... Je suis parti d'un volume cylindrique d'un rayon de la taille d'une liaison C-O (115 picomètres). J'aimerais comparer ça avec les mesures d'un ballon-sonde équipé d'un détecteur infra-rouges.

lundi, mars 25, 2019

L'autre face : les aérosols

Le CO2 n'est pas le seul élément succeptible de modifier la quantité de chaleur que la Terre reçoit chaque année depuis l'espace et la quantité qu'elle est capable de réémettre vers l'espace.

Je reprends ici la figure 8.18 du 5eme rapport du GIEC qui rassemble les différents facteurs de réchauffement ou de refroidissement. On y voit par exemple en jaune, tout au dessus, les variations cyclique dûes aux taches solaires.
On y voit bien sûr aussi la contribution de type 'réchauffement' du CO2 et des autres gaz dits "à effet de serre" (baptisés WMGHC dans le rapport, ce qui nous rappelle qu'ils sont capables de se diffuser librement dans l'atmosphère contrairement à l'eau -- succeptible de former des nuages et des pluies).

Côté refroidissement, on a droit aux éruptions volcaniques, aux effets brutaux mais brefs et l'effet refroidissant des particules en suspension dans l'air (le terme prévu est 'aérosols atmosphériques'). Toutes les particules n'ont pas forcément un effet refroidissants et certaines ont aussi la possibilité d'interférer avec la formations des nuages, les rendant par exemple plus ou moins blancs (une histoire de taille de gouttelettes d'eau ... à creuser). La contribution de ces aérosols, c'est une donnée assez récemment introduite dans l'analyse du GIEC, avec des marges d'incertitude encore assez importantes.

Au final, c'est donc avec cette courbe en noir qu'il faudrait comparer la courbe d'évolution des températures, et pas uniquement avec la concentration en CO2 dans l'atmosphère. Ça permet par exemple de voir que les périodes où la température moyenne (cf. 'en Angleterre') redescend sur les 200 dernières années correspondent régulièrement à des périodes de forte activité volcaniques.

Enfin, ce serait l'idéal. Mais en fait je ne peux pas encore me servir de cette courbe-ci à ce stade du raisonnement, parce que du CO2, ça se mesure en part-par-million, pas en W/m². En clair, il faudra d'abord établir la relation entre concentration en CO2 et quantité de rayonnement infra-rouge émis par ce CO2.

edit: Une des premières références que j'ai trouvées sur cette relation, c'étaient les travaux de Myhre, directement référencés par le rapport du GIEC (et pointant eux-même des défauts d'anciens travaux du GIEC). Le radiative forcing (on va dire "forçage radiatif") est défini ici comme la variation d'irradiance entre l'époque pré-industrielle est l'époque courante (en bas de p. 2715). À l'époque (1998), on travaillait avec une simple formule mathématique (logarithme ou racine carrée) s'adaptant plus ou moins bien aux mesures. Une corrélation entre changement de température et 'forçage radiatif' dans ces conditions est donc équivalente à une corrélation avec le taux de CO2 puisqu'on se contentait d'estimer le forçage à partir du taux de CO2. On fait mieux depuis, heureusement. On note aussi que la relation entre les deux n'est pas linéaire, mais montre un impact plus fort d'une augmentation de 100ppm autour de 400ppm qu'autour de 800. A suivre. Mais ça reste quand-même très proche d'une relation linéaire entre 350 et 450ppm, hein.



dimanche, mars 17, 2019

Du côté du coeur ...

Avant de me lancer plus loin dans la compréhension des mécanismes permettant d'expliquer la différence entre la température observée sur Terre et la température que devrait avoir un corps noir recevant la même quantité de lumière que la Terre, je voulais éliminer une inconnue: la quantité de chaleur liée à la présence d'un coeur en fusion au centre de la planète.

Eh bien, pas grand-chose si on en croit les informations présentes sur Wikipédia. A savoir à peine 0.03% de la quantité de chaleur que dégage la Terre à sa surface. Je vais la tenir pour négligeable pour le reste de la discussion.

mercredi, mars 13, 2019

Pendant ce temps-là en Angleterre


Au cours de notre discussion sur le réchauffement climatique, Eric m'a sorti cette image montrant une évolution de la température en Angleterre qui peine à être influencée par les émissions de CO2. Avec un jeu de donnée qui remonte quand même à 1659!

Dans ce genre de comparaisons, il y aura quelques précautions à prendre. Tout d'abord, la zone géographique choisie pour suivre la température devra éviter les zones urbaines (on a pas envie de mesurer l'amélioration de l'isolant des maison au fil des siècels) et côtières (les masses d'eau sont lentes à réchauffer ou refroidir) le fait qu'on parle ici de "central England" (Bristol-Lancaster-Londres)met plutôt en confiance, et le site proposant le jeu de données (il s'agit du "hadcet") mentionne qu'ils ont pris soin de corriger l'effet des villes de -0.2°C. Pas parfait, mais en attendant d'avoir trouvé trois études qui prouveraient que c'est un mauvais choix, je vais leur accorder ma confiance là dessus aussi.

L'autre élément c'est évidemment de regarder (côté CO2) les concentrations globales dans l'atmosphère -- ou à défaut, les émissions globales. Regarder uniquement les émissions Anglaises, ce serait faire fi des effets de brassages des gaz capables de disséminer un "pic" de CO2 sur l'ensemble de la planète en l'espace d'un an, n'en déplaise au Docteur. Idéalement, il faudrait modérer ce taux de CO2 avec les autres effets découlant de l'activité humaine (antropogéniques ? je ne sais plus. Je ne suis pas météorologue), en particulier les concentrations en particules en suspension dans l'air (que le GIEC désigne sous le nom d'"aérosols") et qui ont généralement un effet refroidissant sur le climat ... une version réduite de l'hiver-qui-éteint-les-dinosaures, si je peux oser un appel à votre mémoire d'enfant sans pour autant devenir alarmiste.

Les conditions semblent donc réunies pour avoir un test pas idéal, mais valable, si ce n'est cette espèce de grosse flèche verte, tout rectiligne supposée nous montrer la "tendance" et nous convaincre que tout ça correspond à +0.26°C par siècle d'une façon totalement indépendante des émissions, et qui a plus un look de propagande que d'information scientifique.

source: MET office, retrieved on Mar 12th 2019.
Eh bien figurez vous que le bureau du MET met non seulement les données à notre disposition dans un format compatible avec gnuméric, mais nous offre en plus un aperçu de ces données en graphique, avec mise à jour quotidienne.

La valeur de 0.0 sur ce graphique, c'est la température moyenne sur l'ensemble du jeu de données, soit quelque part autour de 9.2°C. Vu comme ça, il y a très nettement deux périodes dans l'histoire des températures Anglaises sur les 3 derniers siècles: une longue période jusqu'aux alentours de 1940 où la température moyenne est presque toujours sous cette moyenne de 9.2, et une autre où on est presque toujours au-dessus.

Mais tout ça reste très fluctuant, et on aurait bien du mal à dire si c'est une augmentation progressive ou brusque rien qu'avec les mesures en bleu. Heureusement, le MET nous calcule également la moyenne sur les 10 dernières années en tout point (la courbe rouge). Plus facile à suivre mais encore très oscillante. Trop à mon gout pour qu'on puisse s'en servir pour observer une tendance de quelque type que ce soit.


J'ouvre donc tout ça dans mon tableur et je me calcule une moyenne avec une fenetre glissante de 30 ans de large. ça donne la courbe rose. je n'ai pas de valeur pour les 30 premières années du coup, évidemment, mais sur ce graphique, il devient évident que la tendance entre 1720 et 1930 est à un plat, et qu'après 1930, la tendance est à la hausse, avec une forte accélération de cette hausse à partir de 1990.

Pourvu qu'on se souvienne de l'inertie de 10-20 qu'une émission de CO2 peut avoir avant de se traduire en effet perceptible sur le climat, il devient difficile de continuer à dire qu'il n'y a pas de lien entre les deux.

Reste le dernier truc, cette ligne à 17°C de moyenne étiquetée "prévision du modèle pour 2100". La pente de la courbe rose observée ces 50 dernières années correspond à +1.5°C par siècle, et celle des 20 dernières années à +2.8°C par siècle. Alors effectivement, on retrouve une pente similaire entre 1700 et 1737, mais elle suivait là un demi-siècle de refroidissement, pas un demi-siècle de réchauffement plus lent. Tout à fait d'accord: 10.2 + 2.8, on serait à la fin du siècle vers 13°C de moyenne, pas 17, mais ça, ce n'est pas un modèle climatologique: c'est juste une ligne droite tracée au bout d'un graphique, comme un sales manager qui tente de convaincre son conseil d'administration. Et évidemment, le graphique d'origine ne nous dit en rien si ce modèle est un des plus pessimistes (la vitesse d'augmentation des facteurs de réchauffement est maintenue) ou non. Mais bon, ce genre de discussion, ce sera pour plus tard: il faudra d'abord que je retourne à la chasse aux infos. On ne sait pas non plus si ce 17°C est la valeur en Angleterre ou une valeur moyenne pour la Terre (estimée à 15°C actuellement ... les 17°C ne seraient plus qu'à 2°C et donc tout à fait plausibles).

Et non, on arrive pas avec le même résultat sur l'image d'origine: elle s'arrête en 2009, or 80% des années parmi les 10 plus chaudes (au niveau planétaire - HadCRTU4, cette fois) sont entre 2009 et 2018. Donc, si on vous colle un graphique de ce genre, exigez d'abord qu'il aille jusqu'à l'année en cours avant de passer autant de temps que moi dessus.

NOTE: l'inertie de 10-20 ans, c'est juste lu dans le rapport du GIEC pour l'instant. A analyser, mais ça ne me semble pas ridicule vu qu'il faut d'abord réchauffer une énorme masse d'océans -- facteur calorimétrique de 4180 -- avec de l'air -- facteur 1005 -- avant d'arriver à réchauffer durablement l'air lui-même.