Commentaires de chercheurs sur la modélisation de l'effet de serre au lycée

Jean-Louis Dufresne

Laboratoire de météorologie dynamique, Univ. Jussieu, Paris

Bernard Legras

Laboratoire de météorologie dynamique, Univ. Jussieu, Paris

Gérard Mégie

Service d'aéronomie du CNRS, Univ. Pierre et Marie Curie, Jussieu, Paris

Marie-Antoinette Mélières

Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement, Univ. Joseph Fourier, Grenoble

Francis Albarède

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Pierre Thomas

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

10/07/2000

Résumé

Critiques et conseils de chercheurs pour réaliser des expériences mettant en évidence l'effet de serre au lycée.


Vous trouverez ici quelques remarques concernant les limites des TP sur l'effet de serre proposés en lycée (classes de seconde). Elles sont issues d'entretiens avec nos correspondants scientifiques de laboratoires de recherche CNRS : Jean-Louis Dufresne et Bernard Legras du Laboratoire de météorologie dynamique à Paris, Gérard Mégie du Service d'aéronomie à l'Université Pierre et Marie Curie à Paris, Marie-Antoinette Mélières du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement de l'Université Joseph Fourier à Grenoble et Francis Albarède et Pierre Thomas du Laboratoire de sciences de la Terre de l'ENS-Lyon.

Jean-Claude Biton, professeur de lycée dans l'académie d'Aix-Marseille, a réalisé une série d'essais pour ces TP sur l'effet de serre. Il a testé un protocole différent inspiré par une mise au point de Gérard Mégie. Un compte-rendu succinct de cette expérience est à votre disposition pour critiques et commentaires...

Commentaires de J.-L. Dufresne

Des expériences de laboratoire pas très parlantes et difficilement interprétables...

La notion d'effet de serre atmosphérique est avant tout une analogie, et qui repose souvent sur un malentendu (cf livre de Robert Kandel, L'incertitude des climats , 1998, pp 69-76) : s'il fait plus chaud à l'intérieur d'une serre qu'à l'extérieur, c'est parce que la serre laisse passer les sources de chaleurs (le rayonnement solaire) tout en diminuant les pertes thermiques. Et dans une serre agricole, les pertes sont réduites parce que le vitrage diminue les pertes par rayonnement infrarouge, mais aussi parce qu'il réduit la convection avec la surface (il protège la surface du vent, des courants d'air...). Ces deux effets (radiatif et convectif) sont à peu près aussi important l'un que l'autre, et c'est ce qui explique que certaines serres agricoles sont faites en plastiques pas toujours très opaques au rayonnement infrarouge.

Pour les gaz atmosphériques, dans des conditions « normales » (température et pression ambiante, dimension caractéristiques de l'ordre de quelques mètres...), les échanges de chaleur par convection et par rayonnement infrarouge sont donc comparables. Mettre en évidence un effet dû au rayonnement infrarouge (un « effet de serre ») nécessite donc, avant tout, de bien contrôler la convection. Si l'effet du rayonnement infrarouge sur les gaz atmosphériques a pu être mis en évidence par des expériences de laboratoire, bien instrumentées, ces expériences sont délicates et ne fournissent pas des résultats spectaculaires, très parlant et facilement interprétables.

Ces difficultés nous ont amené à proposer deux expériences dans le chapitre L'effet de serre de l'atmosphère de l'ouvrage L'exposition scientifique interactive (sous la direction d'André Billet, CNRS Éditions, 1996, épuisé) :

  • l'une mettant en évidence l'existence du rayonnement infrarouge et les propriétés des matériaux dans l'infrarouge (absorbant ou au contraire transparent)
  • l'autre permettant d'illustrer, par analogie, l'effet de serre de l'atmosphère.

Une idée de modélisation de l'effet de serre

Dans l'ouvrage L'exposition scientifique interactive , vous trouverez une idée de manipulation simple. L'atmosphère est modélisée par des couches de matériaux plus ou moins absorbants. Le principe est le suivant :

Figure 1. Modélisation de l'effet de serre.

Modélisation de l'effet de serre.

D'après L'exposition scientifique interactive , (Sous la direction d'André Billet, CNRS Éditions, 1996).


On mesure, à l'aide d'un capteur infrarouge (pyromètre), la température de la main au travers de trois fenêtres laissant passer plus ou moins le rayonnement infrarouge humain (analogie avec le rayonnement infrarouge tellurique).

Trois matériaux différents sont utilisés dans les fenêtres, avec des pouvoirs d'absorption de 0,60 et 100 %. Les températures de la main mesurées (respectivement 28°C, 22°C et 19°C) au travers d'une atmosphère plus ou moins absorbante permettent d'illustrer un effet de serre nul (à 28°C), intermédiaire (à 22°C) et maximal (à 19°C).

Pour mesurer la température par mesure IR, il faut compter au moins 225 € pour ce type de capteur... Mais sans faire une mesure quantitative, on doit pouvoir faire passer l'idée de la manip (l'existence d'intervalles spectraux pour lesquels les matériaux peuvent avoir des propriétés radiatives différentes) avec une mesure qualitative, en utilisant un détecteur d'alarme, beaucoup moins cher. Il faudrait vérifier, avec un détecteur standard du commerce (à 15-30 €) qu'en passant la main devant, celui ci détecte (« voit ») la main sans écran et avec un sac poubelle comme écran et ne détecte pas la main avec du plexiglas (ou du verre) comme écran et avec éventuellement un autre matériau opaque au visible et IR (bois...) Les détecteurs standards mesurent des variations de température (flux IR). Il faudrait donc essayer de passer la main devant le détecteur, avec et sans écran. Qui a une alarme chez lui pour essayer ?

Remarque concernant le TP sur l'effet de serre proposé par Jean-Claude Biton

La seule expérience qui donne des résultats nets semble être est celle avec de la vapeur d'eau... mais je doute très fort que cela soit à cause de son « effet de serre » (ou pour être plus précis de l'effet du rayon infrarouge grande longueur d'onde sur la vapeur d'eau). En effet la vapeur d'eau possède plusieurs bandes d'absorption dans le proche infrarouge (vers 1 μm), et les lampes à incandescence émettent beaucoup d'énergie dans cette région spectrale. Bien qu'il faille faire des expériences plus précises pour quantifier cet effet, il est vraisemblable que l'augmentation plus rapide de la température observée dans l'enceinte avec de l'eau soit due à l'absorption du rayonnement émis par la lampe, et non à l'absorption du rayonnement émis par la surface (le bloc de laiton). Ce mécanisme ne correspond donc pas à celui de l'effet de serre.

Commentaires de B. Legras

Remarques sur les protocoles lycée sur l'effet de serre

Dans ce type de manipulation, il faut essayer de minimiser les effets de conduction et de convection par rapport à l'effet radiatif (de serre) et assurer un flux de chaleur constant. Le rayonnement incident est absorbé et est ensuite restitué en IR, en convection et en chaleur latente. L'important est surtout d'assurer un flux de chaleur constant. D'après la loi du corps noir, l'émission est indépendante du matériau (ne dépend que de la température) mais la brique n'est peut-être pas une bon matériau car elle a une forte inertie thermique et donc ralentit la mise en équilibre. On ne contrôle plus alors les flux de chaleur...

Dans le dispositif, il faudrait réduire les échanges de chaleur avec les parois, peut-être en les recouvrant d'aluminium. Même si c'est le gaz qui absorbe, c'est l'ensemble du dispositif enceinte qui se met à l'équilibre thermique lorsqu'on attend longtemps d'où la difficulté pour distinguer un effet propre au gaz.

Pour éviter que les effets convectifs ou conductifs ne soient plus importants que les effets radiatifs, il faut que la durée de l'expérience soit assez courte. On peut donc imaginer deux enceintes préparées à l'avance (donc à l'équilibre thermique) avec CO2 d'un coté et air sec de l'autre...puis on chauffe et on mesure l'élévation de température. La réponse radiative étant plus rapide que la mise en équilibre de l'enceinte, on devrait voir une augmentation de température plus forte dans l'enceinte à CO2.

Si on peut prendre des enceintes de volumes plus importants, cela devrait aussi permettre d'obtenir des résultats plus convaincants car le transport de chaleur par convection ou conduction sera réduit significativement. Par ailleurs, le CO2 a des bandes d'absorption plus étroites que l'eau. D'où la température du corps noir doit être adaptée (d'après la loi d'émission du corps noir).

Pour minimiser les effets conductifs ou convectifs par rapport à l'effet radiatif, on peut envisager des analogies avec d'autres fluides que l'air... on peut comparer l'élévation de température dans 2 longs tubes éclairés à une extrémité par une lampe puissante : un long tube rempli d'eau pure que l'on compare avec un long tube rempli d'eau colorée (ou avec des paillettes en suspension qui réfléchissent dans la direction de propagation et diffusent peu). Il faudrait mesurer l'élévation de température à différents endroits du tube. Des calculs de l'effet attendu sont alors plus faciles...

Quoiqu'il en soit, nous sommes de plus en plus convaincu qu'on ne pourra pas mettre en évidence un effet de serre mesurable dû au CO2 à l'échelle d'une manip de table et avec la technique disponible dans un lycée. J'avais calculé qu'en étant optimiste, on pouvait arriver tout au plus à un effet d'un tiers de degré dû au CO2, ce qui me paraît d'une part difficile à mettre en évidence compte tenu des conditions expérimentales d'une expérience de lycée et d'autre part peu propice à susciter l'intérêt de l'audience.

Il faut procéder de manière analogique comme la manipulation suggérée par Jean-Louis Dufresne ou celle du tube coloré qui s'y apparente. Cela peut être l'occasion d'une discussion sur le principe de la modélisation analogique, des effets d'échelle et de la façon d'isoler l'effet qui nous intéresse.

Remarques concernant le TP sur l'effet de serre proposé par Jean-Claude Biton

Voici quelques idées qui devraient aider à comprendre si cette expérience marche vraiment...

Dans une bouteille de 50 cm de haut remplie de CO2 pur, on a une épaisseur optique qui est le tiers de l'épaisseur optique du CO2 dans l'atmosphère. Or, d'après Seinfeld et Pandis (Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley, 1998), un doublement de la teneur en CO2 entraîne un effet radiatif moyen de +1,4 K. Dans votre cas, on peut donc estimer que l'effet sera de l'ordre de +0,5 K au plus. C'est une borne supérieure car on ne tient compte pour cela que des échanges radiatifs entre le gaz et le « sol ».

Les échanges de chaleur ne sont pas seulement radiatifs, ils sont aussi conductifs entre le gaz et les parois et convectifs à l'intérieur de la bouteille. La conduction reste un effet important à l'échelle de l'expérience. La capacité thermique du CO2, triatomique, diffère de celle de l'air, composé essentiellement de gaz diatomiques, il en est de même de la conductibilité thermique qui régit les échanges avec les parois. Si à l'équilibre, la modification de la capacité thermique ne joue pas, celle de la conductibilité peut s'avérer significative pour faire varier la température de part et d'autre de la paroi. Les échanges à travers les parois vont donc atténuer l'effet de serre. On peut les minimiser en utilisant un matériau isolant et de faible capacité thermique (polystyrène revêtu de papier d'aluminium à l'intérieur).

La mise à l'équilibre du dispositif semble longue. Il possède donc une forte l'inertie thermique, qu'il faudrait réduire...

Il faudrait optimiser le rapport entre la surface de la plaque de métal en contact avec le gaz et ses autres surfaces exposées par lesquelles des échanges de chaleur se font avec l'extérieur. Le chauffage pourrait se faire sur un pinceau assez étroit à l'aide d'un spot.

L'idée de l'expérience témoin en parallèle semble bonne. D'une part elle permet de s'affranchir des variations de l'environnement et d'autre part elle permet de faire en un seul temps une comparaison qui reste indispensable.

Le problème est d'assurer d'un chauffage identique dans les deux cas. Comme je doute que les lampes du commerce soient identiques à plus de quelques % près et qu'elles changent de puissance en vieillissant, il faudrait une seule source et un diviseur précis (mais je ne sais pas comment le faire) ou deux sources que l'on échange (ce qui oblige à faire deux fois l'expérience).

On pourrait aussi utiliser une autre source qu'une lampe. Une résistance électrique ferait aussi bien l'affaire et rendrait le dispositif plus compact puisqu'on peut la placer sous la plaque et couvrir le tout d'isolant. Elle serait également plus contrôlable en faisant varier le courant traversant la résistance. Et cela résoudrait le problème de la double source si on emploie des résistances bien calibrées (moins de 1% d'écart n'est pas difficile à trouver et à contrôler).

Encore une fois, mon penchant personnel irait plutôt vers des expériences analogiques comme celle suggérée par Jean-Louis Dufresne qui me semble permettre d'obtenir un résultat nettement plus spectaculaire et susceptible de sensibiliser les élèves.

Commentaires de G. Mégie

Après lecture des documents, on pourrait penser que la cause principale de non mise en évidence de l'effet de serre du gaz carbonique soit liée à l'absence de rayonnement infrarouge aux longueurs d'onde adaptées. Mais, il semble que la conception même de l'expérience n'est pas exactement celle qui correspondrait à la mise en évidence de l'effet de serre à la surface de la Terre.

En effet, dans le système Terre-Atmosphère, l'émission infrarouge est celle de la surface de la Terre chauffée par le rayonnement solaire. Une partie de cette émission est absorbée par l'atmosphère et renvoyée vers la surface et provoque ainsi une élévation de température de la surface de 32°C (effet de serre naturel). La température de l'atmosphère, elle, résulte d'un équilibre radiatif-convectif qui met en jeu le cycle de l'eau et on ne peut donc pas parler d'un échauffement de l'atmosphère uniquement lié à l'aspect radiatif de l'effet de serre. Or, l'expérience proposée cherche à mettre en évidence l'échauffement de l'atmosphère et il semble que le protocole suivi conduise à privilégier l'absorption par le gaz du rayonnement émis par la source primaire (ampoule de 100 W ou réchaud). Compte tenu des caractéristiques d'émission de ces sources et des propriétés d'absorption de l'enceinte, il est probable qu'aucun rayonnement correspondant aux longueurs d'onde principales d'absorption du CO2 (15 μm) n'est présent.

Par ailleurs, essayer de simuler la réalité de l'effet de serre en observant l'échauffement du bloc de laiton (protocole de Jean-Claude Biton) conduirait à des temps d'expérience prohibitifs. De plus il faudrait tenir compte des processus de convection pouvant se produire dans l'enceinte. Il serait donc plus judicieux d'intituler le TP : « Absorption du rayonnement infra-rouge par l'atmosphère terrestre : première condition de l'effet de serre » et peut-être se limiter à la vapeur d'eau.

Commentaires de M.-A. Mélières

Monter des expériences sur l'effet de serre demande des connaissances de physique assez approfondies et on fait vite n'importe quoi... Les mécanismes en jeu sont délicats et la compréhension d'une expérience (telle que celles qui sont décrites) où tous les types de transfert d'énergie interviennent demandent une maîtrise complète du bilan énergétique. En sciences expérimentales, quand on veut mettre en évidence un phénomène, le plus dur est d'éliminer tous les autres.

Pour attaquer l'effet de serre, il faut en connaître parfaitement la base du fonctionnement. Les seules remarques qualitatives sur cette expérience sont les suivantes.

  • Les pertes d'énergie par conduction - convection l'emportent sur celles du rayonnement.
  • Le thermomètre de mercure (qui ne mesure pas la température de l'air de la pièce mais est sensible à l'absorption de la lumière visible de la lampe (albedo,...) (et se chauffe par là même) marquera une température plus élevée quand il est entouré d'un gaz enfermé qui supprime les pertes de chaleur par conduction...
  • Les conditions de l'expérience sont mal définies : par exemple, le bilan d'énergie (absorption du rayonnement reçu entre autre), dépend du spectre de la lumière source et des bandes d'absorption du méthane, de l'air, de la vapeur d'eau contenue dans l'air et du CO2 contenu dans l'air.
  • La lumière ici n'est pas solaire, mais comporte vraisemblablement de l'infrarouge proche en quantité assez importante... Ceci joue à l'inverse de l'effet de serre car il y a des bandes d'absorption des gaz (air - vapeur d'eau - CO2) dans cet infrarouge proche.
  • Pour les récipients remplis de méthane : les bandes d'absorption du méthane sont très étroites et en faisant le bilan (calcul compliqué) on trouverait sans doute que la contribution de l'effet de serre au bilan énergétique total est plus important dans le cas de l'air, de la vapeur d'eau et du CO2 que dans le cas de méthane pur.
  • De plus, point capital, le verre des récipients joue très certainement un rôle bien supérieur à celui du gaz, en tant qu'absorbant des infrarouges telluriques.
  • Pour mettre en évidence un mécanisme d'origine radiative, il faudrait parfaitement isoler la boite : supprimer les pertes et transfert d'énergie par conduction-convection qui, ici, l'emportent vraisemblablement.

Bref, une expérience sur l'effet de serre est délicate et prend du temps à concevoir...

Commentaires de F. Albarède

Dans les expériences sur l'effet de serre, il faut s'assurer qu'il n'y a chauffage que par infrarouge. L'idéal, c'est peut être un thermos avec une résistance placée à l'intérieur alimentée par une pile. On doit pouvoir moduler la puissance avec la loi du corps noir pour obtenir un chauffage radiatif optimal (longueurs d'onde émises correspondant aux longueurs d'onde absorbées par les molécules de gaz). Pour faire comprendre aux élèves que la résistance chauffe par radiation (sauf à leur parler de la cuisson des poulets sur les marchés et des promenades nocturnes sur le bitume en été), on peut éclairer une bouteille peinte avec de la peinture de carrosserie noire. Il existe aussi des bouteilles noires (verre et plastique) chez les vendeurs de vaisselle de chimie. Notez que la « vitesse » de chauffage doit être différente selon les gaz. Car, en fonction de la molécule, avant que l'équilibre radiatif ne soit atteint, les temps d'attente sont différents.

Commentaires de P. Thomas

À propos de la mise en évidence d'un effet de serre dans un flacon contenant de l'air ambiant

L'effet de serre dans un ballon ou un flacon rempli d'air est difficile à mesurer rigoureusement avec du petit matériel type lycée.

  1. On pourrait se dire « comparons un thermomètre à l'air libre et un thermomètre dans un flacon, éclairés tous deux de la même façon ». Même cette expérience pourtant simple est difficile à interpréter. En effet, sans flacon, un thermomètre se réchauffe, mais, à l'air libre, sa chaleur s'évacue par convection de l'air autour de lui. Dans un flacon fermé, cette convection étant diminuée, la chaleur du thermomètre s'évacue moins bien et la température sera plus forte même sans effet de serre !
  2. D'autre part, une lampe normale ou halogène a une température de 2 000 à 3 000°C. Une bonne partie du rayonnement incident est émis en IR (ce qui est différent du rayonnement solaire), mais est arrêté par le flacon de verre (qui chauffe son intérieur) : cette partie n'atteint donc pas le thermomètre.
  3. Enfin, d'après le principe d'une serre, il faut un « corps noir » dans la serre. Donc, dans le flacon, il faut quelque chose de noir, perpendiculairement aux rayonnements, pour absorber complètement le rayonnement visible (l'idée d'un sol source d'infrarouges, dans le récipient, va dans la bonne direction).
  4. Ajouter à cela que l'énergie reçue par le flacon variant en 1/R2, il faut être sûr que la distance des flacons à la source est bien constante. Etc... Bref, avec un simple flacon plein d'air, vous mesurez bien une augmentation de température, mais c'est la somme algébrique de tous ces facteurs, parfois antagonistes, et non pas un simple effet de serre.

Pour être vraiment rigoureux, toujours avec des flacons remplis d'air, il faudrait...

Il faudrait au moins 3 flacons (ou autre contenants !? ), parfaitement transparents aux longueurs d'onde incidentes, tous trois identiques entre eux à tout point de vue, mais avec des opacités différentes aux infrarouges : un parfaitement transparent, un à moitié transparent, et le dernier totalement opaque aux IR (absorption totale). Les différences de température seraient alors dues au seul effet de serre. Un tel lot de flacons doit être difficile à trouver dans le commerce.

L'effet de serre dans un flacon contenant du CO2... des résultats encore plus inexploitables !

Vous rajoutez maintenant du CO2 dans votre flacon. L'effet de serre de quelques centimètres de CO2 est relativement négligeable par rapport à l'effet de serre dû au simple flacon (quelques millimètres de pyrex). Vous ajoutez un effet minime (bien que réel) à une réalité déjà complexe. Et en plus, vous ajoutez des transferts de chaleur complexes assurés par le CO2 convectant dans le flacon, autour du thermomètre (transferts différents par rapport à l'air). Bref, vous aurez un résultat très difficile à exploiter, car vous ne saurez pas à quoi correspond ce que vous mesurez !

En conclusion sur le TP "Effet de serre en ballons"

Je crains que l'on cherche à démontrer simplement quelque chose d'indémontrable avec les simples moyens d'un lycée. Vous arriverez certainement à avoir un ballon avec du CO2 dans lequel la température est plus forte que dans ceux dépourvus de CO2. Mais qu'aurez vous démontré ? Ni vous, ni moi ne le savons vu la complexité des phénomènes convectifs, conductifs et radiatifs mis en œuvre.

Quelques pistes sur la façon d'aborder l'effet de serre devant vos élèves

Mon conseil est le suivant : avec un flacon, un ballon ou une vitre, vous pouvez montrer qualitativement l'existence d'un effet de serre. Cet effet est dû aux propriétés optiques et radiatives du verre (spectres d'absorption du pyrex et du verre disponibles au laboratoire). Vous dites ensuite (c'est une affirmation !) que 100 km d'atmosphère avec CO2, vapeur d'eau... ont les mêmes propriétés que le verre, que cela a été vérifié par des manips complexes..., que ces manips ne sont pas secrètes, et que si on voulait vérifier, on pourrait, après avoir cependant acquis les compétences nécessaires !... mais que pour l'instant, on ne peut pas le démontrer en classe dans le laps de temps imparti.

Affirmations et démonstrations scientifiques en lycée

Ce genre d'affirmations peut déranger dans le cadre de la démarche scientifique... Pourtant ces affirmations non démontrées (au niveau des élèves) sont omniprésentes dans notre enseignement !

Comment démontrez-vous que la Terre tourne autour du soleil ? que la guanine est une base ? que cette base est azotée ?... Dans tous ces cas, vous ne démontrez pas, vous affirmez. Et c'est nécessaire, car si vous voulez démontrer tout ce que vous dites, sachant qu'il a fallu 3 siècles à un grand nombre de « savants » pour le faire, combien faudrait-il de temps à un élève ? Finalement, vous ne démontrez donc qu'une faible fraction de ce que vous affirmez. Mais il faut que l'élève sache que ce que vous ne démontrez pas, d'autres l'on fait, et qu'il pourrait le faire s'il s'en donne les moyens.