Historique de l'effet de serre

Jacques Grinevald

École polytechnique fédérale de Lausanne

Benoît Urgelli

ENS-Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/03/2000

Résumé

Évolution historique des recherches sur l'effet de serre et sur son influence sur le climat.


Question

« Comment le rôle de la vapeur d'eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) dans l'effet de serre ont-t-ils été démontrés ? »

Question provenant du Laboratoire SVT La Martinière, à Lyon, par courrier électronique, le 8 février 2000.

Réponse

D'après Jacques Grinevald, philosophe historien, membre de la History of Science Society, professeur titulaire à l'Institut Universitaire d'Études du Développement (Genève) et à l'École polytechnique fédérale de Lausanne.

En résumé :

  • En 1824, le physicien Fourier affirme que la température de la surface terrestre est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur (rayonnement solaire) trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air, lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure (rayonnement infrarouge tellurique).
  • En 1838, Pouillet calcule la constante solaire, mais cette donnée restera controversée durant tout le XIXe siècle.
  • Dans les années 1860, les études des propriétés optiques et radiatives des gaz atmosphériques sont entreprises par Tyndall pour identifier les molécules responsables de cet effet de serre. Il conclut que cet effet est dû essentiellement à la vapeur d'eau ; toute variation de la quantité de vapeur d'eau devrait se traduire par un changement climatique. Il en va de même, dit-il en passant, du CO2. Un léger changement dans les constituants variables de l'atmosphère suffit pour que se modifie la quantité de chaleur retenue à la surface de la Terre enveloppée par la couverture d'air atmosphérique.
  • En 1896, Arrhénius donne à l'effet de serre son expression moderne. Il situe le problème dans le cadre géochimique du cycle du carbone et relie la théorie de la dérive à venir de l'effet de serre à l'utilisation industrielle des combustibles fossiles.

Aux origines de la métaphore de l'effet de serre

Les travaux de Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799) et de Joseph Fourier (1768-1830)

Le savant et voyageur genevois de Saussure est à l'origine de l'analogie entre le vitrage d'une serre et l'enveloppe atmosphérique du globe. Il en donnera une démonstration expérimentale dans les années 1780 qui sera citée par Fourier et Pouillet. Afin de montrer l'effet de l'énergie solaire sur l'air en fonction de l'altitude, il avait construit un dispositif expérimental constitué de 5 caisses de verre emboîtées les unes dans les autres et équipées de thermomètres.


Notez que son héliothermomètre sera à l'origine des capteurs solaires et donc de la technologie solaire alternative, décrite par le physicien André Monchot (1825-1912) dans La Chaleur solaire et ses applications, en 1869 (2ème édition en 1879, réédition Albert Blanchard, 1980). Dans ce livre (page 2 et 3), Monchot écrit : « La Terre n'est, à vrai dire, qu'une vaste serre chaude relativement aux espaces célestes ».

En 1824, le physicien Fourier publie Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires. Il place le problème de la température de la Terre dans un contexte cosmologique : « La Terre est ainsi plongée dans la température du ciel planétaire mais elle est échauffée par les rayons solaires dont l'inégale distribution produit la diversité des climats. Tous les effets terrestres de la chaleur du Soleil sont modifiés par l'interposition de l'atmosphère et la présence de l'océan. Les grands mouvements de ces fluides rendent la distribution des températures plus uniforme. »

Il décrit l'expérience de H.B. de Saussure qui permettait de comparer l'effet solaire sur une montagne élevée à celui dans une plaine. Comparant la Terre avec son enveloppe atmosphérique à la boite vitrée de M. de Saussure, il conclut que « la température [du sol] est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur [le rayonnement solaire] trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure [le rayonnement infrarouge tellurique] ».

Il manque alors à identifier les gaz responsables de la plus grande transparence de l'atmosphère au rayonnement solaire par rapport aux radiations infrarouges émises par la surface de la Terre.

La "théorie climatique du gaz carbonique" et la métaphore de la couverture chauffante

Les travaux de John Tyndall en 1860

L'analyse des propriétés radiatives des gaz atmosphériques a commencé en 1860 avec le physicien irlandais Tyndall, successeur de Faraday à l'Institution royale de la Grande-Bretagne. Ces travaux s'inscrivent dans le contexte des nombreux débats sur les changements climatiques des périodes glaciaires. On s'interrogeait alors sur les causes de ces changements climatiques.


Tyndall associe les observations et réflexions de Saussure et Fourier sur la transmission atmosphérique de la chaleur solaire et terrestre avec l'analyse des propriétés optiques et radiatives des gaz et des vapeurs. Il publie en 1861 une importante étude sur la théorie de l'effet de serre et comme Pouillet, disciple de Fourier et auteur d'une étude importante à l'Académie des Sciences sur la constante solaire, il conclut que cet effet est dû essentiellement à la vapeur d'eau. Selon lui, toute variation de la quantité de vapeur d'eau, comme de CO2, devait se traduire par un changement climatique.

«  Un léger changement dans les constituants variables de l'atmosphère suffit pour que se modifie la quantité de chaleur retenue à la surface de la Terre enveloppée par la couverture d'air atmosphérique. »

Il rassemblera ses contributions dans ce domaine dans son livre Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat (London, 1872). Au cours du XIXe siècle, la physique expérimentale démontra que tout corps (y compris la Terre) émet un rayonnement et que les pertes vers l'extérieur sont régies par l'absorption du rayonnement infrarouge dans l'atmosphère. L'analogie entre une couverture chauffante et l'atmosphère s'ajoute à la métaphore de la serre.

L'expression scientifique moderne de l'effet de serre

Les travaux de Svante Arrhénius (au tournant du XIXe et du XXe siècle).


Le savant suédois Arrhénius (1859-1927), prix Nobel en 1903 et un des fondateur de la chimie physique, publie en 1896 On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Philosophical Magazine, 41, 237-276.

Dans cet article, il calcule que si le dioxyde de carbone disparaissait en entier de notre atmosphère, dont il n'occupe que les trois dix millièmes en volume, la température du sol diminuerait de 21°C. Il estime que l'effet de cet abaissement de température serait que la quantité de vapeur d'eau diminuerait à son tour. La vapeur d'eau étant également en cause dans l'effet de serre, un nouvel abaissement de température presque aussi grand devrait se produire.

La disparition de moitié de la quantité de CO2 existant causerait un refroidissement de 4°C. La diminution jusqu'au quart de la proportion actuelle ferait perdre 8°C. Par contre, l'augmentation du double du volume de CO2 actuel devrait permettre de gagner 4°C.

Il en conclut que l'activité industrielle de l'humanité civilisée pourrait être une solution technique pour repousser la prochaine ère glaciaire ! Il lie en fait définitivement la dérive anthropogénique de l'effet de serre et l'utilisation industrielle des combustibles fossiles (charbon et hydrocarbures). Arrhénius, qui cite longuement son collègue géochimiste Arvid Gustaf Högbom (1857-1940), est donc le premier à situer le problème dans le cadre du cycle du carbone.

La reconstitution des paléoclimats : vers une vision globale de l'évolution de la Terre

La reconstitution des climats du passé, science pluridisciplinaire, prend un essor considérable en 1924, à la suite de la parution de l'ouvrage d'Alfred Wegener et Vladimir Köppen Die Klimate der Geologischen Vorzeit. La même année, Vernadsky dans La Géochimie , souligne l'impact de la déforestation sur l'équilibre dynamique du CO2 dans l'atmosphère, mais il n'est guère entendu.

À la même époque, le géophysicien serbe Milutin Milankovitch (1879-1958) met en évidence les rapports entre périodes glaciaires et cycles astronomiques, une théorie très discutée (voir André Berger, Le Climat de la Terre : un passé pour quel avenir ?, Bruxelles, De Broeck Université, 1992).

À partir de l'année de la géophysique internationale, en 1957-1958, des études sur les paléoclimats sont lancées. L'étude de carottage des glaces de l'Antarctique et la mesure systématique de la teneur en CO2 dans l'atmosphère commencent alors.

Figure 6. Variation du contenu en CO2 dans l'atmosphère depuis 400.000 ans

Variation du contenu en CO2 dans l'atmosphère depuis 400.000 ans

Données obtenues à partir de l'analyse du gaz piégé dans les carottes de glaces de l'Antarctique.


À l'observatoire de Mauna Loa dans la grande île d'Hawaï, au centre du Pacifique Nord, le géochimiste Charles David Keeling observe d'une manière exemplaire les variations saisonnières et l'augmentation annuelle moyenne du CO2 dans l'atmosphère.

Ces données permettent de mettre en évidence la corrélation entre la température de l'air et la teneur en dioxyde de carbone. La « théorie climatique du gaz carbonique » commence à être prise au sérieux, un siècle après les travaux de Tyndall. On s'interroge alors sur l'impact du développement industriel sur la composition en constituants radiativement actifs de l'atmosphère et sur les mutations du climat que les recherches géologiques ont révélées.

L'effet de serre dans le système couplé atmosphère-océan-biosphère

À partir des années 1970 (révolution de l'environnement), l'effet de serre acquiert dans le grand public sensibilisé à l'écologie le statut qu'il y conserve aujourd'hui. En 1972, à la fin de la période des Trente Glorieuses, la courbe de Keeling est vulgarisée par le rapport Meadows, The Limits to Growth , commandité par le Club de Rome.

À la fin du XXe siècle, on admet que l'activité métabolique des êtres vivants est étroitement liée à la géochimie de l'environnement. Les organismes modifient le milieu terrestre depuis des milliards d'années et les interactions biosphère-atmosphère sont réciproques. Il y a une coévolution de la vie et du climat dans l'histoire de la planète Terre.

Une vision dynamique globale de la Terre et de la biosphère s'impose donc. Ce concept reste encore problématique en raison de la division et du cloisonnement des disciplines scientifiques d'une part et de l'ignorance des travaux du savant russe Vladimir Vernadsky (1863-1945), théoricien de La Biosphère et inventeur (Leningrad 1926, Paris, 1929, réédition Seuil « Points », 2002).

Depuis le milieu des années 1980, la coopération scientifique internationale se mobilise autour de grands programmes de recherches comme le Programme International Géosphère-Biosphère (IGBP) lancé par le Conseil International des Unions Scientifiques (ICSU). (Voir également La Lettre du Changement global sur le site CNRS Climat)

Figure 9. Portrait de Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829)

Portrait de Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829)

« Une bonne physique terrestre doit comprendre la météorologie, la géologie et la biologie ... », Lamarck, Hydrogéologie, 1802.


Aujourd'hui, la densification et la précision des réseaux d'observation climatique permette de mieux connaître les phénomènes naturels locaux ou sur une échelle plus grande. Les modélisations et les simulations du comportement de l'atmosphère, des océans, du système glace permettent d'estimer le réchauffement global en couplant les différentes enveloppes de la Terre. Malgré ces nouveaux outils, des nombreuses interrogations demeurent car le climat est déterminé par un ensemble complexe d'interactions entre l'atmosphère, l'océan, les grands glaciers, les banquises et la biosphère (terme utilisé pour désigner des objets bien différents : la végétation, la biomasse terrestre et océanique, ou encore l'écosystème mondial).

Bibliographie

Grinevald J., « L'effet de serre de la biosphère : de la révolution thermo-industrielle à l'écologie globale », Stratégies énergétiques, Biosphère et Société (SEBES), mai 1990, 1, p.9-34.

Grinevald J., « De Carnot à Gaya, l'histoire de l'effet de serre », La Recherche n°243, vol 23, mai 1992

Kandel R., Fouquart Y., « Bilan thermique de la Terre », La Recherche n°241, vol.22, mars 1992.

A .Billet, « L'exposition scientifique interactive », CNRS Edition, 1996.