Sciences de la Vie et de la Terre

 Jean-Claude BITON, lycée Théodore Aubanel, Avignon

Diverses publications (Cf. bibliographie) sur la mise en évidence de l'effet de serre du CO₂ en utilisant du matériel d'ExAO ont amené certains d'entre nous à tester les protocoles proposés. Guy Sabatier, professeur au lycée Jean Monnet à Saint-Etienne, nous a fait part de son expérience en la matière au cours des "Rencontres méditerranéennes de l'ExAO" en mai 1995 à Marseille. Les résultats observés étant en général contradictoires, j'ai décidé, à la suite de ces journées, d'essayer de répondre à la question suivante : est-il possible avec le matériel dont on dispose dans un lycée de mettre en évidence l'effet de serre de différentes molécules ?

1. RAPPEL SUR L'EFFET DE SERRE

Il est bon de rappeler l'explication scientifique que l'on donne à l'effet de serre.

Fig. 1 : Émission solaire et planétaire (courbe du bas) et taux d'absorption de l'atmosphère (courbe du haut)
pour des radiations dont la longueur d'onde va jusqu'à 100 µm (numéro spécial de La Recherche n° 243)

Le document de la figure 1 montre que les longueurs d'ondes reçues (courbe du bas, à gauche) diffèrent des longueurs d'ondes réémises par la Terre (courbe du bas, à droite). Différents constituants de l'atmosphère (divers gaz, particules en suspension) piègent les infrarouges réémis par notre planète (courbe du haut). L'échauffement atmosphérique qui en résulte est qualifié d'effet de serre. L'atmosphère actuelle absorbe avec une efficacité inégale les infrarouges de certains domaines de longueur d'onde qualifiés de fenêtres. Ces pertes sont à l'origine d'une température globale actuelle inférieure à la température théorique. Si la concentration en molécules à effet de serre augmente, ces fenêtres se ferment et la température globale augmente.

Ce rappel conditionne la conception du montage et des protocoles possibles pour simuler les rayonnements solaire et planétaire.

2. MISE AU POINT TECHNIQUE D'UN MONTAGE

2.1. Les enceintes et capteurs

Pour mieux cerner les problèmes techniques liés à la mise en évidence de l'effet de serre d'un gaz, il a été décidé d'employer deux enceintes, l'une servant de témoin.

On utilise un emballage en polystyrène comportant deux compartiments contigus désignés dans la suite par le mot enceinte. Chaque cylindre à un volume de 1,3 L.. Un trou est percé horizontalement dans chaque enceinte à 3 cm de la base pour introduire sur 1 cm l'extrémité d'une sonde thermométrique reliée à l'interface ESAO. Une pièce de protection est découpée dans du polystyrène pour protéger le capteur thermométrique de tout rayonnement direct, qu'il provienne du fond ou du sommet de l'enceinte. De plus, chaque thermomètre est protégé à l'extérieur de l'enceinte par une gaine de mousse de plastique (voir le schéma du montage, figure 4).

2.2. L'accumulation et la réémission des I.R.

Quelques essais sur les enceintes vides montrent que les variations de température sont faibles. En effet seul l'air est échauffé. Il est donc nécessaire d'introduire dans chaque enceinte un élément susceptible d'emmagasiner de la chaleur puis de la restituer comme le fait le sol au niveau d'une planète. Des blocs de laiton prévus pour les calorimètres solaires sont choisis. Faut-il les noircir ? Une étude comparative d'un bloc en laiton clair et d'un bloc en laiton dont la face supérieure est noircie à la flamme de bougie est donc réalisée. On introduit les thermomètres dans l'orifice prévu dans les blocs en laiton disposés côte à côte. Le reste des thermomètres est protégé par un bloc de polystyrène. L'ensemble est à l'air libre. Une ampoule de 100 W est disposée à 15 cm des blocs. On paramètre une acquisition de 20 min. au cours de laquelle on éclaire pendant les 5 premières minutes.

Fig. 2 : Comparaison de l'échauffement d'un bloc de laiton clair et d'un bloc de laiton noirci

On constate que le laiton noirci s'échauffe plus rapidement que le laiton non noirci. Son refroidissement est aussi plus rapide. Le laiton noirci est susceptible de représenter un modèle simulant l'échauffement et la réémission du sol. On introduira donc un bloc de laiton noirci dans chaque enceinte.

2.3. La fermeture des enceintes

Il est important de fermer les enceintes pour éviter tout échange avec le milieu environnant. Il faut que l'effet de serre dû à cette fermeture soit le plus faible possible. Quel matériau choisir ? Une documentation sur le spectre de transmission de différents matériaux transparents à la lumière visible montre que le polyéthylène transmet presque intégralement les I.R. La difficulté majeure réside dans l'identification de la nature des différents sacs et autres feuilles en plastique que l'on trouve actuellement. D'où l'idée de quelques tests en utilisant une plaque de verre comme référence.

Fig. 3 : Comparaison de l'échauffement et du refroidissement des enceintes
l'une couverte par une feuille de plastique, l'autre par une plaque de verre

Après différents essais (différents transparents, divers sacs en plastique) des sacs "gaine de cuisson" de marque MELITA donnent l'effet de serre le plus faible par rapport à du verre (voir figure 3).

2.4. Le montage retenu

Fig. 4 : Schéma du montage final avec deux enceintes

2.5. Recherche d'un protocole d'éclairement

Il est maintenant nécessaire de choisir un protocole d'éclairement, compatible avec une expérimentation en classe. La première méthode consiste à attendre que la température des enceintes soit stable, puis à introduire dans l'une d'elle le gaz testé et à en enregistrer les effets. Deux heures sont nécessaires pour que la température des enceintes éclairées soit stable. Cette durée est incompatible avec une expérimentation en classe.

Fig. 5 : Exemple d'enregistrement préalable à toute expérience

Par conséquent le protocole choisi pour cette première approche est celui proposé dans les publications à l'origine de ce travail. Un éclairement des enceintes pendant 30 min. est suivi d'un temps de refroidissement identique, soit une acquisition en une heure.

Les premiers essais montrent que la position de la lampe doit être ajustée avec précision pour que l'échauffement des deux compartiments soit strictement identique. Un déplacement latéral de quelques millimètres de la lampe commune suffit pour que les conditions d'échauffement diffèrent. Il faut donc réaliser, en début de chaque séance, une acquisition témoin au cours de laquelle on réglera avec précision l'éclairement (figure 5). Aucun élément ne devra être déplacé par la suite sous peine de devoir recommencer ce réglage délicat. Cette précaution a été prise avant chacune des manipulations décrites ci-après.

3. PREMIERS RÉSULTATS SUR L'EFFET DE SERRE

Cette étude a été menée en trois étapes.

3.1. Comment se manifeste un effet de serre avec ce montage

Le verre possède un effet de serre bien connu et il doit permettre d'en visualiser les manifestations. Une vitre est posée par dessus le plastique de l'une des enceintes et l'acquisition réalisée selon le protocole défini ci-dessus.

Fig. 6 : Effet de serre du verre

La différence de température entre les deux compartiments au bout de 30 min. est faible, mais visible. Notons que la montée en température comme le refroidissement sont plus lents au début.

3.2. L'effet de serre de la vapeur d'eau

Pour générer de la vapeur d'eau, un coton humide est introduit dans l'une des enceintes. Pour que tout soit égal, un morceau de coton sec est introduit dans l'enceinte témoin. On lance ensuite l'acquisition.

Fig. 7 : L'effet de serre de la vapeur d'eau est ici bien identifiable

L'effet de serre de la vapeur d'eau est ici bien identifiable.

3.3. L'effet de serre du CO₂

Le CO₂, produit par action de l'acide chlorhydrique sur du carbonate de calcium et récupéré sous l'eau, est saturé en vapeur d'eau. Il sera donc déshydraté grâce au montage de la figure 8, avant son introduction dans l'enceinte.

Fig. 8 : Montage permettant l'introduction de CO₂ sec dans l'enceinte

On a réalisé plusieurs expériences où l'enceinte à CO₂ a été remplie avec 1,5 L de CO₂ sec à la température ambiante. Tous les résultats obtenus sont semblables à l'enregistrement de la figure 9.

Fig. 9 : Enregistrement obtenu en remplaçant l'air d'une enceinte par du dioxyde de carbone

On peut constater qu'aucun effet de serre n'est objectivement décelable.

3.4. Discussion de ces premiers résultats

La première cause envisagée dans l'échec avec le CO₂ réside dans la nature des I.R. réémis par les blocs de laiton. L'emploi d'un matériau plus proche des roches a été décidé. Des galettes d'argile à modeler d'un diamètre de 90 mm et d'une épaisseur de 20 mm ont été réalisées. Elles possèdent la même masse et leur couleur naturelle est conservée. L'ensemble est testé dans le montage à deux enceintes. Si l'effet de serre de la vapeur d'eau est tout aussi facile à mettre en évidence, aucun effet de serre n'est décelable pour le CO₂.

Un premier bilan est possible. On peut mettre en évidence l'effet de serre de la vapeur d'eau. Mais le montage présente des inconvénients, temps de réglage nécessaire à l'obtention d'une réponse identique des deux enceintes incompatible avec la durée d'une séance de TP, nécessité de deux thermomètres.

D'autre part la mise en évidence d'un effet de serre du CO₂ a échoué. La suite du travail a donc consisté à mettre au point un montage plus simple et à tenter d'identifier les raisons de l'échec pour le CO₂.

4. MISE AU POINT D'UN NOUVEAU MONTAGE
ET D'UN NOUVEAU PROTOCOLE POUR LE CO₂

4.1. Essais de la nouvelle enceinte

L'enceinte simple est dérivée du modèle précédent. Son volume est réduit pour, d'une part accélérer les montées en température, d'autre part diminuer le volume de CO₂ nécessaire pour tester ce gaz. Elle permet de réduire chaque acquisition à 20 min., la lampe étant mise sous tension pendant les 10 premières minutes. Une première acquisition servant de témoin est faite et mémorisée. Lorsque la température de l'enceinte a retrouvé sa valeur de départ, on lance la nouvelle acquisition avec le gaz testé et on superpose les deux résultats. L'expérimentation peut ainsi être menée en une heure.

Fig. 10 : Montage simplifié avec le dispositif pour injecter le CO₂

Avec ce nouveau montage et ce protocole, l'effet de serre de la vapeur d'eau est facile à mettre en évidence et le tracé obtenu est semblable à celui de la figure 7.

Par contre, de nombreux résultats contradictoires ont été obtenus pour le CO₂. Tantôt un léger effet de serre est visible, tantôt l'effet est inverse. On retrouve les résultats à l'origine de cette recherche.

4.2. Mise au point d'un nouveau protocole

La cause de ce phénomène peut être déduite de la série d'expériences suivante où de l'air ordinaire, de l'air sec, du CO₂ sec et à nouveau de l'air sec sont testés. Chaque acquisition est lancée lorsque la température de l'enceinte en refroidissement atteint la valeur de départ. On constate que l'augmentation de la température de l'enceinte suit tout simplement l'ordre des expériences et ne dépend pas du gaz employé.

Fig. 11 : Quatre acquisitions successives avec divers gaz

La galette d'argile se refroidit moins vite que l'air. Sa température étant supérieure à celle de l'air lorsqu'une nouvelle acquisition est lancée, elle réémet une plus grande quantité de chaleur, dès le début et le réchauffement de l'air est plus rapide. Le seul protocole restant pour le CO₂ consiste à attendre que l'enceinte soit en équilibre thermique avant de réaliser toute expérimentation.

Fig. 12 : Montée en température de l'enceinte vide

Avec une lampe à incandescence la montée en température est de une heure. Puis une élévation de température de 1 °C se poursuit pendant encore une heure. Il faut donc attendre deux heures avant de pouvoir expérimenter. On lance ensuite une acquisition d'au moins 30 min. et on introduit l'eau ou le CO₂ au bout de quelques minutes.

5. NOUVEAUX RÉSULTATS OBTENUS

5.1. Essai avec la vapeur d'eau

La technique pour produire de la vapeur d'eau est modifiée. Une bande de papier absorbant est disposée contre la paroi de l'enceinte, dès la mise en température du dispositif. À la date prévue, la bande est enlevée et imbibée d'une petite quantité d'eau (ici 0,5 mL), puis on la remet en place. Il faut veiller à ne pas introduire trop d'eau, sinon de la buée se forme sur le couvercle, rendant incertaine l'origine des résultats.

Fig. 13 : Effet de serre de la vapeur d'eau

Les tracés observés ont tous la même allure générale que sur la figure 13, avec une baisse de la température, puis une montée par palier.

5.2. Essai avec le CO₂

Fig. 14 : Résultat avec du dioxyde de carbone

Pour le CO₂, l'enregistrement de la figure 14 est typique de ce que l'on observe. Là encore aucun échauffement n'est perceptible.

5.3. Essais de nouvelles sources de rayonnement

Ce nouvel échec amène à suspecter la qualité du rayonnement fourni. Or il est pratiquement impossible d'utiliser le rayonnement solaire direct. La seule solution consiste à tester les différentes sources de rayonnement disponibles dans un laboratoire.

La première solution envisagée est l'emploi d'une lampe émettrice d'infrarouges, utilisée comme moyen de chauffage dans les couveuses. La mise en évidence de l'effet de serre de la vapeur d'eau est bonne. Aucun effet de serre du CO₂ n'a pu être observé.

La seconde et dernière tentative a consisté à utiliser un réchaud électrique retourné à 25 cm du haut de l'enceinte et réglé sur une puissance de 250 W (une puissance supérieure fait fondre l'enceinte à cette distance).

Fig. 15 : Montée en température de l'enceinte avec un réchaud

On pourra constater sur l'enregistrement de la figure 15 que l'équilibre thermique de l'enceinte n'est pas atteint au bout de deux heures.

Fig. 16 : Effet de serre de la vapeur d'eau en utilisant un réchaud comme source de rayonnement

Après une mise en équilibre thermique de l'enceinte de trois heures, la vapeur d'eau est testée en premier (figure 16). Les résultats sont semblables à ceux obtenus précédemment.

Le CO₂ est ensuite étudié après lavage de l'enceinte à l'air sec et attente d'une stabilisation de la température.

Fig. 17 : Introduction de un litre de CO₂

Après introduction d'un litre de CO₂, la température augmente de 0,2 °C, puis semble se stabiliser. L'effet de serre semble mis en évidence.

Fig. 18 : La figure 17 replacée dans la montée en température de l'enceinte

Mais, si on place cet enregistrement dans la continuité de la montée en température de l'enceinte, on constate que cette augmentation correspond simplement à la mise en équilibre thermique du système. Rien de certain n'est donc observable pour le CO₂.

5.4. Bilan

Ce nouveau protocole permet de réaliser successivement plusieurs expériences à condition d'attendre que l'ensemble se soit stabilisé en température. Si on utilise une source à infrarouges type réchaud électrique, le temps de stabilisation en température du système est d'au moins trois heures. De plus, chaque fois qu'un effet de serre a lieu, il faudra patienter. Ainsi après l'étude de la vapeur d'eau, si on introduit de l'air sec (2 à 3 L) pour tester un autre gaz, il faudra attendre au moins 30 min. pour que la température se stabilise. En effet, la galette d'argile s'est échauffée et un nouvel équilibre avec l'air froid introduit doit s'établir.

Aucune source de rayonnement permettant d'observer l'effet de serre du CO₂ n'a été trouvée.

6. CONCLUSION

Au cours d'une séance de TP, il est possible, en utilisant un montage simple comme la seconde enceinte et le premier protocole (allumage et extinction de la source de chaleur), de montrer que la vapeur d'eau possède un effet de serre. L'activité des élèves se résume à une observation. Si on désire faire en sorte que le protocole soit proche de la réalité, c'est-à-dire un modèle à l'équilibre thermique, dans lequel on produit de la vapeur d'eau, il faut prévoir une mise en température deux heures à l'avance.

Concernant le CO₂, aucun effet net et surtout reproductible n'a été observé. La raison en est sans doute la suivante. Contrairement à la vapeur d'eau qui possède une forte absorption dans l'infrarouge entre 1,91 et 6 µm, le CO₂ ne possède qu'un pic d'absorption à 4,28 µm. La documentation technique des fabricants de lampes à incandescence indique qu'une ampoule d'éclairage possède un pic d'émission vers 0,6 µm et qu'aucune émission n'a lieu au-delà de 0,7 µm. Pour les ampoules émettrices d'infrarouges, le pic d'émission est situé entre 1 et 1,3 µm, les émissions dépassant 3 µm étant faibles. Ni les blocs de laiton, ni les galettes d'argile ne semblent capables de convertir suffisamment d'énergie autour de 4,28 µm pour provoquer un effet de serre dû au CO₂. Quant au réchaud électrique, l'expérience montre que la gamme d'émission n'est pas non plus convenable.

7. BIBLIOGRAPHIE

Articles à l'origine de ce travail :
Le Biologiste magazine n° 13 - février 1992 - TP "l'effet de serre" - p. 6 et 7 - PIERRON
Y. Le MOINE - Bulletin de L'APBG n° 1 - (1992).- L'effet de serre (fiche verte)

Autres documents consultés :
LA RECHERCHE - Mai 1992 (N° 243) - Numéro spécial
D. POL - Travaux pratiques de biologie. Bordas
G. SABATTIER - Actes des rencontres méditerranéennes de l'EXAO - 17-19 mai 1995. Atmosphère et température - p. 29 à 33