Tout le monde constate qu’en général la température a l’intérieur d’une serre est plus élevé que celle à l’extérieur.

La théorie de l’effet de serre s’appelle ainsi parce qu’elle dit que c’est « l’effet de serre » (les phénomènes radiatifs) qui sont la cause principale de cette température élevée.

Examinons le modèle d’une serre idéale.

On suppose le sol de la serre bien noire et ses cotés « sans importance ».

Il y a 2 différences par rapport au modèle plan vu précédemment.

-          Ce qui se passe de « l’autre coté du sol ».

-          L’existence de l’air dans la serre.

Le fait qu’il y ait de l’air fait que l’on doit prendre en compte d’un phénomène jusqu’ici ignoré : la convection thermique (on négligera la conduction). De plus on supposera l’air sec et on négligera les phénomènes de changement de phase.

L’air s’échauffe au contact du sol (phénomène dont la description est délicate : on suppose que les température s’ajustent) et monte pour être remplacé par de l’air froid. L’air chaud qui a monté échauffe le verre (qui lui même se refroidit au contact de l’air extérieur).

L’examen du sol de la serre pose un problème encore plus ardu. En effet, il n’y a plus de rayonnement thermique de « l’autre coté » du sol. On va supposer que le régime thermique est à l’équilibre, que la capacité calorifique de ce sol est sans importance et que la conduction thermique dans le sol est aussi négligeable. Ces hypothèses simplifient grandement les modèles et consiste à supposer qu’il « n’y a pas d’autre coté ».

Le modèle radiatif.

Du point de vue « effet de serre », ces hypothèses amènent au modèle plan avec des verres des 2 cotés et un doublement de l’énergie incidente.

Le modèle « convection-conduction »

Il se traduit par le profil de température suivant.

Tsol

Tair à 0 m = Tsol

Un gradient de température dans la serre.

T haut serre = Tverre bas

Un gradient de température dans le verre (conduction)

T verre haut = T extérieur (paramètre externe).

On peut considérer que T extérieur est la température « sans la serre » (la hauteur entraine une différence marginale).

Le brassage de l’air dans la serre par convection entraine une assez grande homogénéité de température. Le gradient est de quelques degrés . Tsol = Tverre base + x.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Conduction_thermique

Le flux d’énergie est lambda * (Text – T verre bas)/e ou lambda est  le coefficient de conductivité thermique.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Conductivit%C3%A9_thermique

Pour le verre lambda = 1,2 W/m/K. C’est un isolant médiocre.

Pour un verre d’épaisseur 1 cm,

Le flux est  120 * (Text – T verre bas) W /m2

En définitive la différence de température entre le sol et l’extérieur est Tsol-Text = Fts/120 + x

Fts est le flux thermique émis par le sol (non radiatif).

On va chercher un cas pratique :

On néglige la position du soleil, on considère que l’environnement fournit le flux d’énergie incident Fi. Ceci permet la température extérieure à 15 C. On suppose la différence de température est de l’ordre de 11 K (et x=1) .

Avec le modèle « convection-conduction », Fts = 1200 W/m2.

Le sol à 299 K émet aussi un flux radiatif Frs = 453 W/m2

Le verre (émissivité de 0,89) à 288 K émet un flux radiatif dans les 2 directions de 346/2 = 173 W/m2

Sans la serre, le sol est à 288K et émet de façon radiative 390 W/m2. Il émet aussi Fts2. Il reçoit donc le flux incident Fi = Fts2 + 390.

Ce flux incident est supposé être le même que celui avec la serre moins ce que renvoie le verre.

Fi = 1200 + 453 – 173 = 1480 W/m2.

D’où Fts2 = 1090 w/m2.

La présence du verre a donc 3 effets :

L’augmentation du flux thermique émis du sol + 110 W/m2.

L’envoi d’énergie par le verre vers le sol +173 W/m2.

Un surplus d’énergie radiative depuis le sol  63 W/m2.

L’effet de serre augmente le flux incident de 173/1480 = 11%. En terme de température c’est 2,8% (8 K).

Examinons le problème de l’isolation

Si l’isolation du verre était parfaite, Fts serait égal à 0. Frs = 1480 +  173 =  1653. La température du sol serait de 413K.

Si l’isolation du verre était nulle, le modèle de profil de température ramène à Tsol = Text +x. Il n’y a pratiquement pas d’élévation de température. Tout le surplus d’énergie reçu est perdu par convection.

Qu’en déduire ?

On remarque que l’émission radiative du verre est dû à sa température. Celle-ci est en équilibre avec l’air extérieur. Le caractère absorbant du verre est complètement négligé.

Ce qui joue ici ce n’est donc pas cette faculté d’absorption mais l’émissivité du verre. Contrairement à l’air dont l’émissivité est très faible, son émissivité de 0,89 n’est pas négligeable.

D’autre part, ces calculent indiquent aussi que le critère premier qui fixe la valeur de la température de la serre est l’isolation de celle-ci.

Enfin si l’air n’était pas confiné, il n’y aurait pas surchauffe.

Au final, dire que la température de la serre est plus élevée à cause du phénomène de réémission IR du verre est exagéré. Il n’y a pas que cela

Surtout, l’autre pilier de la théorie l’effet de serre (l‘absorption du verre) ne joue aucun rôle particulier.

UNE SERRE N’EST PAS CHAUFFEE GRACE A « L’EFFET DE SERRE ».

Considération sur la véracité de l’article.

Cela se veut être une modélisation de ce qui se passe dans une serre.

Ce n’est qu’un modèle. Il est établit sur des phénomènes physiques « solides ».

Par contre, c’est un modèle simplifié.

Les valeurs d’expérience ne sont qu’estimées.

Toutefois ce modèle est assez solide pour prouver 2 choses.

-          La réémission thermique du verre en direction du sol existe mais n’a qu’une importance relative.

-          Surtout, l’absorption radiatif par le verre n’a aucune importance. Ce qui laisse penser que l’expérience de Robert Wiliam cité précédemment est exacte.

Les calculs précédents montrent que certains corps aux propriétés radiatives particulières (transparence au rayonnement incident et opacité au rayonnement thermique) permettent une augmentation de température de la « surface exposée au soleil ».

Il n’est pas question de nier l’existence de ces phénomènes : transparence, absorption et émission thermique. Les calculs de l’effet  de serre « idéal » sont donc acceptés.

La théorie de l’effet de serre c’est plus que cela. C’est un modèle simplifiée d’un système thermique complexe. Etre « vrai » pour un tel modèle c’est être efficace. C'est-à-dire décrire correctement « en première grandeur » ce qui se passe.

En conséquence, la théorie de l’effet de serre dit que (après le rayonnement solaire et l’albédo), ce qui fixe la température de l’atmosphère est la teneur en « gaz à effet de serre » à cause de l’absorption et du rayonnement retour de l’atmosphère vers le sol.

Personne (même les tenants de l’effet de serre) ne rejette les phénomènes complémentaires dont voici une liste non exhaustive :

-          Convection dans l’atmosphère

-          Conduction dans l’atmosphère et aux interfaces atmosphères –sol atmosphère-océan.

-          Changement de phase (l’eau essentiellement).

-          Absorption des  ondes électromagnétiques  par les différentes constituants (ozone, aérosol,…) de l’atmosphère de l’océan et de la surface du sol.

-          Champ magnétiques.

-          Variation solaire.

-          Rayons cosmiques.

-          Constitution chimique de l’atmosphère de l’océan et de la surface du sol.

-          Constitution physique des corps de l’atmosphère de l’océan et de la surface du sol (surtout pour l’eau).

-          Coefficient d’émissivité de l’atmosphère de l’océan et de la surface du sol.

-          Réflexions (les nuages notamment)

Bref on conçoit qu’un modèle simplifiée n’est pas forcément quelque chose de négligeable. Mais simplifié ne veut pas dire simpliste.

En définitive, la théorie de l’effet de serre dit que ce qui fixe la température moyenne de la « basse atmosphère » (au niveau du sol) c’est dans l’ordre : le soleil (la puissance de la radiation) puis l’albédo puis la teneur en gaz à effet serre.  Il est admis que d’autres phénomènes jouent : mais dans des proportions moindres.

La conséquence de cette théorie est que si la puissance solaire est constante et l’albédo aussi, alors le paramètre principal pour la température moyenne au sol est la teneur en gaz à effet de serre.

Dans le détail, comme le mécanisme décrit est une boucle à rétroaction positive (plus il y a de gaz à effet de serre, plus il réchauffe le sol, plus celui émet, plus le gaz absorbe et plus il réchauffe) :la relation est plutôt exponentielle que linéaire. Comme l’on est dans des faibles valeurs, le caractère exponentiel peut rester masqué (= développement limité de la fonction exponentielle autour de 0).

Considération sur la « véracité » de cette article.

Il n’y a pas ici d’éléments de réfutation. C’est plutôt d’une mise en ordre dont il s’agit.

Personne ne peut nier qu’il existe une énorme confusion sur la signification de l’effet de serre. Les 14 formulations cités le prouvent.

Personne ne peut nier que le phénomène physique (atmosphère + sol + océan) est complexe et que la liste citée ici n’est qu’une première approche.

La réduction de la théorie de l’effet de serre a un modèle peut être discutée. Elle va dans le sens de « moins d’ambition ». Si c’est « plus qu’un modèle », il faudrait dire quelle ambition cela a en plus.

Au final, la vision formulée ici de la théorie de l’effet de serre n’est pas « prouvée ». Mais ce serait plutôt aux défenseurs de cette théorie de l’expliciter.

Remarque complémentaire. C’est de la théorie de l’effet de serre dont il s’agit ici. Les calculs alambiqués menés par le GIEC pour simuler le climat ne sont pas concernés. Il est impossible d’en discuter puisque les paramètres de ces modèles sont inconnus. Il n’est pas certain que ces modèles relèvent de la théorie de l’effet de serre bien que les commentaires qui en sont fait, laisse supposer que ces modèles s’appuient principalement sur l’effet de serre (alors si l’effet de serre est erroné, ces modèles sont aussi entachés d’erreur).

Rappel du modèle

Supposons une surface complètement noire (albédo 0) de grande dimension flottant de la le « vide » de l’espace et faisant face au soleil. On va considérer 1 m2 de cette surface (au milieu).

Le flux solaire arrivant Fs est grossièrement constant (si l’on veut faire le calcul, on pourra prendre la valeur au niveau de l’orbite terrestre : 1400 W/m2).

On place « juste devant » ce corps noir 2 verres aux propriétés optiques parfaites.

Cheminons sur le flux d’énergie

Le flux solaire incident Fs traverse les 2 verres (parfaits). Et est complètement absorbé par la surface noire. La surface noire s’échauffe T1 elle émet des 2 coté F1 = Fs/2. Le premier verre capte tout F1 et s’échauffe, il émet « des 2 cotés F2 = Fs/4. La partie de F2 qui revient vers la surface noire est tout absorbé.

Le second verre absorbe sa aussi F2/4. Il s’échauffe et émet des 2 cotés  F3 = F2/2 = Fs/8. Une partie se « perd dans le soleil ». L’autre est captée par le premier verre qui se surchauffe et émet des 2 cotés F2/4. L’allée retour entre les 2 verres pour ce premier cycle (F2) se traduit par une dissipation dans l’espace de 2/3 F2 et un surplus de 1/3 F2 sur le premier verre Ce surplus va vers la surface noire.

En tout pour ce premier « cycle » la surface noire reçoit un surplus de Fa = F2 + 1/3 F2 = 4/3 F2 = 1/3 Fs. Ce surplus ce répartie en Fa/2 = Fs/6 = 2/3 F2 dans les 2 sens.

Il faut réitérer le raisonnement pour les « autres cycles ».Le cycle un correspond à une réémission de Fs/2 par la surface noire, le cycle 2 à Fs/6. A chaque fois c’est multiplié par 1/3.

En tout, le surplus reçu par la surface noire est Fs/3*somme((1/3)^n)=  Fs/3 * 3/2 =Fs/2

La partie dissipée du coté du soleil est 2/3 F2 * 3/2 = Fs/4

La partie envoyé à l’opposée du soleil est Fs/2 + Fs/4 =3Fs/4

Il y a bien conservation de l’énergie.

Avec une couche, on a un diviseur 2/3 – 1/3.

Avec 2 couches, on a un diviseur 3/4 – 1 / 4.

Avec n couches ; on a un diviseur (n-1)/n, - 1/n.

La multiplication des couches de verre aboutit à une transmission quasi-totale (rien en retour du soleil). La température de la surface est alors racine4 (F/ sygma), c'est-à-dire racine4(2) = 1,19 fois plus élevé que sans dispositif.