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Le climat dans tous ses états !

Le réchauffement climatique est dû à la petite augmentation de l’effet de serre atmosphérique naturel par les activités humaines, qui font augmenter la concentration dans l’air de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, le méthane, etc. L’expérience proposée permet de visualiser la transparence différenciée au visible et à l’infrarouge à l’origine de l’effet de serre terrestre.

Le matériel

  • 1 thermomètre pistolet infrarouge sans contact à pile (ces instruments sont généralement munis d’un petit pointeur à diode laser rouge pour positionner la mesure, on prendra donc garde à leur utilisation en direction des yeux)

  • Une petite plaque mince de verre
  • Optionnellement, quelques matériaux plastiques minces transparents, incluant par exemple un plastique rigide pas très épais, un film transparent et un film similaire noir ou opaque (type sac poubelle)

L'expérience

Pour remettre en place l’ordre de grandeur des températures ambiantes et son unité (°C), commencer éventuellement par parler de la température extérieure que l’on aura évaluée ou possiblement relevée au préalable, et de sa variabilité (jour-nuit, été-hiver, intérieur-extérieur).

Faire estimer la température ambiante de la pièce, la vérifier éventuellement avec un thermomètre classique présent dans un endroit représentatif de la pièce, puis introduire le thermomètre sans contact et mesurer la température de divers objets présents (table, tableau, livre) pour constater leur relative homogénéité autour de la valeur de la température dans la pièce donnée par le thermomètre classique (s’il est bien étalonné). Profiter d’éventuels objets éclairés par le soleil pour remarquer leur échauffement relatif (éventuellement fonction de leur couleur : lien à faire avec l’expérience sur l’albédo). Remarquer éventuellement que sol, mur extérieur, plafond sont plus froids, un radiateur en marche nettement plus chaud.

Amener ensuite le sujet sur la température corporelle, sa valeur interne (37°C), la température de la peau et mesurer la température sur quelques mains (sans doute >30°C). Constater la variabilité, notamment entre ceux qui ont tendance à avoir les mains chaudes ou froides (la tendance aux mains froides est généralement la conséquence d’une sensation de froid du nouveau-né à la naissance qui a provoqué un rétrécissement, malheureusement durable, de ses vaisseaux sanguins dans les extrémités pour limiter ses pertes thermiques).

Choisir une main (éventuellement chaude pour maximiser l’écart avec la température de la pièce) et faire mesurer sa température, puis intercaler la plaque de verre entre le pistolet et la peau, sans contact avec l’un ou l’autre, en faisant remarquer que la peau reste visible à travers la plaque de verre, puis questionner sur la température que l’on va mesurer en continuant à viser la main. Constater que la température mesurée n’est pas celle de la main, et qu’elle ne va pas changer si on retire la main en continuant à viser à travers la plaque de verre avec le thermomètre : on mesure la température du morceau de verre qui est à peu près celle de la pièce. On peut déplacer la plaque de verre et constater que même si la cible rouge atteint divers objets plus ou moins chauds ou froids, on continue à mesurer la même température (de la plaque de verre).

L’interprétation

Expliquer le principe du thermomètre sans contact par la mesure du rayonnement infrarouge invisible à l’œil, émis par les corps ou les objets en fonction de leur température, et qui les fait se refroidir. La visée rouge du thermomètre est de la lumière visible, on ne voit généralement pas le rayon dans l’air transparent, sauf s’il y a beaucoup de poussières en suspension, et il passe à travers le verre également transparent.

Ce n’est pas le cas de l’infrarouge. Le thermomètre mesure donc l’infrarouge émis par la plaque de verre et non par l’objet situé derrière éclairé par le pointeur du thermomètre. Le verre est donc transparent à la lumière visible, mais opaque à l’infrarouge, c’est le principe de l’effet de serre : la vitre d’une serre de jardinier, d’une véranda ou d’une voiture, laisse passer la lumière émise par le soleil pour permettre aux objets situés derrière la vitre de se réchauffer en en absorbant une partie, mais retient le rayonnement infrarouge réémis par l’intérieur du volume vitré, l’empêchant de se refroidir vers l’extérieur.

En option

On peut prolonger l’expérience avec la plaque de plastique mince transparente, qui affichera une température légèrement supérieure à celle de la vitre ou de la plaque sans la main derrière, puis du film transparent avec une température mesurée beaucoup plus proche de celle de la main. Il y a toujours transparence au visible de ces matériaux, mais aussi transparence partielle à l’infrarouge, plus importante pour le film que le plastique plus épais : le thermomètre mesure à la fois l’infrarouge émis par le film et une partie de celui émis par la main.

Enfin avec le film noir non transparent à la lumière, on fera remarquer que la tache rouge est visible sur le film et on posera la question de la température qui va être mesurée, sans la main, puis avec la main. On constatera qu’on mesure à peu près les mêmes températures dans les deux cas qu’avec le film transparent. On peut être trompé parce que la couleur noire de ce film le rend opaque au visible, mais il garde la relative transparence à l’infrarouge du film incolore.

Pour aller plus loin

Le rayonnement du Soleil qui éclaire la Terre la réchauffe (voir l’expérience sur l’albédo). La quantité de chaleur provenant de l’intérieur de la Terre est négligeable par rapport à la chaleur reçue du soleil.

La Terre émet aussi du rayonnement vers l’espace, ce qui la refroidit, mais c’est un rayonnement infrarouge invisible à l’œil. Sa température moyenne est déterminée par l’équilibre entre l’énergie reçue par absorption de rayonnement solaire et l’énergie perdue par émission de rayonnement infrarouge.

La Terre est entourée d’une atmosphère qui crée un effet de serre naturel sans lequel elle serait beaucoup plus froide et même essentiellement couverte de glace. Le principe de l’effet de serre atmosphérique est que, comme la vitre utilisée dans l’expérience, ou celle d’une serre de jardinier, d’une véranda ou d’une voiture, l’atmosphère laisse passer la lumière émise par le soleil, mais retient le rayonnement infrarouge réémis par la Terre (ou l’intérieur du volume vitré ; NB : pour mémoire, l’effet principal dans une serre ou un volume vitré fermé est toutefois de confiner le volume d’air chauffé en l’empêchant de se refroidir par mélange à l’air ambiant plus froid).

Vapeur d’eau, CO2, méthane sont les principaux gaz responsables de l’effet de serre dans l’atmosphère, les nuages y contribuent aussi. L’effet de serre atmosphérique naturel est en majorité (env. 70%) dû à la présence d’eau dans l’atmosphère (vapeur d’eau et nuages). D’autres gaz présents naturellement en petites quantités dans l’air y contribuent comme le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). L’effet de serre additionnel « anthropique » (c’est-à-dire dû aux activités humaines : combustion de charbon, pétrole et gaz naturel pour produire de l’énergie, agriculture et élevage, fabrication du ciment, déforestation…) est pour plus de la moitié (55-60%) dû au CO2 et dans une moindre mesure au CH4 (15-20%), dont les activités humaines font régulièrement augmenter les concentrations dans l’air. L’effet de serre additionnel anthropique est plus de 50 fois plus petit que l’effet de serre naturel, mais il a déjà causé un réchauffement de plus de 1°C en moyenne à la surface de la Terre. Le réchauffement est toutefois supérieur à la surface des terres émergées (déjà presque 2°C en France métropolitaine et même plus de 3°C en Arctique) que sur l'océan qui a une meilleure capacité d'absorption et répartit la chaleur en profondeur.

On parle de combustibles fossiles pour le charbon, le pétrole et le gaz naturel, appelés aussi hydrocarbures, parce qu’on les trouve dans le sous-sol et qu’ils proviennent des débris de la végétation abondante très ancienne de la Terre (la période du Carbonifère, il y a 360 à 300 millions d’années) qui ont été enfouis dans le sol puis lentement transformés. Comme la végétation croît par photosynthèse en absorbant le CO2 atmosphérique, le développement d’une végétation luxuriante et son enfouissement dans les sols a fait beaucoup diminuer la concentration en CO2 et diminuer l’effet de serre. En brûlant les hydrocarbures extraits du sous-sol, on réémet ce stock de carbone fossile dans l’air sous forme de CO2. Depuis que l’homme a commencé à exploiter massivement le charbon pour des applications industrielles au XIXe siècle, la concentration atmosphérique en CO2 a augmenté de moitié.

Merci à François Dulac et Alain Mazaud (LSCE-PSL).

L'effet de serre atmosphérique