Histoire de la découverte de l’effet de serre
L’Histoire de la découverte de l’effet de serre commence en 1774. Depuis, plusieurs scientifiques se sont enrichis et challengés les uns et les autres pour aboutir au concept actuel. Dès lors, il n’a cessé d’être pris en compte dans les études concernant les variations climatiques.
1774 : Le Suisse Horace Bénédict de Saussure invente l’héliothermomètre
Horace Bénédict de Saussure, né le 17 février 1740 et mort le 22 janvier 1799, était un physicien, géologue et naturaliste genevois. Il a développé un instrument nommé « héliothermomètre » pour mesurer les effets thermiques des rayons du soleil, instrument précurseur des capteurs solaires d’aujourd’hui. Il envisageait également des applications domestiques, comme l’usage de fenêtres à double châssis. Bien que l’invention originale fut perdue, son schéma peut être facilement reconstitué grâce à la description précise de Saussure (ci-dessous modernisée) :
« J’ai donc fait fabriquer une boîte en sapin d’un pied de long, 9 pouces de large et de profondeur, avec une épaisseur de demi-pouce. Cette boîte était doublée à l’intérieur par une couche de liège noir d’un pouce d’épaisseur, matériau que j’ai choisi pour sa légèreté et sa résistance à la chaleur. Trois plaques de verre glissaient dans l’épaisseur du liège et étaient placées à une distance de un pouce et demi l’une de l’autre, fermant la boîte après avoir traversé ces trois plaques.
Afin que le soleil frappe toujours perpendiculairement ces plaques, produisant ainsi la plus grande impression possible et souffrant le moins de réflexion possible, je faisais en sorte, lors de mes expériences, de faire suivre le mouvement du soleil à ma boîte, en la tournant régulièrement toutes les 20 minutes, de manière à ce que le soleil éclaire exactement tout le fond de la boîte. La plus grande chaleur que j’ai pu obtenir de cette manière a été de 87,7 degrés Réaumur (109,6°C), soit près de 8 degrés au-dessus de la température de l’eau bouillante. »
1822 : Le Français Joseph Fourier publie sa théorie analytique de la chaleur
À Grenoble, Fourier mène des expériences sur la diffusion de la chaleur. Il parvient à modéliser l’évolution de la température grâce à des séries trigonométriques. Fourier présente ces travaux à l’Académie des sciences en 1811. Il apporte ainsi une avancée significative à la modélisation mathématique de phénomènes et contribuant aux fondements de la thermodynamique.
Cependant, des contemporains notables comme Laplace, Lagrange et Poisson contestent initialement la théorie des séries et les transformées de Fourier. Fourier, impatient, décide de publier lui-même ses recherches dans un ouvrage intitulé “Théorie analytique de la chaleur” en 1821. En 1822, lorsqu’il devient secrétaire perpétuel de l’Académie, il parvient à surmonter ces oppositions et à publier ses travaux.
Bernhard Riemann soulignera plus tard l’importance des travaux de Fourier sur les séries trigonométriques. Déjà, Henri Poincaré estime que la méthode de Fourier a jeté les bases de l’application de l’analyse à la physique. Et l’on reconnaît finalement largement la contribution de Fourier à l’intégration dans la communauté scientifique.
En 1824, il publie ses “Remarques générales sur la température du globe et des espaces planétaires” :
La température est augmentée par l’interposition de l’atmosphère parce que la chaleur trouve moins d’obstacles pour pénétrer l’air, étant à l’état de lumière, qu’elle n’en trouve pour repasser dans l’air lorsqu’elle est convertie en chaleur obscure.
“La chaleur obscure” est un concept qui était utilisé pour décrire ce qu’on connaît aujourd’hui sous le nom d’infrarouge. C’est Sir William Herschel, un contemporain de Joseph Fourier, qui a découvert la chaleur obscure au début du 19e siècle. Herschel avait remarqué qu’au-delà du spectre visible du rouge, il y avait encore de la chaleur qui était produite. Il a nommé ce phénomène “calorique obscur” ou “chaleur obscure”, car il ne produisait pas de lumière visible.
Il est important de noter que les idées de Herschel et Fourier sur la chaleur étaient basées sur la théorie calorigène, une théorie dépassée qui postulait que la chaleur était une substance invisible et sans poids appelée “calorique”. Selon cette théorie, les objets pouvaient contenir plus ou moins de “calorique”, ce qui déterminait leur température. Ce n’est qu’au milieu du 19e siècle, bien après la mort de Fourier et Herschel, que la théorie cinétique des gaz a remplacé la théorie calorigène, expliquant que la chaleur est en fait le résultat du mouvement des particules.
De son vivant, Fourier était conscient de l’universalité de sa théorie. Elle avait des applications dans des domaines tels que les vibrations, l’acoustique, l’électricité. Ces applications ont finalement conduit au développement du traitement du signal au XXème siècle.
1838 : Le Français Claude Pouillet invente le pyrhéliomètre et détermine la constante solaire . Histoire de la découverte de l’effet de serre
![-Pouillet's pyrheliometer (1837). A: container (calorimeter), with blackened receiver, made with a silver foil and filled with water. T: thermometer whose bulb enters the container to measure the water temperature. C-D alignment check system to orient the instrument towards the Sun. Disk in C to check the orthogonality of the sunrays with respect to the blackened surface of the calorimeter. From [9]](https://www.researchgate.net/profile/Matteo-De-Vincenzi/publication/345768793/figure/fig2/AS:957059549888513@1605192186248/Pouillets-pyrheliometer-1837-A-container-calorimeter-with-blackened-receiver.png)
Claude Servais Mathias Pouillet, né à Cusance (Doubs) le 16 février 1790 et mort à Paris, le 13 juin 1868, est un physicien et homme politique français. Entre 1837 et 1838, il réalise grâce à l’invention du pyrhéliomètre les premières mesures quantitatives de la chaleur émise par le soleil. C’est la détermination expérimentale de la constante solaire. Elle permet de définir la quantité d’énergie solaire arrivant au sommet de l’atmosphère terrestre.
Les modèles décrivant et prédisant les évolutions du climat d’aujourd’hui utilisent cette valeur comme l’une des données d’entrée utilisées. Les spécialistes actuels du climat s’accordent pour saluer la qualité des travaux de Claude Pouillet car il détermine cette valeur à 1228 W/m² dès les années 1860, valeur très proche de la valeur reconnue actuellement : 1367 W/m². Selon la loi de Dulong et Petit, il estime la température du soleil autour de 1 800 °C. Joseph Stefan réévalue cette valeur à 5 430 °C en 1879.
1859 : L’Irlandais John Tyndall conclut que la composition atmosphérique joue un rôle important dans les variations climatiques . Histoire de la découverte de l’effet de serre
John Tyndall, né le 2 août 1820 et décédé le 4 décembre 1893, est un scientifique et alpiniste irlandais. C’est un des premiers scientifiques à avoir identifié des mécanismes menant à l’effet de serre.
Tyndall étudie la transparence des gaz à la chaleur radiante de 1859 à 1879, travaux considérés comme les plus significatifs de sa carrière. Il établit la capacité d’absorption calorifique de la vapeur d’eau. Fasciné par la proposition de Louis Agassiz de l’existence dans le passé de période glaciaire il montre que l’acide carbonique (H2CO3) peut absorber une grande quantité de chaleur et que si les gaz comme l’hydrogène, l’oxygène et l’azote sont quasi transparents à la chaleur, la vapeur d’eau joue un rôle important en climatologie. Il arrive à la conclusion que des modifications de la proportion des gaz dans l’atmosphère peuvent jouer un rôle important dans les variations du climat.
Il explique la couleur bleu du ciel avec l’effet Tyndall, de nos jours appelé diffusion Rayleigh, Tyndall est le premier à donner une explication de ce phénomène tandis que Rayleigh traite le sujet beaucoup plus précisément et lui fournit un cadre théorique.
1896 : Le Suédois Svante August Arrhenius fait le lien entre CO2, activités humaines et effet de serre . Histoire de la découverte de l’effet de serre
Svante Arrhenius, chimiste suédois (1859-1927) et Prix Nobel de chimie en 1903, cherchait à comprendre et expliquer les cycles de glaciation. Inspiré par d’autres chercheurs, dont Joseph Fourier, Arrhenius a publié en 1896 un article intitulé “De l’influence de l’acide carbonique dans l’air sur la température au sol“. Dans cet article, il estime qu’un doublement du taux de CO2 pourrait causer un réchauffement d’environ 5 °C. Cette estimation est assez proche des prévisions actuelles du GIEC, qui prévoit une hausse de 2 à 4,5 °C. À l’époque, Arrhenius pensait que le doublement du taux de CO2 se produirait sur une période de 3 000 ans. Cependant, les estimations du GIEC indiquent qu’au rythme actuel d’émission, cela pourrait se produire en un siècle seulement.
Pour élaborer sa théorie, Arrhenius s’est appuyé sur des observations de la Lune dans l’infrarouge réalisées par Frank Washington Very et Samuel Pierpont Langley à l’observatoire Allegheny de Pittsburgh. Selon ses calculs, la température au sol en l’absence de CO2 atmosphérique aurait été de 15°C plus basse qu’elle n’est réellement. Aujourd’hui, le calcul aboutit à 34°C pour l’ensemble de l’effet de serre. Des variations de concentrations de CO2 dans l’atmosphère, ayant pu atteindre dis fois la valeur actuelle, pourraient avoir engendré des variations climatiques importantes, pensait-il alors. Ces variations de concentration auraient été en rapport avec l’activité des volcans, comme l’avait dès 1845 écrit le chimiste français J.-J. Ebelman. Bien que certains de ses calculs se soient révélés erronés, Arrhenius a formulé une première loi sur l’effet de serre qui, dans sa forme simplifiée actuelle, reste valable.
Knut Ångström qui a contesté les valeurs d’absorption du CO2 calculées par Arrhenius. Malgré les critiques de ses contemporains, ce dernier a continué à défendre vivement sa théorie. Il a même publié un ouvrage de vulgarisation en 1906, dans lequel il soutenait que les émissions humaines de CO2 pourraient empêcher l’avènement d’une nouvelle ère glaciaire.
Il convient de noter que pendant une grande partie du 20e siècle, de nombreux scientifiques ont privilégié la théorie des cycles glaciaires de Milutin Milankovitch, basée sur les changements d’orbite de la Terre, par rapport à la théorie de l’effet de serre d’Arrhenius. Ce n’est qu’à partir des années 1960 que l’on commence à reconnaître le rôle du CO2 en tant qu’élément amplificateur des changements climatiques.
Enfin, malgré son insistance sur l’importance de l’effet de serre, Arrhenius a aussi reconnu la nécessité de trouver d’autres sources d’énergie. En 1922, il a déclaré : « Nous avons consommé autant de charbon fossile en dix ans que l’homme en a brûlé durant tout le temps passé. […] Il devient nécessaire de trouver d’autres sources d’énergie, afin que la civilisation du monde ne s’effondre pas lorsque les combustibles fossiles seront sur le point d’être épuisés ».
1909 : Robert Williams Wood remet en question la théorie l’effet de serre .Histoire de la découverte de l’effet de serre
En 1909, le physicien américain Robert Williams Wood (1868-1955) a réalisé une expérience pour comprendre l’effet de serre. Pour cela, il a construit deux serres : une avec des plaques de verre (qui laissent passer la lumière visible mais bloquent les infrarouges) et une autre avec des plaques en halite (qui laissent passer à la fois la lumière visible et les infrarouges). Dans les deux cas, l’air à l’intérieur ne pouvait pas sortir.
Il a découvert que la température dans les deux serres augmentait de la même manière. Cela suggère que l’augmentation de la température était principalement due à l’absence de convection (mouvement d’air), et non à l’absorption de rayonnement infrarouge par le verre.
Dans sa “Note on the Theory of the Greenhouse”, publié dans le London, Edinborough and Dublin Philosophical Magazine, Wood a remis en question la croyance commune selon laquelle l’effet de serre était principalement dû à la réémission de rayons solaires en radiations de plus grandes longueurs d’onde (infrarouges) qui ne peuvent pas traverser le verre. Au lieu de cela, il a suggéré que le rôle du verre est d’empêcher l’air chaud, réchauffé par le sol, de quitter l’enceinte.
Wood a conclu que l’effet d’emprisonnement du rayonnement (par le verre ou la halite) est faible par rapport à l’effet de piégeage de l’air chaud à l’intérieur de l’enceinte. Il démontre donc que l’absence de convection (mouvement d’air) est le principal facteur contribuant à l’effet de serre dans une serre.
Dans l’atmosphère terrestre, contrairement à une serre, l’air n’est pas confiné et peut se refroidir par convection. Nous parlions donc jusqu’ici d’effet de serre radiatif, puisque nous ne prenions en compte que les phénomènes radiatifs. Certains gaz atmosphériques, tels que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, absorbent les radiations infrarouges émises par le sol. Cela entraîne un réchauffement de la troposphère et de la surface terrestre. Sans cet effet, la température terrestre serait d’environ -18 °C, alors que la température moyenne actuelle est de 16 °C. L’effet de serre naturel contribue donc à augmenter la température terrestre d’environ 34 °C.
Dans l’ensemble, l’atmosphère agit comme une barrière, ne laissant échapper que 60% de l’énergie interne. Une modification de la concentration des gaz absorbant les infrarouges peut avoir des conséquences importantes sur la température de la planète. En effet cela introduit un forçage radiatif qui modifie l’équilibre global du système climatique.
1988 : Naissance du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat
. Histoire de la découverte de l’effet de serre
Fondé en 1988 à l’initiative de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) et du Programme des Nations Unies pour l’Environnement (PNUE), le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) a été constitué en réponse à la demande des pays du G7 de l’époque. Depuis sa création, tous les États membres des Nations Unies peuvent adhérer à cet organisme. Actuellement, il compte 195 États membres, représentant une large majorité des pays du globe.
Au sein du GIEC, l’expertise est diverse et internationale, incluant des géologues, météorologues, mathématiciens, chimistes, économistes, et sociologues. Il est important de souligner que les experts du GIEC ne sont pas rémunérés pour leur contribution. Ils s’engagent volontairement pour une période allant de six à huit mois, répartis sur trois ans.
Le GIEC est structuré en trois groupes de travail, ainsi qu’une équipe spéciale:
- Le premier groupe se concentre sur les aspects scientifiques du changement climatique.
- Le deuxième groupe se charge de l’évaluation des impacts sur les systèmes socio-économiques et naturels et de la vulnérabilité de ces derniers.
- Le troisième groupe vise à proposer des solutions viables pour limiter l’effet de serre et réduire l’impact du changement climatique.
L’équipe spéciale coordonne l’inventaire national des gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone.
Le Bureau du GIEC, l’organe exécutif de l’organisation, supervise ces groupes de travail. L’assemblée plénière élit le bureau en s’efforçant de représenter la diversité des nationalités et des disciplines présentes au sein des groupes de travail. La rédaction d’un rapport par ces groupes prend généralement entre quatre et six ans. En complément du Bureau, le GIEC dispose d’un secrétariat basé à l’OMM en Suisse, constitué d’une petite équipe d’employés permanents.
Les États membres contribuent volontairement pour assurer le financement du GIEC. Sur un budget annuel de 6 millions d’euros, la France contribue à hauteur d’un million d’euros.
Bien que les experts du GIEC maintiennent leur indépendance, l’organisme est gouverné collectivement par ses États membres, généralement en étroite coordination avec des observatoires nationaux. En France, l’Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique (ONERC) sert de lien entre le gouvernement français et le GIEC.
Contrairement à certaines idées reçues, le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) ne produit pas ses propres recherches. Le GIEC fournit une synthèse complète des études existantes relatives au dérèglement climatique dans le monde entier. En d’autres termes, ses rapports consolident les avancées scientifiques majeures dans le domaine.
La mission du GIEC, selon sa charte, est d’analyser de manière objective et impartiale les informations scientifiques et socio-économiques en lien avec le changement climatique. Pour ce faire, le GIEC base son travail sur des articles publiés dans des revues scientifiques reconnues et validées par la communauté scientifique internationale. Les rapports du GIEC abordent le changement climatique et ses impacts sur l’environnement et les sociétés humaines. Il en constitue des bilans généraux publiés tous les 4 à 6 ans.
Chaque rapport du GIEC comprend plusieurs volumes totalisant 2000 à 3000 pages. Bien que volumineux, ces rapports contiennent des informations essentielles, basées sur des milliers d’études référencées. Le groupe de travail passe en revue le rapport complet en vue de l’accepter. En revanche, ce sont les représentants gouvernementaux qui approuvent ligne par ligne le résumé à l’intention des décideurs. Tout en ne pouvant imposer aucune contrainte, le GIEC formule des recommandations. Il met en lumière les bénéfices des énergies renouvelables. Il propose également des plans d’action pour atténuer les effets du changement climatique.
En plus des rapports réguliers, le GIEC publie également des études thématiques choisies par les États membres. Il produit, moins fréquemment, des rapports méthodologiques pour unifier les protocoles de mesure des gaz à effet de serre. Enfin, il approfondit certaines expertises scientifiques dans des documents techniques.
En résumé . Histoire de la découverte de l’effet de serre
Le système planète réfléchit sans modification vers l’espace (albédo) environ 29 % du rayonnement solaire reçu, son atmosphère en absorbe 23 %, et le sol, la végétation et l’océan absorbe le reste, soit environ 47 %.
Ceux-ci, ainsi échauffés, vont restituer cette énergie :
- par conduction calorifique (chaleur sensible),
- par évaporation d’eau (chaleur latente),
- par émission de rayonnement infrarouge.
L’absorption des infrarouges par les gaz à effet de serre augmente largement la température de la troposphère par rapport à ce qu’elle devrait être sans ces gaz (au sol, en moyenne, 16 °C au lieu de – 18 °C).
