Les panneaux solaires sont bons pour le réchauffement climatique car ils causent moins (beaucoup moins) de chauffage de surface que la récolte d'énergie équivalente due à la combustion de combustibles fossiles.
Un modèle simplifié à l'extrême
Pour voir pourquoi c'est un modèle (très simplifié!) de ce que devrait être la température de la surface. Dans ce modèle, nous considérerons simplement la lumière du soleil entrante et je supposerai que tout cela parvient à la surface (c'est faux, mais assez bien).
Deux choses se produisent à la surface:
- une partie de la lumière du soleil est réfléchie et (par la même hypothèse que ci-dessus) retourne directement dans l'espace;
- une certaine proportion est absorbée et fait chauffer la surface.
Parce que la surface est chaude, elle rayonne maintenant comme un corps noir (ou approximatif), et la plupart de ce rayonnement est dans l'infrarouge (si ce n'est pas le cas, alors vous n'êtes probablement pas intéressé à vivre sur cette planète, car sa surface est visiblement brillante).
Malheureusement, l'atmosphère n'est pas transparente aux infrarouges, de sorte qu'une partie du rayonnement sortant de la surface est absorbée dans l'atmosphère puis réémise, et une partie de cette reradiation redescend vers la surface. Ce processus est assez compliqué car vous devez savoir à quelles longueurs d'onde l'atmosphère n'est pas transparente, puis résoudre un tas d'équations de transfert radiatif poilues, sans parler des nuages, de la convection, du vent &c &c &c.
Mais il y a une réponse simple et évidente du physicien: le résultat final de ce processus autour de l'infrarouge (ce qu'un climatologue appellerait `` ondes longues '') dans l'atmosphère est que la surface finit un peu plus chaude que ce à quoi vous vous attendriez si il n'y avait pas d'ambiance.
(Notez que j'ai complètement ignoré la composante IR du rayonnement entrant du Soleil, ce qu'un modèle approprié ne devrait pas faire.)
Alors, OK, nous allons maintenant envisager deux ajustements à ce modèle: les panneaux solaires et la combustion de combustibles fossiles.
Panneaux solaires
Les panneaux solaires captent une partie de la lumière visible / UV du soleil et la transforment en infrarouge (via des machines fonctionnant &c et finalement le chauffage). Il n'est pas tout à fait évident que les panneaux solaires abaissent ou augmentent la proportion de la lumière du soleil entrante qui est réfléchie directement (ont-ils un albédo supérieur ou inférieur à la surface qu'ils couvrent en d'autres termes) mais supposons qu'ils l'abaissent, donc leur résultat net est de réduire l'albédo de la surface et d'augmenter la quantité d'infrarouge rayonnée. Cela augmente alors légèrement la température de surface.
Combustibles fossiles
Ceux-ci ne font rien à l'albédo, (en fait, ils le font: ils l'abaissent à cause de la suie, mais ils rejettent également de la suie dans l'atmosphère, ce qui la rend moins transparente à la lumière visible et c'est un processus compliqué que nous ignorerons mais ce qui compte beaucoup en fait). Ils créent deux choses:
- à peu près la même quantité d'infrarouge que les panneaux solaires pour la même quantité d'énergie, qui chauffe légèrement la surface (ce chauffage provient de l'énergie précédemment piégée dans les combustibles fossiles, et capturée il y a longtemps par le soleil);
- $ \ mathrm {CO_2} $ , en grandes quantités.
Malheureusement, $ \ mathrm {CO_2} $ est l’une des composantes de l’atmosphère qui absorbe et réexpédie les infrarouges, et donc cette émission de $ \ mathrm {CO_2} $ augmente la température de surface par le processus décrit ci-dessus.
Qu'est-ce qui cause plus de chauffage de surface?
Pour savoir lequel de ces facteurs provoque le plus de surchauffe, vous devez réellement modéliser le système avec des détails raisonnables (et c'est simplement parce que ces modèles finissent par être plutôt compliqués que les négationnistes peuvent entrer). Mais une solution consiste à comparer la quantité d'énergie provenant du Soleil (et renvoyée) et l'énergie que les humains génèrent.
La constante solaire, qui est le flux d'énergie du Soleil traversant l'orbite terrestre, est d'environ $ 1360 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ , et cela signifie que la quantité d'énergie que le Soleil délivre à la Terre au sommet de l'atmosphère est d'environ 1,7 $ \ times 10 ^ {17} \, \ mathrm {W} $ span>. La production d'énergie humaine en 2013 était d'environ 1,8 $ \ fois 10 ^ {13} \, \ mathrm {W} $ .
Cela signifie que le flux d'énergie du Soleil est environ 10 $ ^ 4 $ fois plus important que la production d'énergie humaine: même un changement relativement minime dans la contribution de cette énergie le chauffage de surface éclipsera complètement tout chauffage dû à la production d'énergie humaine. Une autre façon de penser à ce sujet est que toute production d'énergie humaine concerne $ 0,04 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ . Les déséquilibres du flux solaire dus aux variations des gaz à effet de serre sont de l’ordre de $ 1 \, \ mathrm {W / m ^ 2} $ : bien plus.
Le modèle simple de corps noir
Une autre façon de voir cela est de considérer un modèle de corps noir sans esprit: supposons qu'il n'y a pas d'atmosphère et que la Terre est un corps noir parfait illuminé par le Soleil: quelle serait sa température. Eh bien, une petite réflexion vous montre qu'il resterait à une température de
$$ T_S = \ left (\ frac {F} {4 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4} $$
Où $ F $ est le flux solaire entrant, et $ \ sigma $ est le Stefan- Constante de Boltzmann. Et cela s'avère être 278 $ \, \ mathrm {K} $ , soit environ 5 $ \, \ mathrm {C} $ . C'est plus froid qu'en moyenne, mais c'est une première estimation décente.
Alors maintenant, faisons-le pour la production d'énergie humaine. La formule ici est
$$ T_H = \ left (\ frac {H} {4 \ pi R ^ 2 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4} $$
Où $ H $ est la production d'énergie humaine et $ R $ est le rayon de la Terre.
Et il s'agit de 28 $ \, \ mathrm {K} $ . Et rappelez-vous que le flux d'énergie est la quatrième puissance de la température ( $ \ sigma T ^ 4 $ ): la production d'énergie humaine n'est pas n'importe où près réchauffe considérablement la planète. Vous pouvez facilement voir cela en considérant la différence entre une planète entièrement réchauffée par le soleil et une planète où la production d'énergie humaine est ajoutée:
$$
\ begin {align}
\ Delta T & = \ gauche (\ frac {F} {4 \ sigma}
+ \ frac {H} {4 \ pi R ^ 2 \ sigma} \ right) ^ \ frac {1} {4}
- \ gauche (\ frac {F} {4 \ sigma} \ droite) ^ \ frac {1} {4} \\
& \ approx 0.007 \, \ mathrm {K}
\ end {align}
$$
C'est complètement négligeable.