L’effet de serre en examen

Les médias parlent souvent de l’effet de serre, au point que tout le monde croit savoir ce que c’est. En réalité c’est souvent confus.

Je vais entrer de plein pied dans le vif du sujet, je vais être précis.

Que voit-on dans cette vidéo ? La scène se passe dans une serre, où il fait vraisemblablement très chaud. Ce court métrage est sans paroles, ce qui fait que ce qui est visuel peut être interprété de façon subjective, car la vidéo reste évasive, sans renseignement précis, sans information structurée.

Les métaphores et les analogies sont un risque dans la vulgarisation scientifique. Il est pourtant nécessaire d’expliquer le comment des choses observées, et faire la distinction entre différents phénomènes distincts.

Dans une serre dont les parois sont en verre, la température intérieure augmente sous l’effet du rayonnement solaire. C’est un fait. La lumière du spectre visible traverse le verre qui est transparent. Les objets sombres dans la serre (la terre elle-même, ou le revêtement plastique noir) absorbent le rayonnement reçu et le réémettent sous forme de rayonnement thermique (infrarouge). Or, le verre est un matériau isolant, c’est un mauvais conducteur de la chaleur : le verre est transparent pour le spectre visible de la lumière, mais il est opaque aux rayons infrarouges. Ainsi, la serre retient la chaleur à l’intérieur.

J’avais réalisé une expérience il y a environ 4 ou 5 ans. Avec un détecteur de présence (détecteur infrarouge), cet appareil détectait ma présence en l’absence de filtre intermédiaire entre l’appareil et moi, mais il ne détectait rien quand je plaçais un grand verre entre l’appareil et moi. Cela prouve que les rayons infrarouges ne traversent pas le verre.

Lorsque le chimiste suédois Arrhénius a choisi d’appeler «effet de serre» le phénomène d’absorption du rayonnement solaire par certains gaz (CO2, méthane, etc), il s’agit d’une analogie trompeuse. Ce n’est pas le même phénomène.

Dans une serre, c’est tout le spectre infrarouge qui est retenu à l’intérieur de la serre.

En ce qui concerne les gaz dits à effet de serre (GES), au niveau spectrographique, les molécules comme le CO2 ou le méthane n’absorbent qu’une étroite marge de longueur d’onde du rayonnement infrarouge, donc pas la totalité du rayonnement thermique. Ce qui est différent.

En continuant à visionner la vidéo, on constate que la personne introduit un thermomètre dans un gobelet d’eau, et un autre thermomètre dans un gobelet rempli de terre, le tout exposé au soleil. Ces thermomètres sont eux-mêmes sous le rayonnement du soleil pour leur partie émergée, ce qui est un biais expérimental dans une certaine mesure, quand le thermomètre chauffe de lui-même. Mieux vaudrait peut-être enfoncer complètement les thermomètres dans chaque matériau à tester. À la fin de la vidéo, la personne s’aperçoit que le gobelet de terre est celui qui a subi la plus forte élévation de température.

Comment évaluer quantitativement ce résultat avec l’expérience des gobelets ?

  • La capacité calorifique massique de l’eau est de 4185 J par kg par kelvin. Celle de l’humus est de 1965 J par kg par kelvin. La masse volumique de l’eau vaut 1000 kg/m³ et celle de l’humus vaut 1200 kg/m³. On suppose que chaque gobelet utilise des volumes équivalents de matériaux (l’eau liquide, et l’humus, séparément). On va supposer que chaque gobelet est cylindrique, de rayon 5 cm, et la hauteur de chaque matériau dans chaque gobelet est 10 cm. À partir de ces données, le calcul de thermodynamique indique que si on expose les gobelets à un rayonnement solaire moyen pendant une heure, alors l’élévation de température est de 3,3°C pour le gobelet d’eau liquide, et de 5,8°C pour le gobelet d’humus.
  • Dans la vidéo, on voit que la température du gobelet d’eau est de 28°C, et celle du gobelet d’humus atteint 30 à 31°C. Soit environ 2 à 3°C de différence, alors que la température initiale est la même pour les deux gobelets. Ce qui est cohérent avec le calcul ci-dessus.

L’expérience des gobelets met en exergue une propriété thermodynamique des matériaux : la capacité calorifique massique.

Où je veux en venir ? Hé bien, je vais vous le dire :

  • Dans la vidéo, en aucun cas l’on n’a vu un exemple concret et explicite qui concerne les gaz à «effet de serre». La vidéo n’a fait qu’illustrer le rôle du verre en tant qu’isolant thermique, ainsi que la convection thermique de l’air confiné en intérieur, et mis en évidence des propriétés de matériaux comme l’eau et de la terre. Mais aucun exemple sur des gaz… Rien sur les gaz comme le dioxyde de carbone.

Dans le cadre du réchauffement climatique, où l’on dit que la Terre (son atmosphère plutôt) se réchauffe à cause des GES, une expérience avec des gaz aurait été mieux appropriée qu’une analogie avec l’exemple d’une serre. Le CO2 n’est pas intervenu une seule fois dans la vidéo. Or dans le cadre où l’on chercherait à prouver que des gaz sont des gaz à « effet de serre », tout en faisant des expériences qui n’ont rien à voir avec des gaz eux-mêmes, je trouve ça choquant, quand même…

Cependant, l’intérêt de la vidéo montre la preuve de ce que l’on appelle l’îlot thermique urbain : des matériaux exposés au soleil se mettent à chauffer, surtout s’ils sont noirs (meilleur absorption) ou s’ils sont métalliques (les métaux sont d’excellents conducteurs thermiques). Une plaque en acier peinte en noir dépasse nettement les 53°C en plein soleil, quand la température de l’air à l’ombre est de 27°C (j’ai expérimenté moi-même). Ces matériaux échaudés (métaux, plastique noir, terrasse en calcaire, bitume, asphalte…) échauffent eux-mêmes l’air ambiant dans les zones urbanisées. Indépendamment des effets du CO2.

Pour reparler de la serre de verre, outre le rôle d’isolant thermique du verre, il y a autre chose : l’air à l’intérieur de la serre est confiné, la température ne peut que s’élever. En ce qui concerne l’atmosphère terrestre, avec son oxygène, son azote et le CO2, il n’y a pas confinement d’air, l’air est libre de circuler. Une serre empêche les échanges thermiques, comme si on était enfermé dans une bouteille de verre. Mais l’atmosphère n’a ni membrane, ni paroi, elle est directement en contact avec l’espace. Comme on le sait avec la poussée d’Archimède : un gaz devient moins dense quand il est chauffé, il s’élève en altitude, puis il se refroidit en altitude, et l’air refroidi redescend, c’est la convection. Un gaz chauffé finit par refroidir grâce à la convection, puisque l’atmosphère n’est naturellement pas enfermée comme dans une serre de verre ou de plexiglas. C’est parce que la serre est un milieu fermé qu’elle conserve son air chaud.

Quand il fait très chaud, j’ai souvent remarqué que les orages survenaient après, et que la température chutait quand la pluie d’orage était soudaine et forte. L’atmosphère terrestre s’autorégule. Tandis qu’une serre est un milieu fermé.

 

 

 

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Je vais faire de l’humour noir, je suis désolé mais je le dis (pour lire, surligner avec la souris ci-dessous) :

S’il pleut des avions en ce moment, dans l’Océan Indien, en Ukraine ou au Sahara, c’est peut-être parce qu’ils ont percuté la paroi d’une serre qui surplombe l’atmosphère terrestre ?

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© 2014 John Philip C. Manson

 

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Une planète géante avalée en direct par un trou noir ?

On lit dans l’article en lien que des astronomes ont auraient observé un trou noir qui avale une planète géante.

L’examen de la vidéo montre que c’est une simulation, c’est-à-dire une sorte de dessin animé ou une «vue d’artiste» comme on en voit habituellement dans la presse de vulgarisation scientifique. Je trouve que les vues d’artiste sont des représentations vulgaires et biaisées de la réalité ; je préfère de loin les photographies ou les images du spectre infrarouge qui sont fidèles à la réalité (surtout quand il s’agit des images prises par le télescope spatial Hubble).

Le premier paragraphe de Maxisciences décrit le trou noir comme si c’était un volcan en réveil, c’est ce que cela suggère implicitement. La description ne correspond donc pas à l’astrophysique des trous noirs telle qu’on la connaît dans le cadre de la relativité générale. Un trou noir absorbe la matière à sa portée dès que ce trou noir s’est formé par effondrement gravitationnel sur lui-même, l’assimilation de matière par un trou noir est continuelle, elle n’a aucun phase de repos ni de réveil…

Dans le deuxième paragraphe, cela parle du satellite INTEGRAL. Celui-ci existe bien : c’est le «International Gamma Rays Astrophysics Laboratory», un satellite de 3 tonnes et demie. (http://fr.wikipedia.org/wiki/International_Gamma-Ray_Astrophysics_Laboratory). Il faut préciser que ce satellite ne permet pas des observations dans le spectre visible, il est un détecteur de rayons gamma et X.

Détection de planète avalée par un trou noir, ou alors il s’agit d’un autre événement ?

La chronique récente de l’astrophysique a évoqué l’hypothétique découverte de la matière noire sur la base de détection de positrons (anti-électrons = antimatière). Mais pas de planète géante a priori. L’instrument SPI du satellite  INTEGRAL a permis de réaliser une carte de la distribution des émissions de rayons gamma à 511 keV (kilo-électronvolts) qui sont produits lors de l’annihilation positron/électron. Les scientifiques ont ainsi pu déterminer qu’environ la moitié de l’antimatière produite dans la galaxie l’était par des trous noirs ou étoiles à neutrons arrachant de la matière à un compagnon de masse inférieure ou égale à celle du Soleil. Concernant la matière noire, toujours hypothétique, il faudra des preuves convaincantes. INTEGRAL, à ma connaissance, n’a pas détecté de planète géante. Et j’apprends aussi que la détection récente des positrons concerne le centre de notre propre Galaxie, donc pas NGC 4845. (http://smsc.cnes.fr/INTEGRAL/Fr/lien3_res.htm)

Marek Nikolajuk est authentiquement un physicien polonais. Via le site internet de l’ESA, j’en apprends davantage : la galaxie NGC 4845 (à 47 millions d’années-lumière de nous) a émis des rayonnements à haute énergie. C’est cet événement inhabituel qui suggère l’idée inadaptée d’un «réveil». Les astronomes affectés à l’étude ont conclu à un objet substellaire comme cause du rayonnement, un objet ayant 14 à 30 fois la masse de la planète Jupiter. Ils n’évoquent pas une planète géante, ils décrivent l’objet comme étant plutôt une naine brune (une étoile avortée car peu suffisamment massive). (http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Black_hole_wakes_up_and_has_a_light_snack?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+google%2FqkAO+%28Science%29) Mais l’hypothèse d’une super-Jupiter n’est pas écartée.
Il est question ici d’un trou noir galactique de 300 000 masses solaires. Le retard de 2 ou 3 mois entre la brillance et l’atténuation des rayons gamma, selon moi cela pourrait peut-être dû à l’objet orbital qui perd peu à peu sa grosse atmosphère dans le trou noir, ce dernier subirait alors une augmentation de son moment cinétique, et dont la conséquence est un éloignement progressif de l’objet en orbite, augmentant du coup peu à peu sa période orbitale.
En savoir plus avec le spectre visible ? Très peu envisageable, étant donné la distance (47 millions d’années-lumière). On sait que le télescope spatial Hubble a une résolution d’image de 0,1 seconde d’arc. Si Hubble observait la galaxie NGC 4845, un zoom sur une distance de 47 millions d’années-lumière permettrait de pouvoir pixeliser des objets dont l’envergure est supérieure ou égale à 22,8 années-lumière. Une naine brune a un diamètre de plusieurs milliers de km, c’est ponctuel par rapport au pixel critique de 22,8 années-lumière. Il est donc impossible d’observer directement (dans le spectre visible) l’image de l’objet substellaire qui orbiterait autour du trou noir.
Le rayon de Schwarzschild du trou noir de NGC 4845 est d’environ 890 000 km, très inférieur aux 22,8 années-lumière qui forment le côté d’un pixel d’une image que pourrait faire le télescope spatial Hubble.
En revanche, on peut mesurer les rayons gamma. L’énergie d’un seul rayon gamma ou X suffit, à elle seule, d’avoir une information sur un événement en astrophysique qui soit capable d’initier une énergie élevée. Les rayons gamma ne sont pas là pour structurer une image comme une photo d’un objet lointain. L’info essentielle ici c’est l’énergie du rayonnement électromagnétique et celle des positrons mesurés.
Remarque : l’ESA indique que le trou noir aurait une masse de 300 000 masses solaires, tandis que Maxisciences rapporte qu’il serait de 100 000 masses solaires. Il y a une erreur. Pourquoi les rédacteurs ne se relisent-ils pas ? Bon allez, je l’avoue : j’aurais adoré être journaliste scientifique, l’astronomie est un sujet que je connais par cœur depuis 1985, je maîtrise l’astronomie même mieux que mon métier de formation (la chimie). J’estime que la rigueur, la passion des sciences et le sens critique font partie du métier de journaliste scientifique, c’est indispensable. Le mieux serait que les scientifiques eux-mêmes communiquent sur leurs propres découvertes, sans faire relayer les informations par des intermédiaires… Mais les scientifiques sont déjà très occupés.
Tout cela me fait penser à un jeu amusant : le téléphone arabe. (http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9l%C3%A9phone_arabe) Le jeu du téléphone arabe consiste à faire circuler rapidement de bouche à oreille à travers une file de joueurs, une phrase inventée par le premier d’entre eux puis récitée à voix haute par le dernier. L’intérêt du jeu est de comparer la version finale de la phrase à sa version initiale. En effet, avec les éventuelles erreurs d’articulation, de prononciation, les confusions entre des mots et des sons, la phrase finale peut être tout à fait différente de la phrase initiale. (« Nous sommes l’élite de la nation » pouvant devenir « Nous sommes l’hélice de la passion »). L’intérêt du jeu croît avec le nombre de joueurs et la complexité du message à échanger.
J’imagine une variante du téléphone arabe : le téléphone scientifique. Les règles sont les mêmes : on transmet la parole de bouche à oreille, mais en racontant à son voisin un résumé d’article scientifique, en prenant une source officielle (par exemple, l’ESA) comme texte d’origine. L’évolution de l’info retransmise d’une personne à l’autre est peu à peu dénaturée, le sens général du texte scientifique devient confus, évasif, abscons, simpliste, réducteur. Au pire, il devient bourré d’erreurs scientifiques. La perte de qualité de l’info dans le jeu du téléphone scientifique est proportionnelle à la complexité de la source d’origine et inversement proportionnelle au degré de connaissances scientifiques des participants du jeu.  Avec les médias modernes (notamment sur le web) qui s’improvisent dans le journalisme scientifique, la variante scientifique du téléphone arabe c’est ce qui se passe tous les jours. Sans recul critique, les lecteurs (et les rédacteurs aussi) peuvent ne pas déceler des erreurs, et considérer celles-ci comme étant des infos fiables… Pourtant, et j’ai des preuves dans mon blog, l’information est faillible : lire ceci https://jpcmanson.wordpress.com/2012/12/28/une-erreur-dans-un-livre-de-thermodynamique-pour-ingenieurs/ et cela https://jpcmanson.wordpress.com/2011/12/03/les-encyclopedies-sont-elles-sans-erreurs-et-infaillibles/ L’erreur est humaine, persévérer est diabolique.  🙂
L’information scientifique c’est faillible, c’est comme la viande de cheval dans les lasagnes de bœuf. C’est pour cela qu’il faut toujours faire des analyses.
cheval
© 2013 John Philip C. Manson