De HITRAN à la saturation

 

Prendre la base de données HITRAN pour en construire un modèle du spectre infrarouge qu'on devrait observer quand on regarde la Terre depuis l'espace... c'est loin d'être un travail trivial, mais c'est ce qu'ont proposé W. Zhong et J. Haigh dès 2013, avec un résultat qui ressemble assez bien aux observations satellites (qu'il faut encore que je trouve pour vérifier ça). Si ça se confirme, ça enterre définitivement l'hypothèse de saturation de l'absorption par le CO2 qu'avait proclamé le fils Angström lors de ses essais en laboratoire.

L'avantage, c'est que du coup, on peut aussi regarder ce qu'on devrait avoir comme résultat si le CO2 n'avait aucun impact, ou s'il y avait 2x ou 10x plus de CO2 qu'à l'heure actuelle.

Un résultat (25% des absorptions directement dûes à la présence de CO2) qui contraste fortement avec les observations qui sont faites au niveau du sol, et qui met bien en évidence les étalements de spectre passant de la "fréquence unique à 15µm" en une plage de 13-17µm (à l'oeil en regardant la figure).

Il n'y a pas vraiment de démonstration des causes de cette différence dans l'article (j'espère en trouver plus dans un des articles cités) mais on y cite la différence de température et de composition des hautes couches de l'atmosphère par rapport à la couche la plus proche de la surface. Bin oui: si le spectre quasi-continu d'absorption de la vapeur d'eau permet de capturer disons entre 200 et 400 m d'altitude une grande partie du rayonnement IR venant de la surface, cet air-là rayonne à son tour de l'énergie, mais cette fois comme un corps noir à sa température, et pas à la température de surface.

Je vois assez mal le CO2 en faire de même, vu qu'il a moins de modes de vibrations et donc moins de fréquences auquelles il peut ré-émettre des photons. Ce serait d'ailleurs la raison d'être du 'pic' à 15µm au centre du creux: les infra-rouges réémis directement par le CO2 de la haute atmosphère et qui parvient enfin à prendre la tangente.

Les satellites qui ont servi à valider le modèle sont des satellites météo: AIRS et CrIS. Tous deux capables d'analyser le spectre infra-rouge jusqu'à 15µm (ou un peu en-dessous), mais clairement pas pour les longueur d'ondes plus élevées (pas encore). Au moins on y constate une bonne correspondance du 'creux' centré sur la fréquence d'émission du CO2, son pic de ré-émission propre, mais rien de la partie "montante" de la courbe. Et je n'ai malheureusement pas trouvé de dataset ouvert ce coup-ci: le satellite est prévu pour faire des images du ciel où on estime la quantité d'eau dans l'air et son altitude, pas pour étudier le réchauffement directement.

dossier à suivre -- fenêtre atmosphérique

Il y avait une conférence-climat près de l'Université, la semaine dernière, donnée par un des climatologue travaillant sur le modèle de climat Wallon. Et il avait justement réutilisé le diagrame de futurasciencesq de Dr Goulu que j'avais rencontré plusieurs fois l'hiver dernier:

L'orateur (pardon, j'ai oublié son nom) affirmait aussi que "si, si, on peut parfaitement calculer la contribution du CO2 au réchauffement à partir de son spectre d'absorption, pas besoin de faire des hypothèse sur le taux d'humidité dans l'air". Bonne nouvelle. Moi, je m'étais égaré dans une tentative de modélisation du transfert de la chaleur depuis près-de-la-surface vers haut-dans-l'atmosphère par une version allégée des calculs d'éléments finis. Malheureusement, il manque les unités de puissance sur le schéma en question.


https://climatorealiste.com/effet-de-serre/ par contre, a un schéma avec des mesures de puissance à creuser (et un assez bon article pour aller avec, d'ailleurs).

Je trouve intéressant le fait que dans la région d'absorption du CO2, la quantité d'infra-rouges qui ont traversé l'atmosphère n'est pas nulle. Ça n'invalide pas forcément l'hypothèse selon laquelle il y aurait saturation de l'effet du CO2, mais il faudra que les gens qui soutiennent cette hypothèse bétonnent sérieusement leurs arguments, parce que pour moi, cette courbe montre qu'il y a encore moyen de capturer 50mW/m²-truc-machin.

L'autre élément intéressant est situé tout à gauche de ce schéma, dans les plus basses fréquences, où la vapeur d'eau est sensée avoir un effet maximal ... et où on voit pourtant un rayonnement deux fois plus puissant que dans la zone d'intervention du CO2. Parce que si ça se confirme (j'aimerais bien retrouver l'article à l'origine de ces données), c'est probablement la preuve la plus évidente que les mécanismes à l'oeuvre sont plus complexes que ce qu'on peut reproduire en mettant dans 1m de tube à essai la quantité de molécules de CO2 présente sur les kilomètres d'atmosphère qui nous entourent.

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.