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Atomes et matière, ISBN 978-2919314-027, 360 pages, 34 €

Mécanique céleste et Cosmologie, ISBN 978-2919314-003, 158 pages, 18 €

Atoms and matter ISBN 978-2919314-034, 338 pages 34 €

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LE PROTOCOLE DE KYOTO, POURQUOI FAIRE ?

Réchauffement de la planète.

Gaz à effet de serre.

Les écolos de tous poils nous alarment sur les dangers que représentent les activités humaines produisant des gaz à effet de serre, avec, bien sûr, pour conséquence première, le réchauffement de la planète.

Savent-ils de quoi ils parlent ?

Soumettons-leur quelques éléments de calcul :

Teneur en CO₂ de l’atmosphère

La consommation mondiale d’énergie pour l’an 2000 était d’environ 12 milliards Tep (tonne équivalent pétrole). L’augmentation de la consommation d’une année sur l’autre est de l’ordre de 5 % bien que l’émergence de la Chine ces dernières années puisse conduire à une croissance plus forte Cette consommation comprend les sources fossiles, les hydrocarbures, les combustibles solides, les gaz, ainsi que l’électricité d’origine hydraulique et le nucléaire. Comme ces deux dernières représentent moins de 10 % du total nous considérerons que l’ensemble des énergies consommées à la surface de la planète produit des gaz à effet de serre.

Les combustibles fossiles sont essentiellement composés de carbone ¹²C et d’hydrogène. Le carbone se combine à l’oxygène de l’air et donne le CO₂ , l’hydrogène se combine également à l’oxygène et produit de l’eau H₂O sous forme de vapeur. Les molécules d’hydrocarbures comportent en moyenne 6 atomes de carbone et 14 atomes d’hydrogène. Soit en pourcentage du poids total 85 % de carbone et 15 % d’hydrogène.

Un calcul élémentaire tenant compte des poids atomiques des différents éléments nous permet de voir que chaque kg de carbone produit 3,6 kg de CO₂ et que chaque kg d’hydrogène produit 9 kg de H₂O.

Ainsi la combustion complète des 12 milliards de tonnes équivalent pétrole va produire :

^- 36,7 milliards de tonnes de CO₂ (soit 3,67 10¹³ kg)

- 16,2 milliards de tonne d’eau.

Par ailleurs, les feux de forêts ainsi que le volcanisme dégagent également du CO₂ et de la vapeur d’eau. Environ 20000 hectares de forêt brûlent en moyenne chaque année en France et on peut estimer à 500000 ha la surface de forêt qui brûle annuellement dans le monde. Chaque hectare représente en moyenne 500 tonnes de végétation. Ainsi chaque année, les feux de forêts consomment environ 250 millions de tonnes de végétation que nous estimerons équivalentes, en valeur énergétique, à des tonnes équivalent pétrole (Tep). On voit immédiatement que cette quantité est négligeable comparée aux 12 milliards de tonnes consommées chaque année. Etudions aussi les conséquences de l’incendie des puits de pétrole du Koweït par les troupes de Saddam Hussein en 1991. Estimons qu’environ 1200 puits ont brûlé pendant une moyenne de 200 jours chacun 1000 tonnes de pétrole par jour. Soit un total de 240 millions de tonnes, environ 2 % de la consommation annuelle. Pratiquement négligeable. (Les informations disponibles sur le Web sont très diverses, certain site fait état de 792 puits, un autre de 1164 puits et de 1 million de tonnes de CO₂ produites. D’après mes calculs, la combustion d’une tonne de pétrole produit 3 tonnes de CO₂. Ce qui ferait que d’après ce site qui semble bien informé, l’incendie du Koweït n’aurait consommé que 300000 tonnes de brut. Ce chiffre me semble très en dessous de la vérité et c’est donc volontairement que je fais état de cette estimation peut être très exagérée mais qui met encore en relief le peu d’incidence de ce drame dans le bilan total)

La végétation et les océans absorbent le CO₂ mais les spécialistes estiment que la nature n’en absorbe qu’une partie et qu’il en resterait la moitié, soit 18 milliards de tonnes qui augmenterait chaque année le pouvoir d’effet de serre de l’atmosphère. Or, un rapide calcul nous montre que ces estimations sont probablement erronées : Admettons que 7 % de la surface de la terre soient recouverts de végétation (1/4 des surfaces émergées) et que chaque mètre carré de cette surface produise en moyenne 4 kg de végétation. La production végétale globale de la planète serait ainsi de 140 milliards de tonnes par an. Estimons encore que ces végétaux contiennent en moyenne 20 % de carbone. Pour produire ces 28 milliards de tonnes les végétaux auront donc absorbé 102 milliards de tonnes de CO₂. Cependant, il est évident que la nature produit le CO₂ nécessaire au renouvellement de la végétation et que les quantités produites par l’homme viennent en surplus dans le bilan d’équilibre. Toutefois, l’apport en CO₂ d’origine humaine peut favoriser l’augmentation de la production végétale et un nouvel équilibre peut en résulter. Quoique très approximatif, l’ordre de grandeur de ces chiffres est parfaitement cohérent. Il met en relief, une fois encore, le peu d’incidence que peuvent avoir les activités humaines dans l’équilibre climatique de la planète. Malgré ce constat, nous admettrons dans les calculs ci-dessous que 18 GTep de CO₂ s’accumulent chaque année dans l’atmosphère.

Ne nous inquiétons pas de l’eau qui ne fera qu’augmenter la masse des nuages de l’atmosphère.(dans une proportion encore plus faible que celle que nous calculerons pour le CO₂ )

La surface de la terre est d’environ 510 millions de kilomètres carrés, soit 5,1 10¹⁸ centimètres carrés. Sur chaque centimètre carré de la surface de la planète il y a 1 kg d’atmosphère. Ce qui fait que notre atmosphère « pèse » 5,1 10¹⁸ kg_..

La quantité de CO₂ injectée chaque année représente donc 1,8 10¹³ /5,1 10¹⁸ = 3,5 10^-6 de la masse de l’atmosphère.

A peu près comme si la population de Marseille augmentait de 3 individus par an. Là encore, nous pouvons admettre que cet apport de CO₂ est pratiquement négligeable même si les quantités produites se cumulent d’une année sur l’autre en l’absence d’une dégradation naturelle.

Par ailleurs, le CO₂ a une densité plus grande que celle de l’air dans les mêmes conditions de pression et de température. (1,951 pour 1,276 à 1 bar et 0°C) mais sa chaleur spécifique est plus petite que celle de l’air (0,82 pour 1,00) si bien que son augmentation de volume en fonction de la température est plus grande que celle de l’air, sa densité va donc devenir égale ou supérieure à celle de l’air à partir d’une certaine altitude et sa vitesse d’ascension vers les hautes couches de l’atmosphère sera relativement faible sinon nulle. C’est pourquoi, les jours de grande chaleur et en l’absence de vent, ce gaz stagne et forme un dôme au-dessus des bassins industriels. Ainsi, le CO₂ produit par les hommes ne peut atteindre les hautes couches de l’atmosphère et remplir le rôle que lui assignent les écolos, il n’a qu’un effet local dans certaines conditions.

Comme il est évident que la teneur en CO₂ des basses couches de l’atmosphère n’a pas augmentée d’une façon notable depuis plus d’un siècle, il doit y avoir un mode naturel de dégradation de ce gaz qui échappe encore à notre compréhension.

Responsabilité des activités humaines dans le réchauffement de la planète.

La planète se réchauffe, nous dit-on. Cherchons en la cause.

Le soleil transforme chaque seconde environ 4 millions de tonnes de matière qu’il dissipe dans l’espace sous forme d’énergie dans toutes les longueurs d’onde. Ce qui représente, si la formule (E=mc²) d’Einstein est précise, 4.10⁹ x 9.10¹⁶ = 3,6 10²⁶ joules. La terre perçoit donc 3,6 10²⁶ x (6.37 10⁶)² /4 (1,5 10¹¹)² = 1,62.10¹⁷ joules chaque seconde. (1,25 kWh/m²)

La combustion annuelle de 12 milliards de Tep représente une quantité d’énergie de 12.10¹² kg x 13,5 (kWh/kg) x 3,6 10⁶ (joules/kWh) = 5,83 10²⁰ joules/an ou 1,85.10¹³ joules par seconde. Quantité qu’il convient de comparer aux 1,62.10¹⁷ joules par seconde reçus du soleil : 1,85.10¹³ / 1,62.10¹⁷ soit un apport de 1,14.10^-4 ou pour fixer les idées un apport de débit d’environ 1 litre dans un torrent de 10 m³ par seconde. Nous pouvons donc négliger les apports calorifiques des activités humaines et ne considérer que l’apport du soleil.

Equilibre thermique de la terre.

Puisque la température moyenne de la terre n’augmente pas depuis des millénaires, il faut qu’il y ai équilibre entre l’énergie reçue du soleil et l’énergie rayonnée selon la loi de Stephan-Boltzmann (P_noir = SC_noirT⁴ avec C_noir = 5,66.10^-8 W/m²K⁴). Ainsi la terre, vue de l’espace, peut être considérée comme un corps noir de température moyenne de 273 K ou, (tout à fait par hasard ?) à la température de la glace fondante car : 5,66 10^-8 W/m²K⁴ x 273⁴ x 4p (6.37 10⁶)² = 1,62.10¹⁷ W ou joules par seconde. Cette température de 273 K (0°C) ne peut correspondre qu’à la température moyenne des couches basses de l’atmosphère et c’est bien des températures de cet ordre qui sont observées aux environs de 2000 mètres (selon CINA, Commission Internationale de Navigation Aérienne) quelle que soit la température au sol. Comme la température moyenne de la surface de la terre est d’environ 15 °C, nous pouvons faire une première hypothèse où il existerait une couche de la moyenne atmosphère qui empêcherait le rayonnement thermique de se propager vers l’espace. Ainsi, l’ensemble de cette couche provoquerait un « effet de serre » sans que pour autant elle soit constituée de vapeur d’eau ou de CO_2.

Ainsi, si actuellement nous observons un réchauffement de la planète, c’est que la quantité d’énergie rayonnée est inférieure à la quantité reçue du soleil, puisque nous venons de voir que les apports calorifiques des activités humaines sont négligeables. La question est donc maintenant de savoir si le CO₂ que nous produisons peut augmenter l’ « effet de serre » naturel de l’atmosphère. La quantité de CO₂ produite chaque année par l’homme est, comme nous venons de la voir, de 1,8.10¹³ kg. Si nous supposons que tout au long du 20^e siècle, la production de ce gaz a été constante et égale à celle de l’an 2000 (du fait de la forte consommation de charbon au début du siècle) et que tout ce gaz se soit conservé, il devrait maintenant y avoir 1,8.10¹⁵ kg de CO₂ dans notre atmosphère. La surface de la terre étant de 5,1.10¹⁴ m², chaque mètre carré devrait supporter 3,5 kg de CO₂. Si cette couche se trouve à une altitude relativement basse comme il apparaît que ce gaz ne peut atteindre la haute atmosphère, sa température doit être voisine de 0°C et sa densité de l’ordre de 1,2 kg/m³. Il doit donc y avoir tout autour de la terre, une couche de CO₂ de 3 mètres d’épaisseur. Mais il est évident que si la densité du CO₂ est égale à celle de l’air à cette altitude, ces deux gaz sont intimement mélangés et le CO₂ ne constitue pas une couche mince distincte. En supposant une zone d’environ 1000 mètres d’épaisseur dans laquelle les conditions du mélange air/CO₂ sont optimum, la teneur en CO₂ de cette zone devrait être de 3 pour 1000. Mais puisque « l’effet de serre » est une propriété naturelle et nécessaire de notre atmosphère, la question est de savoir si le CO₂ ainsi dilué augmente les propriétés réflectives de l’air.

Il faut remarquer que, dans cette hypothèse, c’est l’ensemble de l’atmosphère qui doit posséder la propriété de générer l’effet de serre et non pas seulement les nuages de vapeur d’eau car sinon, par temps clair aussi bien de jour que de nuit, en l’absence de nuage, les déperditions calorifiques par rayonnement seraient beaucoup plus importantes. La surface du sol étant en moyenne de 15°C, le rayonnement des surfaces non couvertes par les nuages serait proportionnel à la 4^e puissance de 288 au lieu de 273, soit près de 25 % plus important. Si l’on admet qu’à chaque instant en moyenne tout au long de l’année, la moitié de la surface de la terre avec une température de 15°C est exempte de nuage et que l’autre moitié en est couverte, les déperditions totales seraient de 1,88.10¹⁷ joules par seconde qu’il faut comparer aux 1,62.10¹⁷ joules/secondes apportées par le rayonnement solaire. Dans ce cas, la terre se refroidirait considérablement.

On peut également envisager le cas où le rayonnement thermique vers l’espace émane directement du sol et non pas d’une couche de la basse atmosphère. Chaque portion de surface de la terre rayonnerait alors selon la quatrième puissance de sa température, mais seules les surfaces exemptes de nuage rayonneraient vers l’espace alors que le rayonnement des autres surfaces serait réfléchi vers le sol. Ainsi, toujours avec l’hypothèse qu’en moyenne, tout au long de l’année, la moitié du ciel est exempte de nuage et que l’autre moitié en est couverte, pour qu’il y ai équilibre entre l’énergie reçue du soleil et l’énergie émise par rayonnement, la température moyenne des surfaces émettrices devrait être de 325 K ou 52 °C. Si, par contre, on admet que le sommet des nuages émet également un rayonnement en fonction de la température qui règne dans les hautes couches de l’atmosphère, et nous admettrons avec la CINA que cette température est de 216 K (-57°C) à une altitude de 11000 mètres, on obtient une température moyenne des surfaces non couvertes de 308 K soit 35 °C. Ces deux modes de calcul conduisent à des températures moyennes au sol certainement excessives.

Pour que la température moyenne des surfaces non couvertes de la terre soit plus faible que celles que nous venons de calculer et proche de celle qui est observée, il faut, pour conserver l’équilibre thermique de la terre, imposer une température moyenne plus élevée des hautes couches de l’atmosphère. Ainsi, en fixant à –37°C cette température, on obtient une température moyenne des sols de 27°C et l’altitude de cette couche émettrice serait d’environ 8000 m. Pour –27°C (altitude 7000 m) dans la haute atmosphère on obtient 22°C de température moyenne au sol.

On voit que ces hypothèses sont vraisemblables et conduisent à des résultats en accord avec les observations. Comme il est évident que l’atmosphère terrestre n’a pas des propriétés constantes dans le temps et que ces propriétés fluctuent en fonction de la situation géographique et des conditions atmosphériques locales, l’ensemble de ces conditions de radiation peut se produire simultanément et ainsi l’équilibre thermique de la planète ne semble assuré qu’à moyen terme. Localement les conditions climatiques instantanées peuvent conduire à des variations importantes du flux émis et compromettre l’équilibre global. Ce n’est qu’en moyenne dans le temps que, par un effet de feed back, un déséquilibre local engendre les conditions de retour à l’équilibre global.

Notons qu’au début de ce paragraphe nous avons calculé une température moyenne de la surface émettrice de la terre (sol et nuages compris) voisine de la température de la glace fondante 0°C alors que les derniers calculs ci-dessus conduisent à des températures moyennes différentes. En effet, si nous admettons que la température moyenne des surfaces qui rayonnent vers l’espace est égale à la moitié de la somme des températures des deux moitiés égales, en surface et en durée, de la terre, avec 325+216, on obtient une moyenne de 262 K ou -11°C ; avec –37 et 27 on obtient une température moyenne de –5°C et avec –27 et +22 on obtient une température moyenne de –3°C. Ceci s’explique par le fait que les surfaces émettent, non pas en raison directe de leur température mais selon la quatrième puissance de celle-ci. Ainsi, une très faible augmentation de la température de l’une ou l’autre des surfaces émettrices peut conduire à un très fort déséquilibre du bilan thermique de la planète.

	Temp. Moy. du sol	Nuages		Temp. Moy. d’équilibre
		Temp	Altitude
Seul le sommet des nuages rayonne		0	2000	0
Seules les surfaces non couvertes rayonnent	52			0
Rayonnement du sol et des nuages	35	-57	11000	-11
Rayonnement du sol et des nuages	27	-37	8000	-5
Rayonnement du sol et des nuages	22	-27	7000	-3

Dans ce tableau, nous comparons plusieurs hypothèses sur l’altitude et la température moyenne

de la couche nuageuse rayonnant vers l’espace en supposant qu’en moyenne la moitié de la

surface de la terre est couverte de nuages la moitié du temps.

Conclusion.

Nous venons d’envisager 2 modes de rayonnement permettant l’équilibre thermique de la terre :

· Le rayonnement émane d’une couche de l’atmosphère de température voisine de 0°C. Cette couche est continue tout autour de la terre et est constituée essentiellement d’air. La présence de nuages de vapeur d’eau ou de CO₂ ne modifierait pas ou très peu ses propriétés réflectives. Ce serait cette couche qui aurait un effet de serre.

· Le rayonnement serait émis par toutes les surfaces de la terre en fonction de leur température. Le rayonnement émanant des surfaces couvertes de nuages serait réfléchi vers la terre par effet de serre, en l’absence de nuages le rayonnement serait diffusé vers l’espace. Les nuages émettraient également vers l’espace un rayonnement fonction de leur température.

Ces deux modes sont compatibles avec les observations et en accord avec les lois de la physique.

Nous avons vu que les productions de chaleur et de CO₂ générées par les activités humaines pouvaient être négligées tant elles sont faibles en regard des énergies naturelles mises en jeu. Mais nous voyons aussi combien l’équilibre thermique naturel est fragile et semble relever davantage du hasard que des conditions climatiques. Nous pouvons aussi nous poser la question de savoir si nos activités industrielles influent, d’une façon ou d’une autre, sur cet équilibre. Il n’est pas impossible que nos apports en chaleur et en CO₂ dans l’atmosphère, pour faibles qu’ils soient, compromettent les conditions naturelles de stabilité du climat, mais rien actuellement ne nous autorise à l’affirmer d’une façon aussi péremptoire que le font certains lobbies. Bien au contraire, les calculs que nous venons de mener montrent combien ces apports sont faibles et pourraient être négligeables. Certes, le principe de précaution doit nous inciter à prendre, dès maintenant, des mesures efficaces de façon à nous préserver de catastrophes écologiques futures. Le respect de l’environnement et la préservation de la nature doivent guider chacun de nos actes. Mais cela n’implique pas de dire et de faire n’importe quoi avec le risque où le remède aurait des conséquences pires que le mal.

Il est vrai que la terre se réchauffe et que les glaces polaires régressent mais nous savons que tout au long de son histoire, la planète à connu des variations climatiques importantes et que même au cours des 5 ou 6 derniers siècles, pour lesquels nous avons, à défaut de statistiques, des témoignages écrits, l’Europe a connu plusieurs périodes de grands froids alternées de réchauffements importants. Nous n’avons pas assez de données pour affirmer que ces variations n’ont pas affecté l’ensemble de la planète. Nous n’avons pas assez de recul pour déterminer si les variations observées actuellement ont un caractère cyclique naturel ou relèvent d’une évolution irréversible.

Que savons-nous du rôle de l’activité solaire sur les conditions climatiques de la terre ? Que savons-nous des effets du volcanisme sur l’opacité de la haute atmosphère ? Que savons-nous de l’influence de la Ceinture de Van Allen et des interactions entre les champs magnétiques du soleil, de la terre et, pourquoi pas, de la Galaxie ? Connaissons-nous les raisons pour lesquelles le Gulf Stream se déplace dans l’Atlantique Nord et ce qui cause l’apparition ou la disparition de el Niño dans le Pacifique sud… ?

Pouvons-nous affirmer que ce sont là des phénomènes récents et qu’ils n’ont jamais connu de précédents ?

Les bonnes intentions ne suffisent pas, l’Enfer en est pavé.

Courcoury, octobre 2004.

Emile Braunthal Weisman

Physicien

8, route de Corcosse 17100 Courcoury

tél : 05 46 91 31 53

e-mail : ebraw@wanadoo.fr

site internet : http://perso.wanadoo.fr/ebraw

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