ETUDE DE L'EFFET DE SERRE AU LYCEE
J.C. BITON LYCEE AUBANEL AVIGNON
L'auteur a actualisé ce document en Mai 98 sur le serveur de Aix-Marseille
RESUME : Quelques publications et offre de matériel 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. Les résultats observés sont contradictoires et amènent à poser 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 ?
Les nombreux essais réalisés sur différents montages avec des protocoles différents permettent à chaque fois de mettre en évidence l'effet de serre de la vapeur d'eau. Concernant le CO2, aucun effet net et surtout reproductible n'a été observé. Il est probable qu'avec le matériel dont on dispose en lycée, il est impossible de produire en quantité suffisante les rayonnements infrarouges que l'on sait absorbés par le CO2 .
Quelques publications 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 nous a fait part de son expérience en la matière au cours des « Rencontres méditerranéennes de l'ExAO » en mai 1995. Les résultats observés étant en général contradictoires, j'ai décidé, suite à 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 du CO2 ?
MISE AU POINT D'UN MONTAGE
Différents constituants de l'atmosphère des planètes piègent les infra-rouges réémis par leur sol. L'échauffement atmosphérique qui en résulte est qualifié d'effet de serre.
Ce rappel conditionne la conception du montage et les protocoles possibles.
Pour mieux cerner les problèmes liés à la mise en évidence de l'effet de serre d'un gaz, l'emploi de deux enceintes, l'une servant de témoin a été décidé.
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SCHEMA DU MONTAGE AVEC DEUX ENCEINTES
On utilise un emballage en polystyrène comportant deux compartiments contigus. Une pièce de protection a été 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.
Quelques essais sur ces enceintes vides montrent que les variations de température sont faibles. En effet seul l'air est échauffé. Des blocs de laiton noirci, prévus pour les calorimètres solaires, placés dans les enceintes permettent d'obtenir des variations nettement plus importantes.
Il faut fermer les enceintes pour éviter tout échange avec le milieu environnant. Le matériau employé doit avoir un faible effet de serre. Le polyéthylène en feuille transmet presque intégralement les I.R. Encore faut-il être capable de l'identifier parmi tous les produits disponibles. Quelques tests m'ont permis de constater que des sacs '' gaine de cuisson '' de marque MELITA donnent l'effet de serre le plus faible par rapport au verre.
PREMIERES ETUDES SUR L'EFFET DE SERRE
Le protocole proposé dans les travaux précédents est utilisé pour cette première approche . Il consiste à appliquer un éclairement de 30 min et un temps de refroidissement identique, soit une acquisition en une heure. L'une des enceintes sert de témoin.
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. Il faut donc réaliser en début de chaque séance, une acquisition témoin au cours de laquelle on réglera avec précision l'éclairement.
Une fois ce réglage effectué, une vitre posée par dessus le plastique de l'une des enceintes permet d'observer comment un effet de serre se manifeste.
FIGURE 1 : effet de serre du verre.
Avant d'étudier un gaz à effet de serre relativement faible, il m'a semblé intéressant de tester l'effet de serre de la vapeur d'eau. Pour générer ce gaz, 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. Le résultat obtenu correspond à celui de la figure 2.
FIGURE 2 : effet de serre de la vapeur d'eau.
On peut alors tester l'effet de serre du CO2. L'enceinte CO2 a été remplie avec 1,5 L de CO2 sec à la température ambiante. La figure 3 montre qu'aucun effet de serre n'est objectivement décelable.
FIGURE 3 : enregistrement obtenu en remplaçant l'air d'une enceinte
par du dioxyde de carbone.
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 d'une réponse identique des deux enceintes, nécessité de deux thermomètres. D'autre part la mise en évidence d'un effet de serre du CO2 a échoué. La suite du travail consiste donc à mettre au point un montage plus simple et à tenter d'identifier les raisons de l'échec pour le CO2.
MISE AU POINT D'UN NOUVEAU MONTAGE, NECESSITE D'UN NOUVEAU PROTOCOLE POUR LE CO2
La première cause envisagée dans l'échec avec le CO2 réside dans la nature des I.R. réémis par les blocs de laiton. Des galettes d'argile à modeler identiques ont été réalisées et leur couleur naturelle conservée. L'ensemble a été 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.
Une enceinte simple a été dérivée du modèle précédent. Son volume a été 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. 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 2.
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MONTAGE SIMPLIFIE AVEC LE DISPOSITIF POUR INJECTER LE CO2
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 ce travail. La cause de ce phénomène peut être déduite de la série d'expériences dont les résultats sont visibles sur la figure 4. Chaque acquisition est lancée lorsque la température de l'enceinte en refroidissement atteint la valeur de départ.
FIGURE 4 : quatre acquisitions successives avec divers gaz.
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. Voici l'explication proposée. La galette d'argile se refroidit moins vite que l'air. Sa température est supérieure à celle de l'air lorsqu'une nouvelle acquisition est lancée. Elle réémet donc une plus grande quantité de chaleur, dès le début et le réchauffement de l'air est plus rapide.
Ce fait nécessite donc l'abandon de ce protocole pour le CO2. Le seul protocole restant consiste à attendre que l'enceinte soit en équilibre thermique avant de réaliser toute expérimentation. La durée de montée en température est de une heure si on utilise une lampe à incandescence ordinaire. Cependant, l'expérience montre qu'une élévation de température de 1°C se poursuit pendant encore une heure. Comme l'effet de serre du CO2 semble discret dans les conditions expérimentales, 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.
RESULTATS OBTENUS AVEC LE NOUVEAU MONTAGE ET LE NOUVEAU PROTOCOLE
La technique pour produire de la vapeur d'eau a été modifiée. Le coton est remplacé par une bande de papier absorbant disposé contre la paroi de l'enceinte, dès la mise en température du dispositif. A la date prévue, on enlève la bande pour l'imbiber d'une quantité connue d'eau (ici 0,5 ml), puis on la remet en place.
FIGURE 5 : effet de serre de la vapeur d'eau
Les tracés observés ont tous la même allure générale avec une baisse puis une montée par palier. Si on introduit trop d'eau, de la buée se forme sur le couvercle. Son influence n'a pas été étudiée car n'étant pas l'objet de cette recherche.
Pour le CO2 l'enregistrement ci-dessous est typique de ce que l'on observe. Là encore aucun échauffement n'est perceptible.
FIGURE 6 : résultat avec du dioxyde de carbone.
Ce nouvel échec amène à suspecter la qualité du rayonnement fourni pour mettre en évidence un effet de serre du CO2. 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'infra-rouges, 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. L'équilibre thermique de l'enceinte n'est atteint qu'au bout de trois heures. Les résultats observés sont les mêmes qu'antérieurement. Si l'effet de serre de la vapeur d'eau est observable, rien n'est décelable pour le CO2.
Si on fait le bilan de cette seconde phase expérimentale, on peut retenir que ce nouveau protocole et ce nouveau montage permettent de réaliser successivement plusieurs expériences à condition d'attendre que l'ensemble se soit stabilisé en température. Si on utilise une source à infra-rouges type réchaud électrique, le temps de stabilisation du système en température est d'au moins trois heures. De plus, chaque fois qu'un effet de serre a lieu, il faudra patienter pour retrouver des conditions de stabilité. Enfin une source de rayonnement permettant d'observer l'effet de serre du CO2 n'a pas été trouvée.
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.
Les participants aux rencontres sont donc à la recherche d'un protocole rigoureux et fiable, utilisant du matériel aisément disponible dans un lycée, fournissant des résultats montrant de manière reproductible l'effet de serre du CO2.
Si un lecteur possède ces renseignements, qu'il veuille bien les communiquer. Cette expérience rigoureuse permettra à nos élèves de mieux appréhender l'effet de serre de ce gaz, la démarche expérimentale étant toujours plus convaincante que l'affirmation du professeur.
BIBLIOGRAPHIE
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)
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.
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