Modélisation de l'effet de serre au lycée

Gilles Gutjahr

Lycée Marot, Cahors

Jean-Louis Dufresne

Laboratoire de météorologie dynamique, CNRS, Paris

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

21/02/2001

Résumé

Tentative de modélisation du rôle de la vapeur d'eau dans l'effet de serre.


Lire aussi l'article critique Commentaires de chercheurs sur la modélisation de l'effet de serre au lycée pour compléter cette lecture.

Avec le soutien de Nathalie Gouny, aide de laboratoire.

Objectif

En respectant l'alternance jour-nuit, observer l'effet de serre provoqué par un gaz (vapeur d'eau) plutôt que par le verre. Pour éviter aux élèves de penser que l'effet de serre provoque un échauffement infini, on essaie d'atteindre un équilibre thermique dans le montage. Comme « corps noir » (corps qui absorbe tous les rayons incidents, comme la surface de la Terre), on utilise un matériau qui rappelle les constituants des planètes.

Le montage

Figure 1. Montage complet

Montage complet

Les boîtes utilisées sont des boîtes de glace de 1 litre, dont la hauteur est de 4 à 5 cm. On place un centimètre de sable sur le fond. Dans le montage, la lampe est placée entre 10 et 20 centimètres au-dessus des bacs. Dans la boîte contenant l'eau, 2 à 3 gouttes sont déposées sur le sable. Pas plus, afin d'éviter la buée sur la vitre.

Résultats

Protocole 1

Figure 2. Protocole 1

Protocole 1

Durée de l'expérience : environ 25 minutes. Éclairage assuré par des lampes de table pour microscopie. Alternance de périodes éclairées et obscures de 5 minutes. Dans ce montage, la lampe est à 10 cm au-dessus des bacs. Le bac « sable clair » a été ôté (manque de sondes).


Avec le protocole utilisé, on peut noter que :

  • l'effet du verre est faible, voire nul dans le second cas.
  • l'effet de l'eau est particulièrement net (écart des courbes verte et rouge).
  • l'équilibre thermique n'est pas atteint, toutes les courbes étant globalement croissantes.

Le temps de mesure semble insuffisant.

Protocole 2

Figure 4. Protocole 2

Protocole 2

Durée de l'expérience : environ 1 heure. Éclairage assuré par une torche vidéo puissante (350 W). Alternance de périodes éclairées et obscures de 3 minutes. Dans ce montage, la lampe a été placée à 20 cm.


Avec ce protocole, on peut noter que :

  • l'effet du verre est beaucoup plus fort (écart des courbes bleue et verte).
  • l'effet de l'eau est encore net (écart des courbes verte et rouge).
  • l'effet de la couleur du sable est faible (écart des courbes brune et verte).
  • l'équilibre thermique est atteint, ce qui rappelle davantage ce qui est observable aujourd'hui sur les planètes.

Il semble donc que, dans ce genre de protocole, une mesure assez longue soit nécessaire pour écarter les différentes courbes afin de les distinguer plus facilement et atteindre l'équilibre thermique rappelant les situations observées sur la Terre.

Quelques remarques, critiques et suggestions (J.L. Dufresne)

Je trouve cette manipulation très prometteuse et j'espère que le travail déjà réalisé par cet enseignant sera prolongé en terme de réalisation et d'interprétation.

La source de lumière utilisée

La très forte sensibilité des résultats, notamment en ce qui concerne la vapeur d'eau, provient probablement de la source de lumière utilisée. C'est probablement une lampe à incandescence, donc avec une énergie principalement émise dans le proche infrarouge (moins de 10 % dans le visible), c'est-à-dire dans un domaine spectrale où la vapeur d'eau possède plusieurs importantes bandes d'absorption. Donc l'augmentation de la température ne résulterait pas directement de l'effet de serre (absorption dans l'infrarouge lointain) mais de l'absorption par la vapeur d'eau du rayonnement IR de la source. Ce n'est pas gênant en soit (ce type de manipulation étant forcement basée sur une analogie) mais mériterait d'être détaillé et précisé.

La réflexion de la lumière

La faible sensibilité à la couleur du sable est surprenante. Au dessus du sable clair, la sonde n'est-elle pas chauffée de manière parasite par la réflexion du rayonnement émis par la lampe (le cache étant au-dessus de la sonde) ?

⇒ la mesure de température devrait être plus précise avec des sondes de températures légèrement enterrées sous le sable (mais il faudra faire des tests pour observer la sensibilité des résultats à la profondeur de cet enfouissement).

La plaque de verre

La très faible sensibilité de la température à la présence d'une plaque de verre est également surprenante...

⇒ quelle est la sensibilité des résultats au centrage de la lampe ?