Dernières tendances chinoises

J'ai passé une bonne partie de mon été en Chine, plus particulièrement dans la région de Shanghai et dans le Jiangsu, où j'ai pu discuter avec de nombreux professionnels de l'énergie et du développement durable ainsi qu'avec des fonctionnaires locaux. Je vous en ramène quelques unes des tendances actuelles dans les domaines de l'énergie et du développement durable chinois. Si vous pensez que les innovations de l'Empire du milieu peuvent donner le la au reste du monde, cet article est fait pour vous !


Le Vélib', en vraiment libre (peut-être trop ?)


L'affaire semblait entendue : en s'enrichissant, les chinois passeraient du vélo au deux roues motorisés puis à la voiture - avec tous ses inconvénients : embouteillages, pollution... Et pourtant ! Depuis quelques mois, les vélos font un retour spectaculaire dans les rues des villes chinoises.
Que s'est-il passé ? Après quelques essais moyennement fructueux de types vélib', un nouveau système de vélopartage envahit rapidement le pays. Plus de stations : les vélos peuvent être pris et déposés n'importe où, il suffit de trouver un vélo et de scanner son QR code avec un téléphone portable pour obtenir le code de l'antivol. Lorsqu'on n'en a plus besoin, on referme l'antivol et le tour est joué.

Mobike, Ofo ou Youon : les startups chinoises qui révolutionnent le vélopartage
Une dizaine de start-up se sont lancées sur ce marché avec des vélos classiques ou à assistance électrique, parfois localisés par GPS. Leurs noms : Mobike, Ofo, Xiaoming ou encore Youon qui est en train d'être introduit en bourse. Les méthodes de tarification sont variables mais le prix est toujours dérisoires : moins d'un renminbi par heure, soit quelques centimes d'euros.
Ce système repose sur la mise à disposition massive de vélos : plus d'une dizaine de millions au total. Ces nouvelles bicyclettes aux couleurs vives envahissent les trottoirs et, dans certains endroits, s'entassent littéralement. Point positif : cette demande semble avoir, au moins temporairement, relancé l'industrie cycliste chinoise qui semblait condamnée. Points négatifs : les autorités municipales s'agacent et le taux de perte, de dégradation et de vol est très haut, un des principaux obstacles à la pérennité de ce système.


L'éolien prend la mer


Depuis longtemps un acteur majeur de l'éolien terrestre, la Chine semble être en train de prendre le parti de l'off-shore.
Il y a bien sur une évidence géographique : la Chine possède une façade maritime orientale de 15.000km sur laquelle se concentre presque tous ses centres urbains et industriels. La volonté de préserver des surfaces libres dans une des régions les plus densément peuplées de la planète joue aussi un rôle important. Ainsi que - croyez-le ou non - les pressions sociales : dans le Jiangsu des éleveurs de crevettes et des fermes d'algues se sont plaints d'une baisse de leurs productions après l'implantation d'éoliennes à proximité et ont obtenu une indemnisation du gouvernement...

Ce virage vers l'off-shore ne se voit pas encore dans les statistiques : en 2016, la Chine produisait 181TWh d'électricité éolienne... dont seulement 1TWh en mer. Mais malgré quelques tâtonnements (au large de l'estuaire du Yangtse, on a vu apparaître une paire d'éoliennes bipales "pour économiser des matériaux"), il semble bien engagé. Certaines communes côtières jusque là très actives dans l'éolien terrestre ont, officiellement ou de fait, décrété un moratoire au profit de l'off-shore. Cette dynamique pourrait aussi profiter aux autres énergie marines, jusque là inexistantes en Chine : des études en vue de l'installation de systèmes houlomoteurs ou hydroliens sont en cours.


Le solaire entre dans les foyers


Je vous en ai déjà parlé : historiquement, la Chine a fait le choix de solaire thermique domestique, filière qu'elle domine aujourd'hui de la tête et des épaules. Plus récemment, elle s'est ouvert au solaire photovoltaique et s'est dotée en un temps record du premier parc mondial. Mais la fête est peut-être déjà finie : ce développement spectaculaire était encouragé par un tarif de rachat garanti (ou feed-in tariff) que le gouvernement chinois a rendu moins généreux mi-2017. Cette baisse programmée a entraîne un formidable pic des raccordements au second trimestre : 18GW, soit l'équivalent de trois fois l'ensemble du parc français ! Logiquement, le rythme devrait se ralentir dans les mois qui viennent, d'autant que le photovoltaique est, comme l'éolien, victime de la volonté de laisser les sols libres : des projets de fermes solaires ont été annulés parce qu'ils réclamaient des surfaces jugées trop importantes.

Peut-être par contrecoup, l'industrie solaire photovoltaique chinoise se tourne désormais vers les systèmes résidentiels. Dans les zones rurales, seules à disposer d'habitations individuelles permettant ce type d'installations, il n'est plus rare de voir l'incontournable chauffe-eau solaire voisiner avec une dizaine de panneaux photovoltaiques.
Cependant ces installations sont coûteuses : de l'ordre de 50.000RMB dans des zones où 200.000RMB par an est un excellent salaire. Leur développement est donc très dépendant de la publicité et surtout du crédit.

Ce nouvel élan semble donc fragile. Quoiqu'il en soit, passant du solaire thermique au grand photovoltaique puis au photolvatique individuel, le développement du solaire chinois s'est fait par ordre d'EROEI décroissant. Un démarche plus logique, donc, que celle adoptée par la plupart des pays occidentaux.


La ville durable : tout le monde en parle, peu l'ont vu


Depuis les années 80, la surface habitable par habitant a doublé en Chine. Ce chiffre, auquel il faut ajouter un exode rural partiellement contrôlé et une spéculation importante, explique l'explosion de l'immobilier et le développement tentaculaire des villes chinoises. Ce phénomène touche bien sur les grandes métropoles comme Shanghai et Pékin mais la poussée est aussi très forte dans des agglomérations beaucoup plus petites.

La "ville durable", "green city" ou "生态城市" est un enjeu pour la Chine
Projets de ville durable au musée d'urbanisme de Shanghai
Contrairement aux idées reçues, la Chine s'est dotée de plans d'urbanisme assez tôt : dès les années 50 pour les villes principales et dans les années 70-80 pour des villes plus modestes. Cette planification a souvent conduit à des agglomérations multipolaires assez exotiques pour nous qui somme habitués à des centres villes bien définis. Ils ont aussi parfois permis de conserver des quartiers historiques et des zones naturelles. Mais les plans ont souvent été dépassé par la croissance de la population.
Aujourd'hui la circulation semble un problème insoluble dans les grandes métropoles où, malgré d'immenses autoroutes urbaines et un réseau dense de transports publics (à Shanghai, il y a environ 16.000 bus et 50.000 minibus), les embouteillages atteignent des proportions bibliques. La pollution comme l'augmentation de la température rendent épisodiquement les rues invivables. A plus long-terme toute la bande côtière est menacée par la montée des eaux, un problème dont l'artificialisations des sols et un régime de précipitation violent donnent déjà régulièrement un avant-goût.

Les autorités locales sont bien conscientes de ces problèmes. Existe-t-il des solutions ? On voudrait le croire mais en Chine comme ailleurs la "ville durable", "green city" ou "生态城市", reste un slogan populaire auquel on peine à donner une substance.


Publié le 5 septembre 2017 par Thibault Laconde




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Callendar : les premiers signes du réchauffement

Fourrier et Pouillet ont mis en place les bases théoriques pour comprendre l'effet de serre, Tyndall leur a donné raison grâce à ses mesures, Arrhenius a mis ces connaissances en équation et prévu le réchauffement climatique... A la fin du XIXe siècle, les scientifiques se doutaient que la terre allait devenir le théâtre d'une expérience de physique-chime aux dimensions planétaire mais personne ne pouvait encore en observer les effets, ou même dire si elle avait commencé ou non.

Personne, jusqu'à Guy Callendar en 1938...


Un ingénieur entre deux guerres mondiales


Guy Sterwart Callendar nait en 1897 à Montréal. Ses parents sont anglais mais son père, physicien de renom, occupe alors un poste à l'université McGill. Dès 1898, la famille qui compte 3 enfants rentre en Grande Bretagne.
En 1914, Callendar a 17 ans et la chance d'avoir été éborgné par son frère pendant son enfance. Il échappe ainsi aux massacres de la Première Guerre Mondiale. Au lieu de rejoindre le front, il aide au laboratoire de son père qui voit défiler les problèmes techniques nouveaux posés par la guerre industrielle, depuis la construction d'avions jusqu'à la détection des sous-marins.

En 1938, la compilation des température par Callendar montre que le réchauffement climatique a commencéAprès la guerre, Callendar termine des études de mécanique et de mathématique à l'Imperial College avant de retrouver le laboratoire de son père où il se spécialise, comme lui, dans les systèmes de vapeur. A sa mort en 1930, son père lui lègue d'ailleurs les droits sur ses brevets et ses publications dans ce domaine.
La même année, Callendar se marie. Deux jumelles et une vie familiale heureuse naîtront de cette alliance.

Lorsque la Seconde Guerre Mondiale éclate, Callendar est affecté à un centre de recherche du Petroleum Warfare Department dans le Sussex. Il y travaille notamment sur un système répondant au petit nom de FIDO destiné à disperser le brouillard pour permettre aux avions d'atterrir en sécurité.

Après la guerre, il reste au service du ministère de l'approvisionnement, dont il prend sa retraite en 1958. Il meurt peu après, en 1964.


L'homme qui a vu le réchauffement climatique


Tout cela est très intéressant, me direz-vous, et ce M. Callendar semble avoir été un homme tout-à-fait plaisant et un ingénieur de première force, mais quel est le rapport avec le climat ?

Hé bien, Callendar se passionne très tôt pour la météorologie. Ce sera toute sa vie un de ses principaux hobbys, au point qu'il finira par devenir membre de la Royal Meteorological Society.
C'est dans ce cadre qu'il découvre les travaux d'Arrhenius. La perspective d'un réchauffement de la planète sous l'effet des émissions de dioxyde de carbone humaines pique sa curiosité et il entreprend de déterminer si cette est ou non en train de se réaliser.

La difficulté à l'époque est évidemment d'accéder à des données fiables, le réseau d'observation météo est encore limité et ce n'est qu'avec la Seconde Guerre Mondiale que les relévés se généraliseront.
Pour les températures, Callendar s'adresse au Smithsonian qui collecte des données sur près de 150 stations depuis 1880. Pour la concentration en dioxyde de carbone, il fait ses propres mesures en s'éloignant des villes et des centres industriels pour éviter qu'elles soient faussées.
Il calcule ainsi que la température moyenne a augmenté régulièrement depuis 1880, il évalue cette hausse à 0.3°C au milieu des années 30. Il attribut 60% de cette augmentation aux émissions de gaz à effet serre : d'après ses mesures la concentration en CO2 dans l'atmosphère a crû d'environ 6% depuis 1900. Lorsqu'il se tourne vers l'avenir, Callendar estime que la planète pourrait se réchauffer de 2°C.

Callendar met en évidence la hausse de la température et de la concentration en CO2
Graphique de température avec la contribution du CO2 publié en 1938 par Guy Callendar

Il publie ces premiers résultats en 1938. Ils ont un certain écho, mais la communauté scientifique les accueille avec beaucoup d'incrédulité.
C'est surtout l'augmentation de la quantité de CO2 dans l'atmosphère qui est mise en doute : à l'époque le cycle du carbone est encore mal connu et les mesures sont peu fiables. Par ailleurs, la vieille idée d'une "saturation de l'effet de serre", objection formulée par d'Angström dès 1901, reste puissante. En 1941, le bureau météorologique américain rend un avis définitif : aucune augmentation du CO2 atmosphérique ne peut affecter significativement le bilan radiatif de la terre.

Pourtant Callendar ne renonce pas. Il publie 35 articles sur le sujet, plus d'un par an y compris pendant les années de guerre et à sa mort il est en train de travailler sur un livre qui aurait du s'intituler Climat et dioxyde de carbone. A l'image de ce livre, le travail de persuasion de Callendar est inachevé. En 1961, il note avec perspicacité que "l'idée que les actions humaines puissent influencer un système aussi vaste et complexe [que le climat] répugne à certain." 
Mais à défaut de convaincre, Callendar informe, et probablement inspire, la génération suivante qui parviendra, elle, à se faire entendre : il entretient une correspondance régulière avec Charles Keeling, Gilbert Plass, J. Murray Mitchell, etc. Autant de grands noms de la climatologie qui, à partir des années 50 alertent sur les émissions de gaz à effet de serre et leurs conséquences...

C'est avec eux que les politiques et le grand public vont découvrir le changement climatique, ainsi naîtra l'idée fausse que l'on a découvert le réchauffement de la planète que récemment.
Reste qu'une nouvelle ère commence : avec l'apparition de l'informatique, les mois de calculs qui ont été nécessaires à Arrhenius ou Milankovitch ne sont plus qu'un souvenir, la multiplication des stations météos pendant la guerre apportent des données infiniment plus précises, le radar puis les satellites ouvrent des possibilités inédites... Lorsque débute la seconde moitié du XXe siècle, la climatologie n'est déjà plus une marotte que l'on peut exercer, comme Callendar, depuis son pavillon du Sussex ou, comme Arrhenius, pour se distraire de recherches plus sérieuses, elle s'affirme comme un domaine scientifique à part entière, et elle va gagner rapidement en importance. Mais, en dépit de ces habits neufs, il serait injuste et mal avisé d'oublier qu'elle hérite aussi de 200 ans d'histoire.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouver ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
  1. Montesquieu : l'Esprit des lois et la théorie des climats
  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement


Publié le 29 aout 2017 par Thibault Laconde


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Milankovitch : l'homme qui a résolu l'égnime de l'âge de glace

La discussion sur l'origine des variations passées du climat ne s'arrête pas avec Arrhenius. Et après ce long article consacré à ceux qui tentent de les expliquer par la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère, il est temps de laisser la parole à la partie adverse : les tenants de la théorie astronomique des climats. S'il ne l'a pas inventé, un homme a particulièrement laissé sa marque dans ce domaine : l'ingénieur serbe Milutin Milanković.


Un scientifique dans la tourmente des Balkans


Milankovitch naît en 1879 dans un village situé sur la frontière actuelle entre la Croatie (qui bénéficie alors d'une demi-autonomie dans l'empire austro-hongrois) et la Serbie. Dans la mozaïque ethnique que sont les balkans, Milankovitch est serbe mais voit le jour du coté croate de la frontière, le détail va avoir son importance...
Issu d'une famille relativement aisée mais de santé fragile, Milankovitch passe sa scolarité partiellement à domicile. A 17 ans, il s'installe à Vienne pour poursuivre des études d'ingénieur. Après son service militaire, il s'endette le temps d'obtenir son doctorat. En 1904, il soutient une thèse de génie civil.

L'ingénieur serbe Milutin Milankovitch a expliqué les périodes glaciaires par la variation des paramètre astronomiques de la terre
Milankovitch entame une belle carrière dans la construction. Il réalise ponts et barrages partout dans l'empire austro-hongrois, publie abondamment et dépose 6 brevets. Mais, peut-être par élan nationaliste, il abandonne cette profession et Vienne en 1909 pour la chaire de mathématique de l'Université de Belgrade. Il y restera 46 ans.
C'est là qu'il commence à s'intéresser au climat et plus particulièrement, comme pour presque tous ces prédécesseurs, à l'explication des périodes glaciaires. Reprenant les travaux existants, il constate qu'il s'agit le plus souvent de spéculations laissant peu de place à l'analyse mathématique. Le jeune ingénieur entreprend alors de donner une base rigoureuse à l'étude du climat.
Son but est de parvenir à un modèle mathématique liant le climat terrestre à l'ensoleillement et donc à la position de la terre par rapport au soleil. Objectif extrêmement ambitieux, qui, il l'espère, "permettra la reconstruction des climats passés de la terre, et aussi la prévision des climats futurs et nous fournira les première données fiables sur le climat des autres planètes". Il publie son premier article sur le sujet, intitulé Contribution à la théorie mathématique du climat, en 1912.

C'est ici que, comme des millions d'hommes et de femmes, le jeune scientifique est rattrapé par l'histoire. Le 14 juin 1914, Milankovitch se marie et part pour sa lune de miel dans son village natal. Mais le 28 juin, l'archiduc François-Ferdinand est assassiné à Sarajevo par un nationaliste serbe, déclenchant la crise de juillet et précipitant l'Europe vers la guerre.
Milankovitch qui se trouve en territoire austro-hongrois est aussitôt arrêté et emprisonné à la forteresse d'Osijek. Dans les bagages qu'il a pu emporter : son travail sur le climat, du papier et un stylo...

Pendant ce temps, sa femme se rend à Vienne pour plaider la cause du jeune savant. Elle obtient sa libération, à condition qu'il s'éxile à Budapest. Là Milankovitch poursuit ses travaux. En 1916, il publie une étude du climat de Mars. Il calcule aussi la température de Vénus, Mercure et de la lune.

En 1919, Milankovitch revient à Belgrade et reprend sa carrière universitaire. L'année suivante, il publie en français un livre récapitulant ses recherches sur le climat : Théorie mathématique des phénomènes thermiques produits par la radiation solaire.
Comme dans le cas d'Arrhenius, il faut souligner les dimensions herculéennes de ce travail à une époque où l'informatique n'existe pas encore : en 1923, il faut 100 jours de calculs à Milankovitch pour dessiner la courbe d'insolation sur les 650.000 dernière années ! Mais au terme de ces efforts l'objectif est atteint : les courbes font apparaître une nette corrélation entre l'insolation aux moyennes latitudes de l'hémisphère nord et les périodes glaciaires.

Une des courbes d'insolation publiées par Milankovitch en 1924

Dans les années 1930, Milankovitch abandonne un temps le climat pour s'intéresser à la dérive des continents et au paléomagnétisme. Il y revient en 1939 lorsqu'il entreprend de rassembler son travail. Celui-ci parait dans un livre publié en 1941.
Pendant la Seconde Guerre Mondiale et l'occupation de la Serbie, Milankovitch se fait discret et travaille sur une biographie, qui parait en 1952. Il consacre les dernières années de sa vie à la vulgarisation et à l'histoire de science.

Milankovitch meurt d'une attaque en 1958.


La théorie astronomique du climat


Parmi les nombreux facteurs qui déterminent le climat terrestre, les paramètres astronomiques sont probablement les mieux maîtrisés et on le doit en grande partie à Milankovitch.
L'orbite de la terre n'est pas tout à fait régulière car elle subit, outre l'attraction du soleil, celle des autres planètes du système solaire et de la Lune. En se déformant, l'orbite terrestre modifie la façon dont le rayonnement solaire reçu par la terre est réparti dans l'espace et dans le temps, ce qui a une influence sur le climat.

Les paramètres de l'orbite terrestre, aussi appelés paramètres de Milankovitch, sont :
  • L'obliquité : l'obliquité de la Terre est l'inclinaison de la Terre par rapport au plan de l'ellipse. Cet angle entre son axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de son orbite est noté ε. Il est actuellement de 23°27 et varie de 22° à 24°30 environ avec une période de 41.000 ans. Ce paramètre détermine la position des tropiques (leur latitude est égale à l'obliquité) et les contrastes saisonniers (avec une obliquité nulle, il n'y aurait pas de saisons).
  • L'excentricité : l'orbite terrestre décrit une ellipse dont le soleil est un des foyer, selon les périodes cette ellipse peut être très proche d'un cercle (l'excentricité notée e, s'approche alors de zéro) ou légèrement plus aplatie (jusqu'à e=0.058). L'excentricité terrestre varie selon plusieurs cycles dont la période se chiffre en centaine de milliers d'année, actuellement elle est de 0.017. Si l'excentricité est nulle, toutes les saisons ont la même durée, lorsque l'excentricité est élevée certaines saisons sont plus longues.
  • La précession : l'axe de rotation de la Terre ne reste pas parallèle à lui-même, il décrit un cône dans le sens des aiguilles d'une montre et effectue un tour complet en 26.000 ans. La précession détermine la position de la terre lors des équinoxes, lorsque l'excentricité est importante, c'est la précession qui détermine quelles saisons vont durer plus longtemps.

A partir de ces trois paramètres, Milankovitch calcule que les moyennes latitudes de l'hémisphère nord ont connu des minimums d'insolation il y a 23.000, 72.000 et 116.000 ans. Ceux-ci ont pu permettre à la neige accumulée pendant l'hiver de ne pas fondre en été, enclenchant une baisse de l'albédo terrestre et un refroidissement. Dans les années 70, les progrès de la paléoclimatologie ont permis de confirmer que les paramètres orbitaux et les paramètres climatiques présentent les mêmes périodicités.
Le modèle de Milankovitch permet de situer l'apparition d'âges glaciaires dans le passé comme dans le futur. On peut ainsi prévoir un nouveau maximum glaciaire dans 23.000 ans - si bien entendu les conditions restaient inchangées.

En effet, il est important de comprendre que, si les paramètres astronomiques semblent avoir été le facteur déterminant pour le déclenchement des périodes glaciaires à l'ère quaternaire, ils ne déterminent pas seuls le climat terrestre. Si c'était le cas, les périodes glaciaires devraient alterner entre l'hémisphère nord et l'hémisphère sud, or elles ont lieu simultanément dans les deux hémisphères. Pour une raison qui n'est pas encore totalement expliquée, l'hémisphère nord est capable "d'imposer" ses périodes glaciaires au sud.
De la même façon les paramètres astronomique ne peuvent pas expliquer des fluctuations rapides du climat comme les cycles de Dansgaard-Oeschger (dont je vous ai parlé dans une précédente série d'été).

Bref, les travaux de Milankovitch ne doivent pas faire oublier les mises en garde d'Arrhenius. D'autant que, à peu près à la même époque, l'ingénieur britannique Guy Callendar met pour la première fois en évidence une augmentation de la température terrestre depuis le début de l'ère industrielle.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouver ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
  1. Montesquieu : l'Esprit des lois et la théorie des climats
  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement


Publié le 22 août 2017 par Thibault Laconde


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Arrhenius, Högbom et Ekholm : le clan des suédois

Si vous vous intéressez au climat, le nom de Svante Arrhenius ne vous est probablement pas inconnu : il est souvent cité comme le découvreur du réchauffement climatique pour avoir établi le premier modèle permettant d'évaluer l'effet de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère sur la température. En réalité cette découverte n'aurait pas été possible sans l'inspiration d'un autre suédois, le géologue Arvid Högbom. Le météorologue Nils Gustaf Ekholm mérite aussi une mention dans cette histoire.
A eux trois, Arrhenius, Högbom et Ekholm ont jeté les bases de la climatologie telle que nous la concevons aujourd'hui : une science tournée non seulement vers la compréhension du climat passé et présent mais aussi vers la prévision de ses évolutions futures.


Modélisation climatique et problèmes de couple


Svante Arrhenius a mis au point le premier modèle climatique en 1896
Physicien de formation, Svante Arrhenius (1859-1927) fait sa thèse en 1884 sur la conductivité électrique des solutions salines. Il obtient une note médiocre qui met temporairement un terme à l'espoir d'une carrière académique dans son pays natal. Après deux années à vivoter chez ses parents, il se décide à s'expatrier et part occuper divers postes dans des laboratoires en Allemagne, en Autriche et aux Pays Bas. C'est au cours de cette période qu'il formule sa théorie de la dissociation, qui lui vaudra, en 1903, le troisième Prix Nobel de Chimie.
En 1891, il rentre en Suède après avoir obtenu un poste d'enseignant à la Stockholms Högskola, la future université de Stockholm qui n'est encore qu'une institution privée ne délivrant pas de diplôme. Là, il se désintéresse assez vite de la chimie physique pour se tourner vers la géophysique et l'astronomie.

En 1895, Arrhenius commence à griffonner sur des pages et des pages ce qui va devenir le premier modèle climatique de l'histoire. A l'époque, il n'y a évidemment pas d'ordinateur et il faut faire à la main plusieurs dizaines de milliers de lignes de calculs.
La petite histoire raconte qu'Arrhenius aurait entrepris cette tache si fastidieuse et éloignée de ses autres recherches pour s'occuper l'esprit dans une période difficile de sa vie personnelle. Je n'ai rien trouvé qui permette de le confirmer mais les dates concordent à peu près : en 1894, Svante Arrhenius a épousé une de ses étudiantes, Sofia Rudbeck, mais le mariage tourne rapidement au vinaigre. Sofia quitte le domicile conjugal à l'automne 1895 et accouche seule d'un fils. Mi-1896, le divorce est prononcé.

Quoiqu'il en soit, voici Arrhenius en train d'évaluer avec un niveau de détail jamais atteint auparavant l'influence du dioxyde de carbone sur la température terrestre.
Bien que simpliste comparé aux modèles que nous utilisons aujourd'hui, le calcul d'Arrhenius partage avec ses lointains descendants deux caractéristiques qui sont à l'époque révolutionnaires. D'abord, il est le premier à prendre en compte une rétroaction : un air plus froid contient moins de vapeur d'eau, celle-ci étant également un gaz à effet de serre le refroidissement s'en trouve accentué (et vice-versa). Arrhenius a aussi compris que l'albédo terrestre peut être une source de rétroaction mais n'est pas parvenu à l'intégrer dans ses équations. Autre progrès remarquable : le calcul se fait par période de trois mois sur un globe divisé en cases de 10° en latitude et 20° en longitude, l'évaluation de la température est donc saisonnière et régionale et plus seulement globale.
Comme Fourrier, Foote ou Tyndall avant lui, Arrhenius cherche avant tout à comprendre les périodes froides qui ont précédé le développement de l'humanité. Il arrive à la conclusion qu'une variation de la concentration en dioxyde de carbone de l'ordre de 40% peut expliquer les fluctuations de température entre périodes glaciaires et inter-glaciaires.


Des refroidissements passés aux réchauffements futurs


Mais est-il envisageable que la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ait été deux fois moins importante qu'aujourd'hui dans le passé ? C'est ici que notre deuxième personnage entre en scène.

Le géologue Arvid Hogbom a compris que les émission de CO2 humaines étaient significatives par rapport aux variations naturelles
Arvid Högbom (1857-1940) est un géologue qui, de fil en aiguille, est passé progressivement de l'étude des roches calcaires à celle du cycle du carbone. A la suite de ses travaux, il a probablement été le premier à comprendre que les activités industrielles, qui se développent avec la Révolution Industrielles, rejettent du CO2 en quantités significatives comparées aux variations naturelles. Dans les années 1890, Hogböm estime ainsi que la combustion de charbon émet chaque année 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone.
C'est pourquoi, lorsque Arrhenius vient le voir pour lui demander si il est possible que la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ait varié suffisamment pour expliquer les glaciations, Högbom lui suggère de retourner la question : une augmentation de la concentration en CO2 pourrait-elle réchauffer la planète ?

Arrhenius reprend ses calculs et, en 1896, il présente son travail dans une conférence à la Högskola. Il estime qu'un doublement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère entraînerait une hausse de la température de 4 à 6°C selon la latitude à laquelle on se situe. Compte-tenu de l’absorption du dioxyde de carbone par les océans et du rythme auquel, à l'époque, le charbon est brûlé, il prévoit que ce niveau pourrait être atteint au bout d'environ 500 ans. Il ne voit cependant aucune raison de s'inquiéter de ce changement de climat qui "permettra à nos descendants, même si ce n'est que dans un lointain futur, de vivre sous un ciel plus chaud et dans un environnement moins hostile que celui qui nous a été donné". Rappelons-le : Arrhenius est suédois...

Les études actuelles estiment qu'un doublement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ferait augmenter la température moyenne entre 2 et 4.5°C. L'ordre de grandeur obtenu par Arrhenius était donc correct même si cela ne doit pas faire oublier les failles de son modèle. L’intérêt de son travail n'est de toute façon pas dans ces chiffres, il est d'avoir montrer qu'une variation de la quantité de dioxyde de carbone pouvait entraîner une modification significative de la température terrestre. Et d'avoir attiré l'attention sur cette possibilité.


La saturation de l'effet de serre : première controverse climatique


A l'époque la cause de périodes glaciaires est un sujet débattu avec passion non seulement en Suède mais dans toutes les grandes académies scientifiques. Arrhenius va s'efforcer de faire connaître ses résultats, notamment en les publiant en anglais et en allemand, et il n'est pas surprenant qu'ils aient donné lieu à controverses.
L'une des plus violentes oppose Arrhenius à son compatriote Knut Ångström (le fils de Anders Jonas Ångström) autour d'une argument qui un siècle plus tard est toujours un classique de la littérature climatosceptique : le dioxyde de carbone ne peut causer un réchauffement de la planète parce que l'effet de serre est saturé.

Ångström a fait mesurer par un de ses assistants l'absorption du dioxyde de carbone pour des concentration proches de celle de l'atmosphère. Il constate alors que la quantité de rayonnement infrarouge absorbée varie peu avec la concentration. Dans deux articles publiés en 1900 et 1901, il en tire la conclusion que la concentration actuelle en CO2 est déjà suffisante pour rendre l'atmosphère complètement opaque au rayonnement infrarouge dans ses bandes d’absorption. Par conséquent, affirme-t-il, une hausse de la concentration n'aurait aucun effet et une baisse devrait être très importante pour entraîner une chute de la température.
L'observation d'Ångström est correcte. Elle n'est d'ailleurs pas nouvelle : Tyndall avait déjà noté qu'une simple trace de gaz à effet de serre suffisait à bloquer presque entièrement le rayonnement infrarouge. Alors est-ce déjà la fin de l'effet de serre et du réchauffement climatique ?

Le météorologue Nils Gustaf Ekholm explique pourquoi l'effet de serre n'est pas saturéNon. Comme l'explique dès 1901 le météorologue Nils Gustaf Ekholm (1848-1923), le raisonnement d'Ångström est faux parce qu'il oublie que les gaz à effet de serre réémettent l'énergie qu'ils absorbent.
Ce qui compte ce n'est donc pas de savoir si le rayonnement infrarouge émis par la surface est absorbé par l'atmosphère - en réalité, il l'est presque intégralement. Ce qui compte c'est l’altitude à laquelle le rayonnement absorbé et réémis par les couches inférieures de l'atmosphère peut enfin s'échapper vers l'espace.  Comme nous l'avons déjà vu, pour que la Terre retrouve son équilibre thermique il faut que cette dernière couche de l'atmosphère atteigne une température qui équilibre le rayonnement reçu du soleil. En attendant, la planète gagne en énergie et se réchauffe. Ou pour reprendre les mots d'Ekholm : "le rayonnement de la Terre vers l'espace ne provient pas directement du sol mais en moyenne d'une couche de l'atmosphère qui se trouve considérablement au-dessus du niveau de la mer. [...] Plus l'air aura la capacité à absorber le rayonnement émis par la surface, plus cette couche se trouvera à une altitude élevée. Mais plus cette couche se trouvera à une altitude élevée, plus sa température sera basse comparée à celle de la surface, et comme le rayonnement de cette couche vers l'espace diminue avec sa température, il est inévitable que la surface soit d'autant plus chaude que la couche rayonnante est éloignée."

Malheureusement la clarification du travail d'Arrhenius par Ekholm a peu d'écho et pendant les première décennies du XXe siècle, la possibilité d'un réchauffement de la planète sous l'effet du dioxyde de carbone reste contestée au sein de la communauté scientifique. Cela n’empêche cependant pas cette thèse d'être largement diffusée et on en retrouve même la trace dans la presse généraliste de l'époque : c'est l'origine du fameux article de 1912 qui sert de prétexte à cette série.
L'impulsion des savants suédois a une autre limite : ceux qui, comme Arrhenius ou Ekholm, croient à la possibilité d'un réchauffement climatique anthropique n'y voient pas d'inconvénient. Ils savent pourtant bien que quelques degrés de moins suffisent à déclencher une ère glaciaire mais ils échouent à comprendre la portée cataclysmique de quelques degrés de plus. A l'époque, le chimiste allemand Walther Nernst propose même de brûler les réserves de charbon inutiles pour accélérer le réchauffement de la planète. En un siècle, les connaissances ont beaucoup progressé mais l'état d'esprit est toujours celui de Buffon

Pour aller plus loin, la communauté scientifique doit désormais acquérir une compréhension beaucoup plus fine du fonctionnement du système climatique et de ses variations passées. C'est dans ce domaine que va s'illustrer Milutin Milanković.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouver ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
  1. Montesquieu : l'Esprit des lois et la théorie des climats
  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement


Publié le 15 août 2017 par Thibault Laconde


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Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre

John Tyndall est souvent présenté comme le premier à avoir montré expérimentalement que le dioxyde de carbone absorbe le rayonnement infrarouge, donnant ainsi une base empirique à la théorie de Fourier sur l'effet de serre. Cette affirmation est un peu exagérée puisque, comme nous l'avons vu la semaine dernière, l'expérience de Eunice Foote en 1856 a précédé celle du physicien irlandais.
Mais même dépouillé de ce titre de gloire, Tyndall vaut qu'on s'arrête sur sa vie et ses travaux. Il a bien sur consacré plusieurs décennies à l'étude de l'atmosphère. Mais c'est aussi un véritable "self-made man" de la science, grâce à laquelle il a fait son chemin de la campagne irlandaise aux prestigieuses institutions londoniennes et bâti une petite fortune.


Scientifique self-made man


John Tyndall nait en 1820 dans le sud-est de l'Irlande au sein d'une famille relativement modeste : son père est un policier descendant d'immigrants anglais. Il fait de courtes études et, à 19 ans, il est embauché comme dessinateur par l'agence cartographique irlandaise, puis un peu plus tard par son homologue anglaise. En novembre 1843, il est licencié pour avoir signé une pétition réclamant une hausse des salaires.
Par chance, l'économie britannique est alors en pleine ébullition et Tyndall trouve dans le boom du chemin de fer l'occasion de rentabiliser son expérience topographique. L'année suivante, il est embauché par une société d’ingénierie ferroviaire ce qui lui assure un revenu confortable. Après 3 années de travail intensif, il a économisé suffisamment pour reprendre ses études.
A l'été 1848, il part pour la Hesse et s'inscrit à l'université de Marbourg - les laboratoires de chimie et de physique allemands étaient alors très en avance sur leurs homologues britanniques. Parmi ses professeurs, on trouve notamment Robert Bunsen (inventeur des becs du même nom) et Hermann Knoblauch, deux précurseurs dans l'étude du spectre électromagnétique. Lorsqu'il rentre en Grande Bretagne en 1851, Tyndall possède un doctorat et une excellente formation en physique expérimentale.
Après de premières publications sur le magnétisme, Tyndall est élu à la Royal Society en 1852, l'année suivante il obtient le prestigieux poste de professeur de physique à la Royal Institution.

Comme Saussure avant lui, Tyndall va tomber amoureux de la montagne et cela va durablement orienter ses travaux. Après une première visite des Alpes dans le cadre de ses recherches en 1856, il y retourna presque chaque année et finira par se construire un chalet en Suisse. Il participe à la première ascension du Weisshorn en 1861 et, en 1868, il fait partie de la septième cordée à atteindre le sommet du mont Cervin, un des plus difficiles des Alpes sur lequel il avait échoué en 1860 et 1862.

John Tyndall a prouvé que le CO2 est un gaz à effet de serreL'alpinisme va naturellement amener Tyndall à s'intéresser aux glaciers dont il cherche à expliquer la formation. C'est alors qu'il découvre les travaux de Fourier et Pouillet et qu'il entreprend, à la fin des années 1850, de prouver leur théorie.
Pour cela, Tyndall construit un des premiers spectromètres infrarouge. A l'aide de cet appareil, il montre sans ambiguïté que l'oxygène, l'hydrogène et l'azote laissent passer le rayonnement infrarouge mais que celui-ci est arrêté par le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, comme l'avait supposé Pouillet. Il en profite pour allonger la liste des gaz à effet de serre en démontrant que l'ozone, le méthane, l'éthylène, le monoxyde d'azote et quelques autres ont eux aussi la capacité à bloquer le rayonnement infrarouge même à faible concentration.

Ces découvertes sont détaillées en 1859 lors d'une conférence donnée à la Royal Institution et présidée par le prince Albert, le mari de la reine Victoria. Elles feront l'objet de plusieurs autres conférences et publications.
C'est en effet un des traits remarquable de Tyndall : il est autant chercheur que vulgarisateur professionnel. Il a écrit une vingtaine de livres, la plupart immédiatement traduit en français, et donné des centaines de conférences destinées au grand public - par exemple ses "leçons de Noel" devant un public d'adolescents. Autant d'activités qui participent à la diffusion de ses recherches, assurent sa renommée et génèrent des revenus considérables. En 1872, par exemple, Tyndall fait une tournée de conférences aux États-Unis pour laquelle il perçoit 23.100$, l'équivalent de près de 400.000€ actuels...

Tyndall se retire progressivement dans les années 1880 pour s'installer à la campagne dans le sud-ouest de Londres. C'est là qu'il meurt en 1893 d'une overdose de somnifère.


Le spectroscope de Tyndall


Tyndall n'est pas un théoricien. Confronté à une question, il cherche avant tout l'expérience qui lui permettra de la résoudre et s'efforce de la mettre en place. C'est ainsi, par exemple, qu'il a compris que le ciel apparait bleu parce que les particules de l'atmosphère diffusent la lumière reçue du soleil : il a découvert ce phénomène, qui porte le nom d'effet Tyndall, simplement en injectant de la fumée dans un tube traversé par une lumière blanche...

Pour l'effet de serre, ce sera un peu plus compliqué... Le point centrale de la théorie de Fourier-Pouillet, c'est que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau sont capables d'absorber le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Pour confirmer ou infirmer cette hypothèse, il faut donc trouver un moyen de mesurer l’absorption d'un rayonnement infrarouge par un gaz. Pour cela, Tyndall conçoit un système assez imposant :
Explication de l'expérience de Tyndall sur les gaz à effet de serre
Le fonctionnement est le suivant : le gaz à étudier se trouve dans le conteneur (marqué G sur le schéma), il est relâché, via un dispositif de filtrage, dans le tube où le vide a préalablement été fait grâce à une pompe à vide (A). L'intérieur du tube doit être parfaitement poli de façon à refléter le rayonnement sans l'absorber.
Le rayonnement infrarouge est émis par un source (appelée cube de Leslie) chauffée (C), il traverse le tube et atteint une photopile différentielle (P).
Cette photopile produit un courant fonction de la différence entre le rayonnement reçu par la droite, via le tube, et par la gauche depuis une autre source (C'). Ce système permet de calibrer la mesure : l'écran (H) est positionné de telle façon que le courant produit par la photopile soit nul avant le début de l'expérience.
Après injection du gaz dans le tube, le courant produit par la photopile peut être lu grâce à un galvanomètre (N).

Le spectromètre de Tyndall n'est pas le premier : les physiciens italiens Macedonio Melloni et Leopoldo Nobili ont mis au point un système comparable dès les années 1830 pour l'analyse spectrale de liquides et de solides. Cependant la spectrométrie des gaz pose de nouveaux problèmes qui mettront à l'épreuve l'inventivité de Tyndall.
Par exemple, il faut fermer les extrémités du tube mais il faut évidemment le faire avec un matériaux qui n'absorbe pas le rayonnement infrarouge. Ce qui exclut le verre. Tyndall choisit de fermer son tube avec des plaques de sel gemme. Mais encore faut-il trouver des cristaux qui soient suffisamment purs et grands. Tyndall en obtient d'abord un du British Museum mais il ne peut en tirer qu'une seule plaque. Après des recherches qu'on imagine assez laborieuses, il parvient à trouver deux autres cristaux, dont un morceau de sel qui lui est ramené d'Allemagne, assez pour préparer trois autres plaques.
Deuxième exemple : les gaz étant moins absorbants que les liquides, il faut une thermopile beaucoup plus précise. Mais cela augmente aussi le risque de perturbations : la thermopile de Tyndall est suffisamment sensible pour que le rayonnement infrarouge émis par le corps humain même à quelques mètres puisse fausser la mesure. Par conséquent, il faudra lire le résultat des expériences... grâce à un télescope installé de l'autre coté du laboratoire !

Signe de l'importance historique de cette expérience, la Royal Society de Londres expose encore parmi ses objets emblématique, le tube du spectromètre construit par Tyndall. Aujourd'hui, cependant, l'expérience de Tyndall peut être reproduite assez simplement. Cette vidéo explique comment faire.

Tyndall ne se contente pas vérifier que les spéculations de Fourier et Pouillet sont fondées, il est le premier à quantifier l'absorbance des gaz. Ces mesures lui permettent de déterminer que la vapeur d'eau est le plus important gaz à effet de serre et de comprendre son rôle central pour le climat : "Si, comme cette expérience le montre, la plus grande influence est exercée par la vapeur d'eau, toute variation de ce constituant doit produire un changement de climat. La même remarque peut s'appliquer à l'acide carbonique [dioxyde de carbone]".
Mais surtout les travaux de Tyndall ouvrent une nouvelle ère dans l'étude de l'effet de serre. Celui-ci est désormais un phénomène quantifiable, ce qui va permettre les premiers calculs et les premiers modèles climatiques. Dans le prochain épisode, nous verrons comment un groupe de scientifiques suédois a été pionnier dans ce domaine et montré, dès le tournant du XIXe siècle, la possibilité d'un réchauffement climatique causé par les émissions de CO2 humaines.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouver ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
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  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement


Publié le 8 aout 2017 par Thibault Laconde


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Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous

Au milieu du XIXe siècle, les théories de Fourier sur l'effet de serre et Pouillet sur le rôle du dioxyde de carbone sont bien établies sur le papier mais elles restent encore à prouver empiriquement. Même si peu de gens connaissent son nom, l'américaine Eunice Foote est la première à y être parvenue avec une expérience toute simple.
Aujourd'hui, nous parlons d'une femme, la seule de cette série, et d'une quasi-inconnue. Les deux ne sont probablement pas sans lien...


Une des premières femmes scientifiques américaines


Eunice Newton nait en 1819 dans une famille d'agriculteurs du Connecticut. Elle bénéficie d'une bonne éducation : entre 16 et 20 ans, elle fréquente l'école pour jeunes filles fondée quelques années plus tôt par Emma Willard (aujourd'hui Emma Willard School). En 1841, elle épouse Elisha Foote, juge et mathématicien amateur.

Eunice et Elisha partagent leur intérêt pour les sciences. En 1856, Eunice Foote et son mari présentent chacun leurs travaux sur le rayonnement solaire à la huitième réunion annuelle de l'AAAS, l'American Association for the Advancement of Science qui est aujourd'hui la plus grande société savante au monde.
Enfin "présente"... La tolérance de l'époque a ses limites : Foote, contrairement à son mari, n'est pas autorisée à parler elle-même devant l'assemblée, son mémoire est lu par un certain professeur Henry. Il est également oublié dans les actes de l’événement mais publié dans l'American Journal of Science and Arts.

Il n'existe pas de portrait connu d'Eunice FooteEn quoi consiste l'expérience décrite par Foote ? Elle prend deux grands tubes en verre dans lesquels elle a placé un thermomètre. Elle fait le vide dans un des deux tubes puis les expose tous les deux au rayons du soleil. Elle constate alors que la température augmente plus vite dans le tube contenant de l'air que dans celui qui est vide. Conclusion : l'air a la capacité à retenir l'énergie du rayonnement solaire, il n'est donc pas transparent pour la chaleur. Et voilà la preuve de la thèse de Fourier.
Cette propriété est-elle commune à tous les gaz ou, comme le pense Pouillet, propre à certains d'entre-eux dont le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau ? Pour répondre à cette question, Foote reprend ses deux tubes, le premier est toujours rempli d'air ambiant et dans le second elle met tour à tour de l'oxygène pur, de l'hydrogène, de l'air humide et du dioxyde de carbone. Elle constate alors que si le récipient contient de l'oxygène ou de l'hydrogène, il ne s'échauffe pas plus que celui contenant de l'air ordinaire. Par contre, la température augmente plus vite et reste plus longtemps élevée avec de l'air humide et surtout avec du dioxyde de carbone.
Foote vient de montrer que le dioxyde de carbone est bien un gaz à effet de serre. Elle conclut : "une atmosphère de ce gaz donnerait à la Terre une température élevée ; et si comme certains le supposent, à une période de son histoire l'air en a contenu une proportion plus importante qu'aujourd'hui [...] il a dû nécessairement en résulter une augmentation de  la température".

Eunice Foote continue par la suite à travailler sur d'autres sujets : elle fait au moins une deuxième publication (sur le comportement des gaz soumis à un courant électrique) quelques temps plus tard et devient membre de l'AAAS. Elle n'est que la deuxième femme à y être admise après l'astronome Maria Mitchell en 1850.
Foote et son mari son aussi engagés pour la cause des femmes : en 1848, ils participent à la Convention de Seneca Falls, un événement fondateur du mouvement féministe aux États-Unis.

Eunice Foote meurt en 1888.


Comment reconstituer l'expérience d'Eunice Foote 


Le travail d'Eunice Foote est tombé dans l'oubli et n'a été redécouvert qu'en 2011. Résultat : la première démonstration expérimentale de l'effet de serre est généralement attribuée à l'Irlandais John Tyndall en 1859.
Mais en plus d'avoir été la première, l'expérience de Foote est remarquable par sa simplicité. Alors que Tyndall devra mobiliser les dernières technologies de son époque, la démonstration de Foote peut être reproduite par n'importe qui... A une époque où certains responsables politiques affectent le doute sur le réchauffement climatique, ce serait dommage d'oublier qu'on peut montrer que le CO2 est un gaz à effet de serre... avec guère plus que deux pots à confiture !

Je me suis donc amusé à reconstituer l'expérience d'Eunice Foote et, que vous soyez enseignants, animateurs pédagogiques ou simples curieux, vous pouvez le faire à votre tour. Voici comment procéder.

Pour cette expérience, vous avez besoin de :
  • Deux grands récipients hermétiques en verre : Foote a utilisé des tubes d'environ 10cm de diamètre et 75cm de long, je me suis contenté de deux bocaux d'un litre disponibles dans le commerce
  • Deux thermomètres identiques si possible capables de monter à des températures assez élevées (de l'ordre de 50°C)
  • De quoi produire un gaz à effet de serre : Vous pouvez utiliser une pissette (ou en bricoler une comme moi avec une bouteille d'eau, une paille et un peu de pâte à coller) dans laquelle vous mélangez du vinaigre blanc et de la levure chimique pour produire du CO2, sinon vous pouvez prendre un siphon à chantilly avec une cartouche de protoxyde d'azote (qui est aussi un gaz à effet de serre)
  • Une belle journée ensoleillée

Étape 1 :

Mettez les deux récipients dans une endroit ensoleillé. Placez un thermomètre dans chaque récipient.
Reconstitution de l'expérience d'Eunice Foote sur l'effet de serre

Étape 2 :

Mélangez dans la pissette 10cL de vinaigre blanc et un demi sachet de levure chimique. La réaction va produire du dioxyde de carbone (attention elle peut être violente !). Placez l'embout dans un des deux récipients afin d'y augmenter la concentration en dioxyde de carbone : le CO2 est plus lourd que l'air, il n'est donc pas nécessaire que le récipient soit fermé pour le le CO2 s'y accumule.
Produire du dioxyde de carbone et prouver que c'est un gaz à effet de serre

Étape 3 :

Lorsque la réaction est terminée, fermez les deux récipients.
Expérience montrant que le CO2 fait augmenter la température de l'atmosphère
Vous avez donc deux récipients identiques avec le même thermomètre mais l'un contient de l'air ambiant l'autre un air enrichi en dioxyde de carbone.

Étape 4 :

Maintenant il ne vous reste plus qu'à relever la température dans chaque récipient toutes les deux ou trois minutes.
La température va augmenter dans les deux récipients mais vous constaterait qu'elle monte plus vite dans celui contenant plus de dioxyde de carbone. Au bout d'une dizaine de minutes l'écart devrait déjà être significatif : lors de son expérience Eunice Foote a trouvé une différence d'une dizaine de degrés, mais elle utilisait une pompe à vide pour obtenir une concentration beaucoup plus élevée en CO2. Pour ma part, j'ai obtenu une différence de l'ordre de 2°C.

Expérience d'Eunice Foote sur le climat
Températures au début
Comme le climat, le CO2 réchauffe l'air contenu dans un bocal
Températures 15 minutes plus tard environ (le bocal enrichi en CO2 se trouve à gauche)

Terminons en signalant une autre raison de s'intéresser à Eunice Foote : son travail montre qu'une scientifique amatrice sur le continent américain pouvait connaitre les théories de Fourier et Pouillet (peut-être indirectement puisqu'elle ne les cite pas). Les connaissances qui commencent à se mettre en place au XIXe siècle ne sont donc restées enfermées dans quelques laboratoires... Ce sera encore plus vrai après Tyndall, un grand vulgarisateurs qui a multiplié les conférences et livres pour présenter ses recherches. C'est l'objet du prochain épisode.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouver ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
  1. Montesquieu : l'Esprit des lois et la théorie des climats
  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement

Publié le 1er aout 2017 par Thibault Laconde


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Fourier (annexe) : comment mettre en évidence théoriquement l'effet de serre

L'article de cette semaine dans ma série sur les pionniers de la climatologie était consacré à Joseph Fourier. On lui doit notamment d'avoir deviné l'existence de l'effet de serre en réalisant un bilan énergétique sommaire de la Terre.
Dans l'article, je ne suis pas entré dans les détails de cette démonstration mais il me semble intéressant de le faire en annexe. En effet, il est toujours bon de rappeler que l'effet de serre, à l'origine du réchauffement actuel de la planète, n'est pas une théorie scientifique de pointe : il peut être mis en évidence avec des connaissances physiques et mathématiques relativement simples (ceci-dit, si vous êtes allergique aux équations passez votre chemin...).

Dans cet article, nous allons donc suivre le raisonnement de Fourier en 1824 dans une version un peu actualisée puisqu'elle fait appel à la loi de Planck, formulée elle en 1900.
En bref, le principe est le suivant : la Terre reçoit de l'énergie du soleil sous forme de rayonnement électromagnétique et à son tour rayonne vers l'espace. Pour que la température se stabilise, la quantité d'énergie reçue par notre planète doit être égale à la quantité d'énergie perdue, cet équilibre permet de calculer une température théorique à la surface de la Terre. Mais ce chiffre est inférieur à la réalité. La prise en compte de l'atmosphère et de l'effet de serre permet de corriger cet écart.