L'effet de serre, à l’origine du phénomène de réchauffement climatique, est difficile à montrer par des expériences simples. De nombreuses propositions sont pourtant disponibles sur internet mais peu sont réellement reproductibles et nombreuses sont celles qui donnent de mauvaises représentations physiques du phénomène [1]. Cet article propose des méthodes pratiques et des outils accessibles pour aider les enseignants et les éducateurs à expliquer ce phénomène de manière engageante.
Une expérience populaire de l'effet de serre - Les défis de l'effet de serre en bouteille - Les instruments de mesure - Le rayonnement infrarouge - Conduction et absorption - Rayonnement du corps noir - L’albédo - Identification des gaz à effet de serre - Spectre d’absorption du CO2 - Le refroidissement de la stratosphère
Une expérience populaire de l'effet de serre
Quelle est l'expérience idéale pour démontrer l'effet de serre ? En tapant « effet de serre expérience » sur un moteur de recherche, une suggestion revient souvent : comparer les températures de deux bocaux de verre, l'un ouvert et l'autre fermé, chacun contenant une feuille de papier noire au fond et exposé au soleil. Lorsqu'on ferme l'un des bocaux avec une vitre ou un plastique, la température dans le bocal fermé augmente plus rapidement que celle du bocal ouvert, atteignant jusqu'à 4 à 5 degrés de plus.
Pourtant, si cette expérience est simple à mettre en oeuvre et produit des résultats toujours probants, il est bien établit qu'elle n'offre malheureusement pas une représentation réalistes des phénomènes à l'oeuvre dans l'effet de serre qui réchauffe la terre. En effet, si la température est plus élevée dans le bocal fermé, c'est essentiellement à cause de la suppression des courants de convection qui refroidissent l'air dans le bocal ouvert, et non pas de l'effet radiatif que l'on nomme effet de serre climatique. Cet explication a été proposé dès 1774 par le scientifique suisse Horace-Bénédict de Saussure et confirmé en 1909 par le scientifique Robert Williams Wood qui a montré que même en remplaçant le verre d'une serre par du halite, transparent aux infrarouges, la température augmentait de manière similaire, prouvant que l'effet observé est principalement lié à la convection. L'expérience précédente montre l'effet de serre "de serre" (ou "agricole") et non pas l'effet de serre "climatique" (ou "terrestre").
Si cette expérience continue d'être présentée en classe, ce n'est pas donc parcequ'elle offre une bonne représentation du phénomène, mais parcequ'elle donne une analogie simple et visuelle utile pour introduire les concepts de base de l'effet de serre, particulièrement à destination des plus jeunes. Elle est utile du point de vue pédagogique mais ne prouve rien en ce qui concerne le réchauffement climatique.
Doit-on cependant en rester là ? Dans la suite nous verrons qu'il est possible d'offir des représentations beaucoup plus pertinentes du phénomène d'effet de serre climatique et de montrer expérimentalement l'effet radiatif des gaz à effet de serre. Cette tâche parfois un peu difficile est largement récompensée par la compréhension intime et précises que l'on peut alors avoir du phénomène.
Les défis de l'effet de serre en bouteille
Le phénomène d'effet de serre à l'otigine du réchauffement climatique est bien connu. Il est du au fait que certains gaz dans l'atmosphère terrestre, tels que le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄), ainsi que la vapeur d'eau, absorbent et réémettent les radiations infrarouges émises par la surface terrestre. C'est cet effet radiatif que l'éducateur ou le jeune scientifique cherche à mettre en évidence à travers des activités expérimentales. Mettre cet effet de serre "en bouteille" est cependant plus hardu qu'il n'y parait : John Tyndall, le premier à avoir mesuré l'effet radiatif du CO2, rappelle ainsi qu'il a réalisé plus de 10 000 expériences différentes pour finalement prouver en 1859 que le gaz carbonique était un gaz à effet de serre [4].
Le premier obstacle que rencontre l'observateur est le fait que que la transmission de la chaleur est un phénomène complexe qui résulte de la combinaison de trois phénomènes différents : la conduction, la convection et le rayonnement. Ces phénomènes coexistent dans la plupart des expériences sur l'effet de serre, rendant très difficile l'isolation des effets individuels avec du matériel simple [2].
Cette difficulté est accrue par le fait que le réchauffement dû au rayonnement est relativement faible par rapport aux autres mécanismes. Une expérience d’effet radiatif impliquant une couche de 20 cm de CO₂ ne produirait au mieux qu'un réchauffement de un degré, la plupart du temps inférieur à l'impact de la convection ou de la conduction [3].
Du fait de la faible augmentation de chaleur qu'entrîane les phénomènes radiatifs, la reproductibilité des expériences est difficile. Les plus petites variations dans la distance des sources lumineuses, dans le choix des matériaux, dans la puissance des lampes, dans la concentration des gaz utilisés, peuvent avoir un impact significatif sur les résultats obtenus.
Enfin, l'atmosphère terrestre est un environnement complexe structuré en plusieurs couches distinctes. Chaque couche présente des caractéristiques spécifiques qui contribuent à l'effet de serre, et des phénomènes de convection importants permettent de répartir la chaleur de manière homogène autour du globe. Modéliser un tel environnement dans une bouteille est impossible [6].
Pour toutes ces raisons, il n'existe pas d'expérience simple et irréfutable réalisable en classe ou chez soi qui démontre l'effet de serre « climatique » dans son ensemble. Cependant, il est possible de montrer différents aspects du réchauffement climatique par analogie ou en mesurant des effets spécifiques comme nous allons le découvrir.
Les instruments de mesure
Quels instruments de mesure utiliser pour montrer l'effet de serre et réaliser les expériences que nous décrivons dans la suite de cet article ?
L’instrument le plus simple à utiliser et disponible est le thermomètre. Pour des mesures plus précises et dans la durée, un thermomètre digital, idéalement connecté à un ordinateur ou un smartphone pour faire de l’EXAO (Expérimentation assistée par Ordinateur), est préférable. Le thermomètre présente cependant plusieurs limitations : son temps de réaction est long, son placement dans l'étuve est crucial et il ne permet pas de mesurer directement le rayonnement.
Pour mesurer les rayonnements infrarouges, on préférera utiliser une thermopile, inventé par le physicien italien Leopoldo Nobili au début du XIXe siècle. Composées de plusieurs thermocouples en série, elles permettent de mesurer à distance la température d'une surface pour des températures allant de -20 °C à 350 °C. Les thermopiles sont présentes dans les thermomètres infrarouges, mais aussi disponibles comme capteur externe pour des prix tout à fait réduits.
Un autre instrument de mesure des rayons infrarouges mais plus onéreux est la caméra infrarouge, capable d'analyser le rayonnement des objets sous forme d'image. Des caméras infrarouges peuvent aujourd'hui être branchées sur un smartphone pour produire des photos ou des vidéos infrarouges. Ces nouveaux appareils, extrêmement pratiques, permettent d'analyser les phénomènes en vidéo.
En complément des mesures de température, on peut utiliser des capteurs d’humidité, des capteurs de CO₂ pour mesurer les concentrations, et des cellules photoélectriques pour comparer les intensités lumineuses reçues ou mesurer l’albédo des matériaux.
Tous ces capteurs existent de manière indépendante mais sont généralement assez coûteux, surtout pour faire de l’EXAO. Une solution consiste à utiliser des capteurs pour amateurs (hobbyists), connectés à un micro-contrôleur tel qu’un Arduino, ESP32 ou Microbit. On peut facilement analyser les données en connectant les contrôleurs à l’application FizziQ via Bluetooth, ce qui permet d’enregistrer et d’analyser les données dans des cahiers d’expériences.
Pour ceux qui ne sont pas à l'aise avec les micro-contrôleurs, nous avons développé l'environnement FizziQ Connect, qui permet de réaliser des analyses en EXAO à un coût réduit par rapport aux autres solutions pédagogiques. FizziQ Connect utilise les capteurs M5 Stack, peu chers à l'achat et suffisament précis dans ce contexte. Un vaste choix est disponible chez d'autres fabricants comme Seed Studio.
Le rayonnement infrarouge
Pour comprendre le mécanisme de l’effet de serre terrestre, il est essentiel d'aborder en priorité le rayonnement infrarouge, ou "rayonnement calorifique" comme l'a nommé l'astronome britannique William Herschel en 1800. En menant une expérience avec un prisme pour décomposer la lumière du soleil en un spectre de couleurs, Herschel a observé que la température augmentait au-delà de la lumière rouge, dans une zone où aucune lumière visible n'était présente.
Bien que le rayonnement infrarouge ne soit pas visible à l'œil nu, nous pouvons le ressentir sous forme de chaleur grâce à des thermorécepteurs situés dans notre peau. Certains animaux, comme les vipères, les pythons et les boas, possèdent des fossettes thermo-sensibles sur leur tête, leur permettant de détecter la chaleur infrarouge émise par les proies à sang chaud. Cela leur confère un avantage significatif pour chasser la nuit. Les capteurs des caméras de smartphones sont également sensibles aux rayons infrarouges, mais pour produire une image proche de ce que voit l'œil humain, les constructeurs ajoutent des filtres bloquant les infrarouges. Certains smartphones ont cependant des filtres moins performants ou à spectre plus large comme par exemple de nombreux smartphones Android bas de gamme. Une occasion de visualiser les rayons infrarouges !
Dans un endroit à éclairage modéré, ouvrez l'application caméra de votre smartphone et pointez-la vers l'émetteur infrarouge d'une télécommande de télévision. Appuyez sur un bouton de la télécommande tout en regardant l'émetteur à travers l'écran du smartphone. Vous verrez une lumière clignotante provenant de l'émetteur, visible sur l'écran même si elle est invisible à l'œil nu. Si votre smartphone ne détecte pas les infrarouges, cela signifie que le filtre infrarouge de la caméra est calibré pour donner une image la plus proche possible de ce que perçoit l'œil humain.
Pourquoi les télécommandes utilisent-elles les rayons infrarouges plutôt que d'autres types de rayonnements ? Plusieurs raisons expliquent ce choix : simplicité technologique et coût réduit, mais aussi des caractéristiques spécifiques des rayons infrarouges. Ceux-ci sont invisibles à l'œil nu, sans danger pour la santé, ont une portée limitée et sont suffisamment directionnels pour permettre un contrôle précis des appareils sans interférer avec d'autres dispositifs électroniques à proximité.
Conduction et absorption
Une des avancées fondamentales de la théorie du réchauffement climatique est la découverte de l’interaction entre certains gaz, appelés gaz à effet de serre, et les rayons infrarouges [14]. Nous verrons dans d’autres expériences comment démontrer ce phénomène, mais pour le comprendre, il est plus simple d’expérimenter avec des surfaces solides. En effet, alors que certains matériaux comme le verre ou le plexiglas bloquent les rayons infrarouges (ou plutôt les absorbent), d’autres comme le polyéthylène basse densité (PEBD) transparent laissent passer les rayons infrarouges. Certains matériaux laissent même passer les rayons infrarouges alors qu’ils bloquent le rayonnement visible.
Pour mettre en évidence ces notions de transparence, nous pouvons réaliser l'expérience suivante avec une thermopile ou un thermomètre digital infrarouge [5]. Une tasse est remplie d'eau chaude et une surface est intercalée entre la thermopile (circuit MLX90614) et la source de rayonnement infrarouge. Nous choisissons trois matériaux différents : une plaque de verre, un sac d’emballage transparent et un sac poubelle. Les résultats dans l’expérience que nous avons mené sont les suivants : sans matériau : 23,9 degrés, avec le verre : 18 degrés, avec le plastique transparent : 23,2 degrés, et avec le sac poubelle : 21,8 degrés. Le polyproéthylène du film alimentaire laisse donc passer 90% des rayons infrarouges, alors celui coloré des sac poubelle n'en laisse passer que 65% et que le verre est opaque.
Cette expérience permet de comprendre comment l'atmosphère laisse passer les rayons visibles, mais bloque les rayons ultraviolets, dangereux pour l'homme, et certaines fréquences de rayons infrarouges.
Rayonnement du corps noir
L'atmosphère terrestre laisse passer les rayons visibles (et certains rayons infrarouges), qui sont ensuite absorbés par la surface de la Terre. Cette dernière réémet alors un rayonnement infrarouge, selon le principe du corps noir. Un corps noir est un objet théorique en physique qui absorbe parfaitement toutes les radiations électromagnétiques incidentes, sans en refléter ni en transmettre aucune. Il émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement de corps noir, qui dépend uniquement de sa température et non de sa composition. Ce rayonnement suit la loi de Planck, décrivant la distribution spectrale de l'énergie émise.
À des températures inférieures à 500 degrés Celsius, un corps noir émet des rayons infrarouges invisibles à l'œil nu. Cependant, à mesure que la température augmente, la quantité de radiation émise dans le spectre visible augmente également, rendant le corps noir visible. La loi de Wien nous permet de déterminer la longueur d'onde à laquelle le rayonnement est maximal.
Pour visualiser l'effet du corps noir, on peut éclairer un carton noir avec une lampe LED et mesurer la température du carton et de la lampe avec une thermopile (ou un détecteur de température infrarouge). On constate que la température de la lampe est légèrement supérieure à celle de l'atmosphère. En effet, les lampes LED produisent très peu de chaleur, et sont donc très efficaces. Par contre la température du carton noir est plus élevée que celle de la lampe, car le carton a absorbé tous les rayons visibles et réémet des rayons infrarouges.
L’albédo
Un corps noir absorbe tous les rayonnements, mais dans la réalité seulement une partie est absorbé par les corps physique. Cette capacité à réfléchir la lumière incidente est l'albédo. Utilisé principalement en astronomie et en climatologie, l'albédo se situe entre 0 et 1, où 0 signifie que la surface absorbe toute la lumière et 1 qu'elle la réfléchit entièrement. Un matériau avec un albédo élevé, comme la neige ou la glace, renvoie la majorité de la lumière, contribuant ainsi à un refroidissement local. En revanche, une surface avec un albédo faible, comme l'océan ou une route asphaltée, reflète moins de lumière et en absorbe une partie. Cette fraction de lumière absorbée est convertie en chaleur, augmentant ainsi la température de la surface. C'est pour cette raison que le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental pour le Climat) affirme ainsi que « peindre les toits en blanc permettrait d'économiser 1Gt/an d'émissions de Gaz à Effet de Serre, soit l'équivalent de 250 millions de véhicules ». Une solution très ancienne puisque les Égyptiens peignaient dans l’antiquité leurs bâtiments en blanc pour réfléchir la chaleur du soleil, et les Romains utilisaient des marbres et autres matériaux réfléchissants dans les structures des bâtiments.
Pour comprendre l'effet de l'albédo sur la température, rassemblez une lampe puissante (60W), des thermomètres ou capteurs connectés, et des matériaux de différentes couleurs (pâte à modeler jaune, rouge, orange, et bouteilles en aluminium grise et noire remplies d'eau). Placez les matériaux sous la lampe en gardant la même distance, inclinaison et orientation. Allumez la lampe pendant 10 minutes. Utilisez l'application FizziQ pour mesurer la luminance, une mesure de la lumière réfléchie, et calculez l'albédo comme le rapport de la luminance d'une surface par rapport à une feuille de papier blanc. Après l'exposition, mesurez les températures et observez que les matériaux sombres (rouge, noir) absorbent plus de lumière et chauffent davantage que les matériaux clairs (jaune, gris), démontrant ainsi l'impact de l'albédo sur la température. Cette expérience est décrite de façon détaillée sur le site de notre partenaire La main à la pâte en suivant ce lien.
A partir de ce qui précède on peut estimer l'albédo de la terre. En proposant une répartition des surface de différentes couleurs du globe terrestre, on peut avoir une idée de l'abédo de la terre. On rapprochera cette valeur de l'estimation de 0,3 qui est généralement utilisée pour estimer quelle serait la température du globe en l'absence d'effet de serre, soit -18 degrés.
Identification des gaz à effet de serre
En 1856, l’expérimentatrice Eunice Foote publie dans les annales de l'American Association for the Advancement of Science un papier dans lequel elle compare le réchauffement relatif de bocaux remplis de l’air, de CO2 et de vapeur d’eau. Elle constate que les bocaux remplis de CO2 et de vapeur d’eau se réchauffent plus vite et conclu avec une phrase prophétique : "Une atmosphère remplie de ce gaz (CO2) donnerait à notre Terre une température plus élevée" [13].
On sait aujourd’hui que l’expérience telle qu’elle l’a réalisée ne permet pas d’expliquer l’effet de serre « climatique », et s’explique principalement par les différences de masse volumique différents entre l’air, le CO2, et des effets de conduction et de convection dans les bocaux en verre absorbants les rayons infrarouges. Cependant l’intuition de cette pionnière était la bonne et CO2 est identifié comme un gaz à effet de serre, c’est-à-dire un gaz qui absorbe certain rayons infra-rouges et les rediffuse.
De nombreuses autres expériences que l'on trouve sur internet prétendent également pouvoir démontrer l'effet de CO2 comme gaz à effet de serre. Beaucoup de ces expériences ne sont pas reproductibles ou donnent des résultats faux. Dans ces expériences les effets de convection et de conduction ne sont pas évalués alors qu'ilssont dominants par rapport à l’effet radiatif du à l’absorption des rayons infrarouges pour les gaz à effet de serre [2] [7] [10].
Par contre le protocole suivant donne des résultats tout à fait interprétables. Il consiste à comparer deux gaz ayant des caractéristiques physiques proches mais dont l’un n’est pas un gaz à effet de serre. On aura alors trois mesures à notre disposition ce qui nous permettra également d'évaluer l'effet convectif. Un gaz couramment utilisé est l'argon l’argon qui est un gaz inerte et de caractéristqiues proches de celles du gaz carbonique. Les écarts de températures dus à l’effet radiatif sont de l’ordre de quelques dixième de degrés, la précision des mesures est donc très importante.
Dans l’exemple sur la photo ci-dessus, nous avons pris une bouteille en plastique coupée et tapissée de papier noir, éclairée par un projecteur de 100 W à une hauteur de 60 cm. Une sonde est placée à l’intérieur, protégée par un morceau d’aluminium pour éviter les radiation directes de la lampe et une sonde extérieure est placée à 1,5 m comme référence. A l’équilibre on mesure l’écart ΔT de température entre la sonde intérieure et la référence. On constate un effet radiatif est de 0,5°C et un effet de convection de 0,4°C.
Spectre d’absorption du CO2
La molécule de CO₂ absorbe les rayons infrarouges en raison de ses modes de vibration, notamment l'étirement asymétrique et les vibrations de flexion. Lorsque les atomes de la molécule vibrent de manière à changer le moment dipolaire, ils peuvent interagir avec le rayonnement infrarouge. Ces vibrations permettent à la molécule de CO₂ d'absorber et de ré-émettre l'énergie infrarouge. Cependant la molécule de CO2 n’absorbe pas toutes les fréquences. Comme John Tyndall l’a montré avec l’élaboration du premier spectre d’absorbance de différents gaz, le CO2 a des bandes d’absorption différentes dans les infrarouges moyens et lointains (4 micromètres et 15 micromètres). D’autres composés de l’atmosphère comme la vapeur d’eau participent également au réchauffement climatique en absorbant d’autres fréquences de rayons infrarouges, notamment les infrarouges moyens autour de 6,3 micromètres.
Pour visualiser cette absorption on peut faire l’expérience suivante [11]. On gonfle un ballon avec du CO2 en utilisant du bicarbonate de soude et du vinaigre, et on gonfle un autre ballon avec de l’air. Puis on mesure grâce à une caméra infrarouge la température d’une flamme de bougie placée derrière le ballon. On constate que la température maximale de la flamme diminue quand on utilise un ballon rempli de CO2, du au fait que le rayonnement infrarouge est absorbé par le CO2 présent dans le ballon.
Il est également possible de reproduire l'expérience de Tyndal en construisant une chambre fermée à une extrrémite et dans laquelle on place une thermopile. Devant ce dispositif est placé une bougie qui crée les rayons infraouges. On fait entrer dans cette chambre du gaz carboniqueou de l'air placé dans un ballon. On compare l'impact de l'air et du CO2. Cet appareillage précis et permattant des conditions parfaitement reproductible est le moyen idéal pour étudier l'effet des rayons infrarouges sur le CO2.
Le refroidissement de la stratosphère
Une des prédictions les plus probantes de la modélisation de l’effet de réchauffement climatique est le refroidissement de la stratosphère.
La stratosphère est la deuxième couche de l'atmosphère terrestre, située au-dessus de la troposphère et s'étendant de 10 à 50 kilomètres d'altitude. Elle se caractérise par une augmentation progressive de la température avec l'altitude, en raison de l'absorption des rayons ultraviolets (UV) par l'ozone. Cette couche est essentielle pour la protection de la vie sur Terre, car elle contient la couche d'ozone, qui absorbe la majorité des UV nocifs du soleil. Contrairement à la troposphère, la stratosphère est relativement stable, avec peu de mouvements verticaux d’air.
En 1967, les scientifiques Syukuro Manabe et Richard Wetherald, réalisent la première modélisation sur ordinaeur de l'impact d'un doublement de la concentration du CO2 dans l'atmosphère. Il calculent que l'effet de serre entrainerait un réchauffement de la troposphère mais également, et de façon plus surprenante, un refroidissement de la stratosphère. En effet, si il y a plus de gaz à effet de serre dans la stratosphère, celle-ci qui se comporte comme un corps noir va émettre plus de rayonnement infrarouge à la fois vers le ciel et vers la terre. Mais comme moins de chaleur atteint la stratosphère puisque cette chaleur est capturée dans les couches de la troposphère, cette couche atmosphérique se refroidit car elle émet plus de rayonnement qu’elle n’en reçoit.
Ce contraste entre le réchauffement de la troposphère et le refroidissement de la stratosphère est une signature claire de l'impact des activités humaines sur le climat et les prédictions de Manabe et Wetherald ont bien été confirmé par les mesures par satellites et ballons sondes.
Pour expérimenter avec cet effet particulier, nous pouvons utiliser avec une piscine solaire. Une piscine solaire, ou bassin solaire, est un est un récipient dans lequel on a placé une eau fortement salée et qui est placée au soleil. La densité de l'eau augmente avec la salinité car les sels dissous ajoutent de la masse à l'eau sans augmenter son volume de manière significative. Les couches dans la colonne d’eau se stratifient naturellement selon leur densité, avec les couches plus denses (plus salées) en bas et les couches moins denses (moins salées ou douces) en haut. Cette stratification crée une situation stable où les couches plus lourdes restent en bas, empêchant les mouvements de convection qui pourraient mélanger les couches.
Dans les bassins solaires, cette stratification est exploitée pour créer un gradient thermique stable. La couche supérieure, peu salée, agit comme une isolation thermique. La couche intermédiaire, avec un gradient de salinité, empêche les mouvements de convection, piégeant ainsi la chaleur. La couche inférieure, très salée et dense, absorbe et stocke la chaleur solaire. Cette configuration permet au bassin solaire de retenir efficacement la chaleur, en empêchant le mélange des couches et en maximisant l'absorption et le stockage de l'énergie solaire. Cette chaleur piégée peut ensuite être extraite à l'aide d'échangeurs de chaleur et utilisée pour diverses applications telles que le chauffage des espaces, les processus industriels ou la production d'électricité. Le bassin solaire capture et retient l'énergie solaire de manière simple et efficiente, constituant une méthode efficace pour le stockage et l'utilisation de l'énergie thermique.
Ce que l'on constate et qui permet de mieux comprendre l'effet de refroidissement de la stratosphère, est que si l'on augmente la concentration de sel, à éclairement constant, la températiure de la surface de l'eau diminue. En effet, plus d'énergie est piègée au fond de la piscine, et moins d'énergie est disponible pour réchauffer la surfacede la piscine.
Conclusion
Comprendre et démontrer l'effet de serre, clé du réchauffement climatique, est un défi expérimental majeur. Bien que de nombreuses expériences soient disponibles, peu sont fidèlement reproductibles. Cependant, il est possible avec du matériel peu couteux de réaliser des expériences tout à fait réalistes qui permettent de montrer différents aspects du phénomène d'effet de serre [11] [12]. Des approches combinées et des analogies permettent de saisir les aspects essentiels du réchauffement climatique, soulignant l'importance d'un enseignement scientifique rigoureux et varié.
En savoir plus
[1] http://climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/sound_examples/