L’effet de serre (le vrai !)

L'effet de serre atmosphérique et l'effet de serre ordinaire procèdent de la même physique très simple, n'ayant absolument RIEN-À-VOIR avec d'imaginaires « gaz à effet de serre » (!).

L'effet de serre résulte du flux solaire d'une puissance d'environ 0,3 kW/m² dans de bonnes conditions. Ce flux réchauffe pour partie le sol et les objets, ce qui se transmet à l'air en contact sous forme de chaleur directe (calories) ou de chaleur latente (évaporations). Il s'ensuit une agitation de l'air limité aux parois de la serre (dans le cas d'une serre) ou à l'épaisseur de la couche convective (dans le cas général). L'air étant constitué de divers gaz peu transmetteurs, les calories ainsi acquises le restent longtemps.

Il y a aussi de la chaleur qui est réfléchie. Ce point, qui ne fait pas polémique et ne participe pas à l'effet de serre, sera juste cité ici pour mémoire.

 

Les conditions nécessaires à cet état de fait sont réunies  :

- L'air, comme la plupart des gaz, serait un isolant, si ce n'était pas un fluide. Les isolants sont par ailleurs souvent constitués d'air figé dans un substrat. Ainsi, avec de la laine de verre, ce n'est pas la laine qui isole, mais bien l'air qui y est enfermé. Ceci dit, les corps physiques ont faculté de conservation de la chaleur et des calories acquises d'autant mieux qu'il leur est difficile de la transmettre, ce qui est le cas des corps gazeux. (Faire des isolants à partir de vide est encore plus efficace, mais ils ne garderaient pas de chaleur).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- L'air est transparent aux radiations. (En fait presque... Mais nous verrons plus loin que si elles existaient tout de même, celles-ci sont assez minimes pour être sans réel impact en pratique, car les règles aérologiques développées plus loin, qui ne prennent pas en compte cette hypothèse, restituent des prévisions vérifiées. Bref, oubliez tout ce qui se raconte sur de prétendus « gaz à effet de serre ».) En toute rigueur, les radiations traversent sans pertes le vide alors que ce n'est pas tout à fait le cas de l'air, notamment près du sol en raison des poussières en suspension. Le flux solaire serait de 0,38 kW/m² dans l'espace en orbites basses pour 0,3 au sol (« Radiation Solar » : Qiang Fu, University of Washington.). Ces pertes sont sans grande importance. Il y a toutefois le cas des nuages qui est particulier (air saturé) mais dont l'impact est tout à fait prévisible (ils font surtout de l'ombre le jour et retiennent de la chaleur de nuit).

 

Donc,...

 

L'air n'absorbe pas de chaleur à distance. L'air ne peut chauffer que de trois manières :

- 1) Au contact (sol chauffé par le soleil ou autre chose, autre masse d'air si surface frontale)

- 2) Par compression (inversement, il se refroidit par détente, notamment en s'élevant en altitude)

- 3) En présence de condensation (les orages puisent l'essentiel de leur énergie ainsi).

 

L'air reçoit et transmet des calories par agitation. C'est en limitant cette agitation (milieu clos) que se forme l'effet de serre.

 

Revenons maintenant sur nos trois manières de réchauffer l'air :

 

- 1bis, contacts) C'est si vrai qu'une bonne transmission de calories à l'air suppose de bonnes surfaces de contact. Ainsi les dispositifs mécaniques ou électroniques à refroidir à l'air doivent-ils disposer de radiateurs efficaces présentant de bonnes surfaces de contact.

 

 

 

 

L'évacuation des calories peut nécessiter une ventilation forcée, mais l'établissement d'une convection naturelle est généralement suffisante.

Notons la danse des flammes (incendies & feux de camp) lorsque la chaleur du feu se transmet à l'air.

Les zones bien exposées sont les plus favorables aux ascendances, mais c'est encore mieux avec les sols accidentés, parkings bien fréquentés, gares de triages, ce que l'expérience vélivole confirme.

 

- 2bis, compression) Lorsque l'air redescend, celui-ci se réchauffe puisque la pression monte. On explique ainsi l'existence de « trous de Foehn » sous le vent des montagnes. C'est cependant le phénomène inverse, c'est-à-dire de détente et ce faisant de refroidissement, qui permet de comprendre comment et pourquoi les calories venues du soleil sont transportées ailleurs.

 

- 3bis, condensation) Une partie importante de l'énergie solaire est récupérée sous forme d'évaporations. Ainsi une part de cette énergie arrivant au sol qui n'est pas transformée en chaleur directe, l'est en chaleur latente, laquelle est restituée dans les nuages par condensation.

 

Considérons maintenant les deux types d'effets de serre

 

1) « Effet de serre » en serre,

La convection est forcément limitée par les parois de la serre, ce qui limite la diffusion de la chaleur. La température monte alors d'autant que l'air réchauffé est incapable de s'échapper.

 

 

C'est extrêmement simple à comprendre !

 

 

Une serre permet tout à fait la modélisation de climats,

 

- Climat désertique : Dans une serre il suffit de ne jamais arroser le sol en terre battue pour simuler un climat désertique. Comme nous pourrions nous y attendre, rien ne peut pousser dans une telle serre. Les températures y seront très élevées le jour et très froides l'hiver (une telle serre ne protège pas des gelées !)

- Climat tropical humide : Imaginons pouvoir disposer d'une très grande serre (au point de pouvoir y mettre des arbres). Arrosons le sol abondamment (au moins au début, si nécessaire par la suite) et chauffons cette serre (seulement au début et, peut-être [?] en cas de longs défauts d'ensoleillement.). Au bout d'un certain temps, le climat souhaité tropical humide y sera parfaitement modélisé. Y planter tout de suite la végétation luxuriante attendue fait gagner du temps bien sûr. Notons que les gelées extérieures n'affectent pas l'intérieur, d'autant que de la rosée nocturne sera toujours présente sur les parois (rappel : la condensation restitue de la chaleur !).

Serre tropicale

 

2) « Effet de serre » atmosphérique,

Nous allons ici retrouver les mêmes éléments, à savoir le soleil qui chauffe le sol, provocant une agitation de l'air au contact de celui-ci, ce qui déclenche un mouvement de convection cohérent les jours de beau temps relativement calmes. Ceux-ci constituent la situation la plus simple mais souvent présente. Les journées venteuses, par exemple, rendront plus difficiles l'établissement de mouvements convectifs cohérents. Par ailleurs, l'action du soleil et du vent favorise également l'évaporation, ce qui se traduit par une récupération de l'énergie sous forme de chaleur latente, en plus de l'échauffement direct de l'air. Mais vous verrez que cela revient au même puisque cette chaleur latente sera récupérée sous forme de calories dans les nuages par condensation. Pour simplifier on approfondira donc seulement ce qui se passe par beau temps, le reste étant complémentaire. L'effet de serre considéré dépend ici de l'épaisseur de la couche convective un peu comme celui d'une serre dépend des paroies. L'étude du phénomène sera facilité par un graphique nommé émagramme. Cela consiste à établir un profil de l'air au dessus de tel ou tel lieu.

Pour ce faire, nous avons besoin de relever la température et l'humidité relative à différentes altitudes-pression. De tels relevés sont effectués régulièrement par la météorologie nationale (devenue Météo-France à cause de l'UE), par exemple à midi et à minuit pour la station de Bordeaux-Mérignac. Aujourd'hui des modèles informatiques sont capables de restituer des profils valables en toutes heures et en tous lieux à partir des vrais sondages existants et des mesures au sol disponibles en temps réel à toute heure.

L'émagramme est un graphique sur lequel est portée la courbe de l'évolution de la température en fonction de l'altitude. Sur l'axe horizontal (abscisse) sont portées les températures. L'axe vertical (ordonnée) représente l'altitude. Notons que les météorologistes préfèrent se référer à la pression alors que les vélivoles préfèrent y indiquer l'altitude. Cela revient au même, avec à l'intersection des axes une altitude zéro ou une pression de 1000 hectopascals (ou 1000 millibars, c'est pareil). Deux types de lignes parallèles appelées adiabatiques sont rajoutés sur le graphique afin de servir de repères. L'adiabatique sèche représente la pente que suivrait une particule d'air non saturée s'élevant en altitude. L'adiabatique humide représente la pente que suivrait une particule d'air saturée s'élevant en altitude. On les dit « adiabatiques » parce que cela suppose une absence totale d'échange avec le milieu. La particule se refroidit en s'élevant puisqu'elle se détend, ce conformément et tout simplement par application de la Loi de Mariotte. L'adiabatique humide suit une pente plus forte parce que la condensation restitue sa chaleur latente.

 Émagramme (base graphique sans relevées)

 

La pente caractéristique relevée (ou calculée) permettra d'établir la caractéristique de stabilité ou d'instabilité de la masse d'air sur les espaces à considérer. La règle consiste à considérer que tout mouvement d'une particule d'air vers le haut suit exactement une des lignes adiabatiques. Si celle-ci se refroidit moins que l'air ambiant, elle va continuer sa course. Donc si la courbe d'état reste à gauche d'une adiabatique tirée au point origine, l'air est instable en ce qui concerne la partie considérée. Dans le cas contraire, l'air est stable. Notons que parfois, nous pouvons relever sur la courbe d'état un intervalle où la température augmente avec l'altitude. Ce phénomène, qui est appelé « inversion », bloque généralement toute convection.

En plus de la courbe des températures, il est possible d'en ajouter une autre représentant l'évolution du point de rosée. Si les deux courbes se croisent, il y a condensation et formation d'un nuage (cumulus). Nous devrons, à partir de ce point, ne plus nous référer à l'adiabatique sèche, mais à l'adiabatique humide.

Dès que le soleil est levé, il y a une couche convective. Celle-ci commence au sol et peut s'étendre sur seulement quelques centimètres de hauteur jusqu'à plus de 10.000 mètres et au maximum jusqu'à la tropopause. L'air très près du sol s'échauffe immédiatement mais une convection conséquente ne s'établira que lorsque la température au sol sera en mesure de vaincre et donc de réduire l'inversion nocturne. L'émagramme permet de connaître cette température requise en traçant une parallèle à l'adiabatique du sommet de l'inversion à l'axe horizontal afin d'y lire là à quelle température ça correspond.

Son épaisseur restera minime si la température au sol se révèle incapable de dépasser la température requise pour vaincre l'inversion nocturne. Cela est courant en hiver alors qu'en été l'inversion nocturne est rapidement vaincue.

 

Exemple d'un relevé (sondage imaginaire) du matin. La courbe rouge représente l'évolution de la température et la bleu celle du point de rosée. On note la présence de l'inversion nocturne. Celle-ci sera vaincue lorsque la température sera de 12,5°C au sol et des thermiques vont apparaître. Ceux-ci seront surmontés d'un nuage à 1200m plafonnant à un peu moins de 2000m. C'est l'intersection entre la courbe de la température et celle du point de rosée qui correspond au changement de régime thermique. Une forte inversion vers 2000m bloque toute progression au delà.

 

Le profil d'air de beau temps le plus typique au lever du soleil se caractérise par quatre parties remarquables, avec de bas en haut :

- Une inversion dite nocturne, toujours au raz du sol, plus ou moins épaisse mais jamais très haute. On la dit nocturne puisque celle-ci s'est formée durant la nuit, surtout lorsque celle-ci a été claire, le sol s'étant notablement refroidi... Ainsi que l'air au contact !

- Une tranche potentiellement instable. Par beau temps sans nuage, celle-ci est épaisse de plusieurs centaines de mètres.

- Une seconde inversion, dite de subsidence, car ce niveau correspond un peu à un affaissement de l'air par accumulation d'air chaud sauf que l'air propre de haute altitude remplace l'air instable en fait. Cette inversion là, qui descend de jours en jours de plus en plus bas d'autant que dure le beau temps anticyclonique est particulièrement détestée des vélivoles !

- Au dessus l'air est stable.

Des couches convectives de grandes épaisseurs sont possibles après renouvellement de l'air suite au passage d'une perturbation. Le profil d'une telle masse d'air peut révéler une instabilité sur la totalité de l'air jusqu'à la tropopause. Ce genre de situation se présente notamment dans la partie la plus active de la « traîne » d'un système nuageux. On y trouve alors des orages (Cb) dont une des caractéristique est la forme, vus de loin, en enclume de ces nuages, le sommet de l'enclume atteignant la tropopause et s'étalant sous elle. L'amorçage d'un orage peut relever de causes multiples contrairement aux cumulus de beau temps et plus encore aux thermiques purs toujours directement liés au flux solaire. L'essentiel de la force d'un orage tient à la restitution de chaleur latente accumulée par évaporation de l'eau. (Nous sortons là de notre exemple de beau temps ; Celà démontre cependant que nos hypothèses restent valables même étendues à d'autres situations, notamment que l'énergie reste confinée au moins à la tropopause, et donc qu'un effet de serre reste assuré par confinement dans tous les cas, et pas autrement !)

 

En résumé, et pour conclure, l'effet de serre atmosphérique résulte d'un confinement, et en aucune façon de l'interception de rayonnements incidents ou réfléchis par de prétendus « gaz à effet de serre ».

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C'est cette thermo-mécanique, finalement assez simple, qui rend nos climats si agréables et la vie sur Terre possible. Les « gaz à effet de serre » n'existent tout simplement pas. Et s'ils existaient, tout ce que je viens de vous expliquer ne fonctionnerait pas ! Or tout cela fonctionne parfaitement conformément à la théorie, ce que la pratique démontre tous les jours que Dieu fait : Demandez à n'importe quel vélivole, qu'il soit pilote de planeur, parapentiste ou même oiseau, il vous le confirmera !