Comment l'effet de serre a-t-il été découvert?

Au cœur de la problématique du réchauffement climatique se trouve l’effet de serre. Pourtant, savez-vous comment ce dernier a été mit en évidence? Un retour sur l’histoire de la climatologie amène des éléments inattendus.

Cette soirée de 1859, la pluie tombait sur les pavés de Piccadilly Circus (célèbre place se trouvant à Londres en Angleterre) sur lesquels s’étiraient de longs reflets argentés émanant des becs de gaz. Un fiacre, arrivant de Shaftesbury Avenue rompit le silence de la nuit. Il emprunta ensuite Regent Street, où il disparut, ne laissant derrière lui que l’écho déclinant du bruit de sabots dans les dédales de la cité. Non loin, sur Albemarle Street, se trouvait un grand bâtiment. Sous le fronton, soutenu par de lourdes colonnes et sur lequel des lettres gravées dans la pierre indiquaient « The Royal Institution of Great Britain » (Institution royale de Grande Bretagne), malgré l’heure tardive, une fenêtre était toujours illuminée. Sous la lumière vacillante des becs Bunsen (appareils de laboratoire permettant de générer une flamme avec du gaz), un scientifique auscultait une étrange machine qu’il venait de terminer d’assembler. Puis il s’approcha de ses tuyaux, tourna des vannes, un sifflement se fit entendre et du dioxyde de carbone emplit un long tube. Cette expérience devait résoudre une des plus grandes énigmes de la science de l’époque. Il était alors connu que la Terre avait traversé des ères glacières ; comment était-ce possible que le climat se soit modifié de façon aussi drastique ? La science s’était déjà penchée sur cette question. Joseph Fourrier, un physicien français, avait proposé en 1824 que ces changements climatiques venaient de modifications de la composition de l’atmosphère terrestre. Comment était-il arrivé à cette conclusion ? Les chercheurs savaient alors que notre planète, de par la chaleur qu’elle reçoit du Soleil, devrait être tellement froide que toute sa surface pourrait être recouverte de glace. Il fut donc postulé que quelque chose y retenait la chaleur. Joseph Fourrier fit alors l’expérience suivante : il mit une boîte sur laquelle se trouvait une vitre sous le soleil. Il constata alors que la température augmentait à l’intérieur de son dispositif. D’après lui, l’atmosphère jouait le même rôle pour le globe que le verre pour la boîte. Cette expérience allait plus tard inspirer le nom du phénomène qu’il avait découvert : l’effet de serre.

L’effet de serre est mal nommé !
Pourtant, cette analogie est erronée. La raison pour laquelle la température augmente à l’intérieur de la boîte ou la serre est que l’air y est confiné. On peut se rendre compte de ceci en ouvrant une fenêtre dans une serre: la température diminue alors jusqu’à être identique à celle de l’extérieur. Dans le cadre de l’effet de serre de l’atmosphère, celui-ci vient du fait que cette dernière laisse entrer la lumière solaire mais filtre le rayonnement infrarouge comme nous allons le voir ci-après. Une vitre n’a pas de telles propriétés. L’effet de serre est donc mal nommé !
Pourtant, ce modèle alors accepté comme valide, la question était comment l’atmosphère joue-t-elle le rôle de la vitre ? C’est précisément à cette question que devait répondre les expériences que notre scientifique de la Royal Institution, John Tyndall, avait mit au point.

John Tyndall

La première étape fut d’extraire des gaz constituant l’air comme l’oxygène, l’azote, la vapeur d’eau et le CO2. Le dioxyde de carbone était alors obtenu en distillant de l’air (la distillation est un processus qui permet en chauffant de séparer des substances chimiques). Se pose alors une autre question : les rayons du soleil traversent l’atmosphère pour venir chauffer la Terre. Si cette chaleur est venue de l’univers, pourquoi est-ce qu’elle ne peut pas complètement y retourner et qu’elle réchauffe ainsi la Terre ? L’énergie qui nous provient du cosmos va réchauffer le sol et les océans. Ceux-ci vont ensuite se refroidir en émettant ce que Joseph Fourrier appelait une « chaleur obscure ». Cette dernière va être ‘’prisonnière’’ de l’atmosphère.
Une lumière invisible

Quelle est cette mystérieuse chaleur ? En 1800, une découverte lui avait donné un visage. Un compositeur et astronome anglais, Sir Frederick William Herschel, était en train de faire une expérience avec un prisme (il s’agit d’un élément transparent qui va décomposer la lumière en différentes couleurs, comme le font les gouttes d’eau lorsqu’il y a un arc-en-ciel).

On voit ici un prisme (la forme pyramidale). A droite, en bas, un rayon de lumière l’atteint. Un deuxième est réfléchi et part vers le haut tandis qu’une autre partie le traverse en se décomposant en couleurs.

Par hasard un thermomètre était posé sur sa table de travail, mais à côté du spectre, c'est-à-dire la décomposition de la lumière en couleurs. Quelle ne fut la surprise pour ce scientifique de voir la température indiquée par cet instrument grimper en flèche… alors que la lumière ne l’atteignait pas ! Sir Herschel réalisa ensuite que le thermomètre se trouvait juste au-dessus de la partie rouge du spectre -que l’on voit sur notre image en haut du rayon qui a traversé le prisme - . Il en déduisit qu’il devait y avoir, au-delà du rouge, une lumière invisible qui transporte la chaleur. C’est ce que nous appelons actuellement la lumière infrarouge. Si cette lumière n’est pas perceptible pour l’être humain, elle l’est pour d’autres animaux comme certains serpents grâce à des recepteurs se trouvant sur leur tête. Etant donné que, après que le soleil ait chauffé la Terre, celle-ci émet cette chaleur sous forme de lumière infrarouge, John Tyndall devait utiliser cette dernière pour mesurer quelle était l’absorption de chaleur de différents gaz constituant notre atmosphère. Comment générer une telle lumière ? La réponse est étonnamment simple : tout corps chaud en émet.

Votre animal domestique émet de la lumière ! Ici, un chat vu en infrarouge. Les parties claires sont celles qui émettent le plus, c'est-à-dire les parties chaudes ou celles ayant des déperditions de chaleur importantes. Il s’agit des yeux, la bouche et les oreilles. On voit aussi que son nez est relativement froid par rapport au reste du corps.

On comprend dès lors pourquoi certains reptiles peuvent détecter la lumière infrarouge: ceci leur permet de parfaitement localiser leurs proies, et ce même au sein de la nuit la plus noire. Mais revenons à l’expérience de John Tyndall. Pour générer de la lumière infrarouge il va donc créer un corps chaud en mettant de l’eau chauffée dans un récipient. Un tel dispositif s’appelle un cube de Leslie parce qu’il a été mit au point par un physicien anglais, Sir John Leslie (en 1804).


On voit ici l’instrumentation utilisée par John Tyndall pour son expérience.

Le mécanisme de l’effet de serre élucidé

Sur l’image, à gauche sur le meuble de gauche, on voit un cube sous lequel se trouve un bec Bunsen. Il s’agit d’un cube de Leslie (la ‘’tringle’’ qui en sort est un thermomètre pour mesurer la température de l’eau). On remarque un élément similaire monté à droite, à l’extrémité du long tube horizontal. Dans ce dernier se trouve le gaz dont on veut étudier l’absorption de chaleur. Ces extrémités sont fermées avec un matériau transparent afin d’y confiner le fluide étudié tout en laissant la lumière infrarouge émise par le deuxième cube de Leslie traverser cette structure. On voit sur le meuble de droite un objet composé d’un support et de deux cônes. Il s’agit d’une thermopile. Qu’est-ce que c’est que ça ? A l’intérieur se trouve une bobine de fil particulière qui a la propriété, si on en chauffe une partie, de créer de l’électricité. (Ce type de piles connaît certaines applications de nos jours, par exemple pour alimenter des processus industriels nécessitant rapidement des quantités importantes d’électricité. Mais ce phénomène n’est pas utilisé à grande échelle à cause de son mauvais rendement). Dans notre expérience, la lumière infrarouge venant des cubes va entrer par les cônes de la thermopile. Plus la différence de température est importante entre les deux côtés, plus elle va générer d’électricité. Elle est connectée par des fils à un autre instrument posé sur le tabouret : il s’agit d’un galvanomètre, un dispositif capable de mesurer les courants électriques. Donc plus le gaz dans le tube va absorber de chaleur, plus la différence de température dans la thermopile va être importante et plus elle va générer de courant. Ce dispositif nous permet donc de mesurer l’absorption de chaleur d’un gaz. (Au niveau des autres instruments utilisés dans cette expérience, on voit à droite de la thermopile un écran. Les autres servent à générer les fluides d’intérêt).
Quels furent les résultats de cette expérience ? Parmi les gaz parfaitement translucides et invisibles constituant notre atmosphère, certains absorbent de la chaleur une fois traversés par de la lumière infrarouge ; il s’agit de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Il y a donc quelque 150 ans, le mécanisme de l’effet de serre était élucidé !

Vers une élévation de la température ?

Pourtant, à l’époque, si cette théorie était vue comme ayant un intérêt pour expliquer les glaciations passées par des variations de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, elle ne semblait pas être intéressante par rapport au climat contemporain. Ce n’est que 72 ans plus tard, en 1896, que deux scientifiques suédois, un géologue, Arvid Högbom et un chimiste, Svante Arrhenius, firent des estimations pour arriver à la conclusion que le C02, généré par la combustion du charbon, pourrait amener à une élévation de la température terrestre. Pourtant ceci n’apparut pas à l’époque comme dangereux, étant donné qu’avec les quantités de dioxyde de carbone générées, il aurait fallu beaucoup de temps avant d’arriver à une situation problématique. De plus, pour des scientifiques d’un pays nordique, une élévation de température aurait été plutôt bienvenue. L’idée naquit de modifier délibérément le climat terrestre. Le physicien allemand Walter Nernst, prix Nobel, avait proposé de faire brûler du charbon inutile afin de réchauffer le globe !
Dans les années qui suivirent, le CO2 continua à être perçu comme inoffensif. En effet, beaucoup pensaient que les océans pouvaient absorber le dioxyde de carbone qui était rejeté dans l’atmosphère. Rapidement, un autre mécanisme de régulation de la nature fut proposé : si les océans contiennent plus de CO2 que l’atmosphère, il en va de même avec la matière vivante. Il était donc estimé que même si l’eau n’était pas capable d’absorber tout le CO2 émis, la végétation s’en chargerait. L’idée est qu’une élévation de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique fait que les plantes poussent plus rapidement. Celles-ci utilisant le CO2 pour la photosynthèse, plus de plantes feraient que plus de CO2 disparaîtrait de l’atmosphère et tout reviendrait finalement à la normale.
Pourtant, en 1938 un ingénieur anglais du nom de Guy Steward Callendar réalise que la concentration de dioxyde de carbone et la température augmentent. Cette constatation allait raviver l’intérêt des scientifiques pour cette question et les mesures de la concentration de CO2 atmosphérique allaient progressivement être perfectionnées à partir de 1960. Les relevés de la température terrestre allaient également voir une évolution. A la fin des années 70, les satellites se mettent sur cette tâche. D’autres axes de recherches vont apparaître comme l’étude des variations du CO2 atmosphérique passées et ses implications sur le climat.

La mémoire du Magnolia

Par exemple les années 90 virent des travaux s’intéressant à des plantes qui ont peu évolué depuis l’époque des dinosaures, comme le Magnolia.

Une fleur de Magnolia. Comme ces plantes se développèrent alors que les abeilles n’existaient pas, elles sont conçues pour être pollinisées par des coléoptères ! (Les coléoptères sont des insectes, telles les coccinelles, qui se distinguent par leurs ailes particulières. C’est l’ordre des animaux qui regroupe le plus d’espèces).

Si ces plantes sont exposées à des taux de C02 important, la structure de leurs feuilles va être différente. Les fossiles révélèrent de telles modifications. Etant donné qu’à l’époque des dinosaures les climats étaient généralement plus chaud qu'aujourd'hui, ceci confirme qu’un taux de dioxyde de carbone important y était associé.
Avec le temps la vision de l’effet de serre s’est complexifiée bien que celle popularisée dans les médias depuis les années 60 corresponde à celle faite par Joseph Fourrier. Plus précisément, le rayonnement infrarouge émis par le sol va, au cours de sa traversée de l’atmosphère, être progressivement filtré. A mesure que cette lumière monte, une partie sera absorbée par l’air qui ainsi se chauffe. Celui-ci se met lui-même à émettre de la lumière infrarouge dans toutes les directions, qui chauffe à son tour de l’air, etc. Il convient alors de se représenter l’atmosphère comme une juxtaposition de tranches. Seulement au niveau de la tranche supérieure de la troposphère (couche de l’atmosphère allant du sol jusqu’à une altitude de 6 à 20 km suivant les emplacements) cette lumière part dans l’espace. (Les couches supérieures jouent un rôle négligeable dans ces phénomènes). Que se passe-t-il si on augmente la concentration de C02 dans l’atmosphère ? Cette dernière tranche contiendra plus de dioxyde de carbone, ce qui va faire que la lumière infrarouge aura plus de difficulté à la traverser. Ceci diminue la quantité de cette lumière émise par la Terre. Cette tranche chauffe donc, émet de la lumière infrarouge, qui chauffe les tranches inférieures, qui se mettent elles-mêmes à émettre de la lumière infrarouge, ... C’est ainsi que toute l’atmosphère se réchauffe.
L’intérêt de ce modèle, utilisé pour les simulations informatiques de l’évolution de la température dans le futur, est de voir qu’au niveau du réchauffement tout va être conditionné par la dernière tranche de la stratosphère. C’est elle qui détermine combien de lumière infra rouge part dans l’espace. C’est de cette tranche que dépend le refroidissement ou le réchauffement de notre planète bleue.

Gaëtan Dübler