Salut les Inphnautes !
Parmi les sujets urgents à transmettre au public non scientifique, il en est un qui est probablement en haut de la pile : le changement climatique. C’est un phénomène complexe à bien saisir. En plus des implications humaines et sociétales, il faut des notions de physique, de chimie, de biologie ou même d’histoire pour vraiment cerner le fond du problème. Aujourd’hui, on va essayer de comprendre ce qui se passe avec notre planète.
Un système thermodynamique
La première chose à comprendre, c’est l’échange de rayonnement et d’énergie entre le Soleil et la Terre, ce qui veut dire reprendre quelques bases de thermodynamique. Notre soleil émet du rayonnement sous forme de lumière visible, donc de photons. Aussi contre-intuitif que cela puisse paraître, sa température de surface aux alentours de 5700° K nous indique qu’il émet majoritairement du rayonnement de couleur verte (hé oui !), avec un pic à une longueur d’onde (λ) d’environ 500 nm, soit une fréquence d’environ 6 x 1014 Hz.
On peut alors déduire que l’énergie d’un photon reçu par la Terre est d’environ 4.10-19 Joules. Gardons cette valeur en tête.
Détail mathématique : Relation de Planck-Einstein
En utilisant la relation de Planck-Einstein, on peut calculer l’énergie reçue pour 1 photon :
E= hf
E est l’énergie
h est la constante de Planck, qui vaut environ 6,626 × 10−34 Joules/Seconde
f est la fréquence du rayonnement en Hertz.
L’Énergie est donc de
E = 6,626.10-34 x 6 x 1014 Hz
E ≃ 4.10-19 Joules
Le système Terre-Soleil pouvant être considéré comme un système isolé, il doit alors respecter – entre autres – les deux premiers principes de la thermodynamique, à savoir que l’énergie globale du système doit être conservée, mais qu’elle doit aussi se disperser de façon à ce que l’entropie soit positive.
La terre va donc à son tour réémettre un rayonnement sous forme de photons, mais qui lui se fera dans l’infrarouge. Ce rayonnement connait un pic autour des longueurs d’onde de 10 μm, soit une fréquence de 3.1013 Hz.
On trouve alors, pour chaque photon émis une énergie de 2.10-20 Joules. C’est à dire 20 fois moins que l’énergie d’un photon reçu !
Détail mathématique : Relation de Planck-Einstein
On reprend la même formule que précédemment
E = hf
E = 6,662.10-34 x 3.1013
E ≃ 2.10-20 Joules
La terre va donc devoir émettre 20 photons infrarouges pour 1 photon « vert » reçu, pour que le premier principe soit respecté. L’énergie va donc être fortement dispersée ou, pour le dire autrement, l’entropie va devenir colossale; le second principe est alors également respecté. On va voir que cela va avoir un importance considérable.
Entropie et apparition de la vie
L’entropie doit être globalement positive (ou nulle) pour un système isolé (dS ≥ 0). Le système Terre/Soleil, nous venons de le voir, a une entropie gigantesque, mais cela n’interdit pas, ponctuellement, à l’entropie d’avoir des valeurs positives. Au contraire, l’entropie positive globale compense largement ces fluctuations négatives ponctuelles. Et c’est précisément ce que l’on constate à la surface de la Terre.
En effet, par endroits, l’entropie a des valeurs négatives (dS ≤ 0). On parle alors de néguentropie (ou entropie négative). Mais comment interpréter ce phénomène ? Cela voudrait dire que l’énergie, au lieu de se disperser, se concentre ? Que des systèmes s’organisent spontanément ?
Précisément. C’est ce qui se passe. Et si en physique on parle de système qui s’organise spontanément, en biologie, on donne à ce phénomène un autre nom : la vie.
L’apparition de la vie sur Terre est, en effet, due à ce fragile équilibre thermodynamique entre la Terre et son étoile. Et nous allons voir que pour préserver cette vie, il va falloir prendre soin de cet équilibre.
L’effet de serre
Notre Lune est située, en moyenne, à la même distance du Soleil que la Terre, soit 1 UA. Sa température moyenne de surface est d’environ -20°C. La température moyenne de la Terre, en revanche, se situe plutôt autour des 15°C. Ce qui semble indiquer que la distance et les échanges thermiques avec le Soleil ne suffisent pas à expliquer la température de la Terre. Quelque chose d’autre doit intervenir.
Ce « quelque chose » c’est notre atmosphère. Elle est composée à 99% de diazote (N2) et de dioxygène (O2). Autrement dit, c’est l’air que nous respirons. Dans le 1% restant, on trouve – entre autres – des gaz à effet de serre. Je ne vais ici en nommer que deux : la vapeur d’eau (H20) (en gros, l’humidité de l’air) et le dioxyde de carbone (C02).
Mais qu’est-ce qui fait qu’un gaz est un gaz à effet de serre ou non ?
Ce sont ses liaisons chimiques. Principalement, ce sont les liaisons O-H (oxygène-hydrogène) et C=O (carbone=oxygène) qui vont vibrer comme un ressort avec l’onde infrarouge et modifier la séparation entre les charges positives et négatives de la molécule, créant un moment dipolaire. C’est ça qui va retenir une partie du rayonnement (on parle d’absorbance) et en rejeter une autre partie vers l’espace (on parle de transmittance).
On voit que dans les molécules de diazote (N≡N) et de dioxygène (O=O) il n’y a pas de liaison O-H ni C=O. En revanche, la vapeur d’eau (O-H-O) a deux liaisons O-H et le dioxyde de carbone (O=C=O) possède deux liaisons C=O. Ce sont donc bien des gaz à effet de serre.
On voit sur le schéma ci-dessus, qui décrit la transmittance de l’eau en fonction de la longueur d’onde, qu’autour de nos fameux 10 μm, il y a des zones où la vapeur retient le rayonnement infrarouge dans l’atmosphère, et donc également, sa chaleur. C’est l’effet de serre « normal » qui permet à notre planète de disposer de températures favorables au maintien et au développement de la vie – autour de 15°C en moyenne.
La concentration de l’atmosphère en vapeur d’eau a en plus la merveilleuse propriété de s’auto-réguler grâce aux pluies et aux océans qui absorbent l’excédent d’humidité, mais nous allons voir qu’il y a un « mais »…
Ce que j’appelle plus haut « effet de serre normal » est l’effet de serre tel qu’on l’a connu à peu près jusqu’à la révolution industrielle, vers la fin du XVIIIème siècle. Car c’est à ce moment que tout à commencé à basculer.
Eunice Foote et John Tyndall
En 1856, Eunice Foote – née Newton (lointaine parente d’un certain Isaac) et 3 ans plus tard, John Tyndall vont être les premiers à théoriser l’effet de serre en observant comment la température de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone réagissent à la lumière du Soleil.
« L’atmosphère laisse entrer la chaleur solaire mais en contrôle la sortie, ce qui tend à l’accumuler à la surface de la planète »
John Tyndall
Ce qui est le plus étonnant dans leur découverte conjointe, c’est qu’une concentration infime de ces gaz à effet de serre dans notre atmosphère semble suffire à avoir des conséquence notables. Par exemple, au moment de leur découverte, la concentration de CO2 dans l’atmosphère est inférieure à 300 ppm. Les « ppm » sont des « parts par million ». 1 ppm est alors équivalent à 0.0001%, et 300 ppm représentent donc une concentration de 0,03 %. Cela peut sembler dérisoire… et pourtant !
Svante Arrhenius, le prophète
En 1896, Svante Arrhenius, chimiste suédois, montre que la combustion de matières fossiles comme le pétrole ou le charbon pourrait produire une concentration suffisante de CO2 dans l’atmosphère pour générer un effet de serre (hot-house effect), délétère pour la vie sur Terre.
Malheureusement, le processus est déjà enclenché. La révolution industrielle bat son plein et les énergies fossiles commencent à être largement exploitées…
La révolution industrielle
A la fin du XVIIIème siècle et surtout au début du XIXème siècle, la société alors majoritairement agricole va peu à peu glisser vers une production mécanisée. L’amélioration de la machine à vapeur par James Watt transforme le monde. Mais celle-ci s’alimente au charbon et, nous l’avons vu, le charbon, quand il brûle, rejette énormément de CO2. Les taux de CO2 dans l’atmosphère qui jusqu’alors se confinaient autour des 280 ppm s’envolent de façon exponentielle à partir des années 1850 pour atteindre la valeur de 426 ppm en 2025.
En observant les cernes des arbres et des carottes de glace, on peut remonter le film de notre atmosphère très loin et dresser alors un graphique inquiétant de la concentration en CO2 dans l’atmosphère depuis l’antiquité :
Le verdict est sans appel, l’humanité est en train d’émettre suffisamment de dioxyde de carbone dans l’atmosphère pour courir à sa propre perte. Les niveaux atteints ces dernières années – malgré les rappels des nombreux scientifiques du GIEC – montent les curseurs de température : 1,5°C de plus qu’à l’ère agricole. Pour maintenir ce réchauffement sous la barre des 2° C, il faudrait réduire nos émissions de gaz à effet de serre de 80%. C’est déjà colossal et cela pose d’autres problèmes conséquents.
Un réchauffement qui s’auto-alimente
Plus la Terre se réchauffe… plus la Terre se réchauffera !
D’une part, l’augmentation des températures va entrainer une fonte des glaces et des neiges polaires. Or la neige a un indice albedo très élevé (0,9), ce qui veut dire qu’elle reflète 90% de la lumière qu’elle reçoit, et donc 90% du rayonnement solaire. Mais si la neige fond à cause du réchauffement, elle renvoie moins de rayonnement, et le serpent du réchauffement se mord la queue.
D’autre part, plus inquiétant encore et trop souvent oublié, nous avons vu tout à l’heure que la concentration de vapeur d’eau dans l’atmosphère – l’humidité – se stabilise d’elle même et qu’elle ne pouvait dépasser un certain seuil. Sauf si… on augmente la température de l’atmosphère. Une atmosphère chaude peut contenir plus d’humidité, et donc plus de vapeur d’eau, ce qui amplifie encore l’effet de serre. Mais, ce n’est pas le pire…
L’indice Humidex
L’indice humidex est plutôt utilisé au Canada et donne une idée de la température ressentie en prenant en compte la température réelle et le taux d’humidité. L’indice exprime cette température ressentie en °C.
On voit par exemple sur ce tableau qu’à une température 33°C et à 70% d’humidité, le corps humain subit les même contraintes qu’à 47°C ! En effet, quand il fait chaud, nous transpirons pour refroidir notre corps. Mais plus l’air va être humide, moins notre transpiration sera efficace et moins nous maintiendrons notre corps à 37°C.
On peut y voir un maximum de 52°C ressentis à Lacanau.
Les conséquences ?
Pour les humains et les êtres vivants : une hyperthermie qui affectera les populations les plus fragiles, allant du coup de chaud jusqu’au risque de décès.
Pour les écosystèmes : prolifération de maladies, d’algues, de champignons, dérèglement des cycles biogéochimiques (cycles du carbone et de l’azote), sécheresses, récoltes perdues, famines, etc.
Vénus et la Terre
En guise de conclusion, je voudrais vous parler à nouveau de la planète Vénus. Vénus est plus éloignée du Soleil que Mercure. Pourtant, sa température moyenne est de 465°C, contre « seulement » 180°C pour Mercure.
Qu’est-ce qui augmente autant la température de Vénus ? Son effet de serre dû à une atmosphère principalement composée de CO2. Ce dioxyde de carbone provient des roches carbonées de Vénus qui ont subi un réchauffement climatique et ont été libérées.
Il y a autant de dioxyde de carbone dans l’atmosphère de Vénus qu’il n’y en a emprisonné dans les roches carbonées terrestres ! Le destin climatique de Vénus pourrait bien un jour être le nôtre si nous ne faisons rien pour stopper nos émissions de gaz à effet de serre.
« La possibilité d’un emballement de l’effet de serre doit nous inciter à la prudence. Une simple augmentation d’un ou deux degrés de la température mondiale peut avoir des conséquences catastrophiques »
Carl Sagan
Cette phrase date de 1980. En 2025, nous sommes entre ces « un ou deux degrés » et la catastrophe est amorcée. Nous pouvons encore agir, et nous le devons.
A bientôt les Inphinautes.
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