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

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) :

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 :

Source - © 1996 CNRS Éditions

Figure 1. 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 ?

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.

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.

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.

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

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.

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 !

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.

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.

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.