Milankovitch : l'homme qui a résolu l'égnime de l'âge de glace

La discussion sur l'origine des variations passées du climat ne s'arrête pas avec Arrhenius. Et après ce long article consacré à ceux qui tentent de les expliquer par la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère, il est temps de laisser la parole à la partie adverse : les tenants de la théorie astronomique des climats. S'il ne l'a pas inventé, un homme a particulièrement laissé sa marque dans ce domaine : l'ingénieur serbe Milutin Milanković.


Un scientifique dans la tourmente des Balkans


Milankovitch naît en 1879 dans un village situé sur la frontière actuelle entre la Croatie (qui bénéficie alors d'une demi-autonomie dans l'empire austro-hongrois) et la Serbie. Dans la mozaïque ethnique que sont les balkans, Milankovitch est serbe mais voit le jour du coté croate de la frontière, le détail va avoir son importance...
Issu d'une famille relativement aisée mais de santé fragile, Milankovitch passe sa scolarité partiellement à domicile. A 17 ans, il s'installe à Vienne pour poursuivre des études d'ingénieur. Après son service militaire, il s'endette le temps d'obtenir son doctorat. En 1904, il soutient une thèse de génie civil.

L'ingénieur serbe Milutin Milankovitch a expliqué les périodes glaciaires par la variation des paramètre astronomiques de la terre
Milankovitch entame une belle carrière dans la construction. Il réalise ponts et barrages partout dans l'empire austro-hongrois, publie abondamment et dépose 6 brevets. Mais, peut-être par élan nationaliste, il abandonne cette profession et Vienne en 1909 pour la chaire de mathématique de l'Université de Belgrade. Il y restera 46 ans.
C'est là qu'il commence à s'intéresser au climat et plus particulièrement, comme pour presque tous ces prédécesseurs, à l'explication des périodes glaciaires. Reprenant les travaux existants, il constate qu'il s'agit le plus souvent de spéculations laissant peu de place à l'analyse mathématique. Le jeune ingénieur entreprend alors de donner une base rigoureuse à l'étude du climat.
Son but est de parvenir à un modèle mathématique liant le climat terrestre à l'ensoleillement et donc à la position de la terre par rapport au soleil. Objectif extrêmement ambitieux, qui, il l'espère, "permettra la reconstruction des climats passés de la terre, et aussi la prévision des climats futurs et nous fournira les première données fiables sur le climat des autres planètes". Il publie son premier article sur le sujet, intitulé Contribution à la théorie mathématique du climat, en 1912.

C'est ici que, comme des millions d'hommes et de femmes, le jeune scientifique est rattrapé par l'histoire. Le 14 juin 1914, Milankovitch se marie et part pour sa lune de miel dans son village natal. Mais le 28 juin, l'archiduc François-Ferdinand est assassiné à Sarajevo par un nationaliste serbe, déclenchant la crise de juillet et précipitant l'Europe vers la guerre.
Milankovitch qui se trouve en territoire austro-hongrois est aussitôt arrêté et emprisonné à la forteresse d'Osijek. Dans les bagages qu'il a pu emporter : son travail sur le climat, du papier et un stylo...

Pendant ce temps, sa femme se rend à Vienne pour plaider la cause du jeune savant. Elle obtient sa libération, à condition qu'il s'éxile à Budapest. Là Milankovitch poursuit ses travaux. En 1916, il publie une étude du climat de Mars. Il calcule aussi la température de Vénus, Mercure et de la lune.

En 1919, Milankovitch revient à Belgrade et reprend sa carrière universitaire. L'année suivante, il publie en français un livre récapitulant ses recherches sur le climat : Théorie mathématique des phénomènes thermiques produits par la radiation solaire.
Comme dans le cas d'Arrhenius, il faut souligner les dimensions herculéennes de ce travail à une époque où l'informatique n'existe pas encore : en 1923, il faut 100 jours de calculs à Milankovitch pour dessiner la courbe d'insolation sur les 650.000 dernière années ! Mais au terme de ces efforts l'objectif est atteint : les courbes font apparaître une nette corrélation entre l'insolation aux moyennes latitudes de l'hémisphère nord et les périodes glaciaires.

Une des courbes d'insolation publiées par Milankovitch en 1924

Dans les années 1930, Milankovitch abandonne un temps le climat pour s'intéresser à la dérive des continents et au paléomagnétisme. Il y revient en 1939 lorsqu'il entreprend de rassembler son travail. Celui-ci parait dans un livre publié en 1941.
Pendant la Seconde Guerre Mondiale et l'occupation de la Serbie, Milankovitch se fait discret et travaille sur une biographie, qui parait en 1952. Il consacre les dernières années de sa vie à la vulgarisation et à l'histoire de science.

Milankovitch meurt d'une attaque en 1958.


La théorie astronomique du climat


Parmi les nombreux facteurs qui déterminent le climat terrestre, les paramètres astronomiques sont probablement les mieux maîtrisés et on le doit en grande partie à Milankovitch.
L'orbite de la terre n'est pas tout à fait régulière car elle subit, outre l'attraction du soleil, celle des autres planètes du système solaire et de la Lune. En se déformant, l'orbite terrestre modifie la façon dont le rayonnement solaire reçu par la terre est réparti dans l'espace et dans le temps, ce qui a une influence sur le climat.

Les paramètres de l'orbite terrestre, aussi appelés paramètres de Milankovitch, sont :
  • L'obliquité : l'obliquité de la Terre est l'inclinaison de la Terre par rapport au plan de l'ellipse. Cet angle entre son axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de son orbite est noté ε. Il est actuellement de 23°27 et varie de 22° à 24°30 environ avec une période de 41.000 ans. Ce paramètre détermine la position des tropiques (leur latitude est égale à l'obliquité) et les contrastes saisonniers (avec une obliquité nulle, il n'y aurait pas de saisons).
  • L'excentricité : l'orbite terrestre décrit une ellipse dont le soleil est un des foyer, selon les périodes cette ellipse peut être très proche d'un cercle (l'excentricité notée e, s'approche alors de zéro) ou légèrement plus aplatie (jusqu'à e=0.058). L'excentricité terrestre varie selon plusieurs cycles dont la période se chiffre en centaine de milliers d'année, actuellement elle est de 0.017. Si l'excentricité est nulle, toutes les saisons ont la même durée, lorsque l'excentricité est élevée certaines saisons sont plus longues.
  • La précession : l'axe de rotation de la Terre ne reste pas parallèle à lui-même, il décrit un cône dans le sens des aiguilles d'une montre et effectue un tour complet en 26.000 ans. La précession détermine la position de la terre lors des équinoxes, lorsque l'excentricité est importante, c'est la précession qui détermine quelles saisons vont durer plus longtemps.

A partir de ces trois paramètres, Milankovitch calcule que les moyennes latitudes de l'hémisphère nord ont connu des minimums d'insolation il y a 23.000, 72.000 et 116.000 ans. Ceux-ci ont pu permettre à la neige accumulée pendant l'hiver de ne pas fondre en été, enclenchant une baisse de l'albédo terrestre et un refroidissement. Dans les années 70, les progrès de la paléoclimatologie ont permis de confirmer que les paramètres orbitaux et les paramètres climatiques présentent les mêmes périodicités.
Le modèle de Milankovitch permet de situer l'apparition d'âges glaciaires dans le passé comme dans le futur. On peut ainsi prévoir un nouveau maximum glaciaire dans 23.000 ans - si bien entendu les conditions restaient inchangées.

En effet, il est important de comprendre que, si les paramètres astronomiques semblent avoir été le facteur déterminant pour le déclenchement des périodes glaciaires à l'ère quaternaire, ils ne déterminent pas seuls le climat terrestre. Si c'était le cas, les périodes glaciaires devraient alterner entre l'hémisphère nord et l'hémisphère sud, or elles ont lieu simultanément dans les deux hémisphères. Pour une raison qui n'est pas encore totalement expliquée, l'hémisphère nord est capable "d'imposer" ses périodes glaciaires au sud.
De la même façon les paramètres astronomique ne peuvent pas expliquer des fluctuations rapides du climat comme les cycles de Dansgaard-Oeschger (dont je vous ai parlé dans une précédente série d'été).

Bref, les travaux de Milankovitch ne doivent pas faire oublier les mises en garde d'Arrhenius. D'autant que, à peu près à la même époque, l'ingénieur britannique Guy Callendar met pour la première fois en évidence une augmentation de la température terrestre depuis le début de l'ère industrielle. C'est ce dont nous parlerons la semaine prochaine pour le dernier épisode de cette série.

En attendant vous pouvez retrouver l'article de la semaine dernière sur Arrhenius, Hogböm et Ekholm ou revenir au sommaire de la série d'été sur les pionniers du climat, en cliquant ici.

Publié le 22 août 2017 par Thibault Laconde


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Arrhenius, Högbom et Ekholm : le clan des suédois

Si vous vous intéressez au climat, le nom de Svante Arrhenius ne vous est probablement pas inconnu : il est souvent cité comme le découvreur du réchauffement climatique pour avoir établi le premier modèle permettant d'évaluer l'effet de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère sur la température. En réalité cette découverte n'aurait pas été possible sans l'inspiration d'un autre suédois, le géologue Arvid Högbom. Le météorologue Nils Gustaf Ekholm mérite aussi une mention dans cette histoire.
A eux trois, Arrhenius, Högbom et Ekholm ont jeté les bases de la climatologie telle que nous la concevons aujourd'hui : une science tournée non seulement vers la compréhension du climat passé et présent mais aussi vers la prévision de ses évolutions futures.


Modélisation climatique et problèmes de couple


Svante Arrhenius a mis au point le premier modèle climatique en 1896
Physicien de formation, Svante Arrhenius (1859-1927) fait sa thèse en 1884 sur la conductivité électrique des solutions salines. Il obtient une note médiocre qui met temporairement un terme à l'espoir d'une carrière académique dans son pays natal. Après deux années à vivoter chez ses parents, il se décide à s'expatrier et part occuper divers postes dans des laboratoires en Allemagne, en Autriche et aux Pays Bas. C'est au cours de cette période qu'il formule sa théorie de la dissociation, qui lui vaudra, en 1903, le troisième Prix Nobel de Chimie.
En 1891, il rentre en Suède après avoir obtenu un poste d'enseignant à la Stockholms Högskola, la future université de Stockholm qui n'est encore qu'une institution privée ne délivrant pas de diplôme. Là, il se désintéresse assez vite de la chimie physique pour se tourner vers la géophysique et l'astronomie.

En 1895, Arrhenius commence à griffonner sur des pages et des pages ce qui va devenir le premier modèle climatique de l'histoire. A l'époque, il n'y a évidemment pas d'ordinateur et il faut faire à la main plusieurs dizaines de milliers de lignes de calculs.
La petite histoire raconte qu'Arrhenius aurait entrepris cette tache si fastidieuse et éloignée de ses autres recherches pour s'occuper l'esprit dans une période difficile de sa vie personnelle. Je n'ai rien trouvé qui permette de le confirmer mais les dates concordent à peu près : en 1894, Svante Arrhenius a épousé une de ses étudiantes, Sofia Rudbeck, mais le mariage tourne rapidement au vinaigre. Sofia quitte le domicile conjugal à l'automne 1895 et accouche seule d'un fils. Mi-1896, le divorce est prononcé.

Quoiqu'il en soit, voici Arrhenius en train d'évaluer avec un niveau de détail jamais atteint auparavant l'influence du dioxyde de carbone sur la température terrestre.
Bien que simpliste comparé aux modèles que nous utilisons aujourd'hui, le calcul d'Arrhenius partage avec ses lointains descendants deux caractéristiques qui sont à l'époque révolutionnaires. D'abord, il est le premier à prendre en compte une rétroaction : un air plus froid contient moins de vapeur d'eau, celle-ci étant également un gaz à effet de serre le refroidissement s'en trouve accentué (et vice-versa). Arrhenius a aussi compris que l'albédo terrestre peut être une source de rétroaction mais n'est pas parvenu à l'intégrer dans ses équations. Autre progrès remarquable : le calcul se fait par période de trois mois sur un globe divisé en cases de 10° en latitude et 20° en longitude, l'évaluation de la température est donc saisonnière et régionale et plus seulement globale.
Comme Fourrier, Foote ou Tyndall avant lui, Arrhenius cherche avant tout à comprendre les périodes froides qui ont précédé le développement de l'humanité. Il arrive à la conclusion qu'une variation de la concentration en dioxyde de carbone de l'ordre de 40% peut expliquer les fluctuations de température entre périodes glaciaires et inter-glaciaires.


Des refroidissements passés aux réchauffements futurs


Mais est-il envisageable que la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ait été deux fois moins importante qu'aujourd'hui dans le passé ? C'est ici que notre deuxième personnage entre en scène.

Le géologue Arvid Hogbom a compris que les émission de CO2 humaines étaient significatives par rapport aux variations naturelles
Arvid Högbom (1857-1940) est un géologue qui, de fil en aiguille, est passé progressivement de l'étude des roches calcaires à celle du cycle du carbone. A la suite de ses travaux, il a probablement été le premier à comprendre que les activités industrielles, qui se développent avec la Révolution Industrielles, rejettent du CO2 en quantités significatives comparées aux variations naturelles. Dans les années 1890, Hogböm estime ainsi que la combustion de charbon émet chaque année 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone.
C'est pourquoi, lorsque Arrhenius vient le voir pour lui demander si il est possible que la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ait varié suffisamment pour expliquer les glaciations, Högbom lui suggère de retourner la question : une augmentation de la concentration en CO2 pourrait-elle réchauffer la planète ?

Arrhenius reprend ses calculs et, en 1896, il présente son travail dans une conférence à la Högskola. Il estime qu'un doublement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère entraînerait une hausse de la température de 4 à 6°C selon la latitude à laquelle on se situe. Compte-tenu de l’absorption du dioxyde de carbone par les océans et du rythme auquel, à l'époque, le charbon est brûlé, il prévoit que ce niveau pourrait être atteint au bout d'environ 500 ans. Il ne voit cependant aucune raison de s'inquiéter de ce changement de climat qui "permettra à nos descendants, même si ce n'est que dans un lointain futur, de vivre sous un ciel plus chaud et dans un environnement moins hostile que celui qui nous a été donné". Rappelons-le : Arrhenius est suédois...

Les études actuelles estiment qu'un doublement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ferait augmenter la température moyenne entre 2 et 4.5°C. L'ordre de grandeur obtenu par Arrhenius était donc correct même si cela ne doit pas faire oublier les failles de son modèle. L’intérêt de son travail n'est de toute façon pas dans ces chiffres, il est d'avoir montrer qu'une variation de la quantité de dioxyde de carbone pouvait entraîner une modification significative de la température terrestre. Et d'avoir attiré l'attention sur cette possibilité.


La saturation de l'effet de serre : première controverse climatique


A l'époque la cause de périodes glaciaires est un sujet débattu avec passion non seulement en Suède mais dans toutes les grandes académies scientifiques. Arrhenius va s'efforcer de faire connaître ses résultats, notamment en les publiant en anglais et en allemand, et il n'est pas surprenant qu'ils aient donné lieu à controverses.
L'une des plus violentes oppose Arrhenius à son compatriote Knut Ångström (le fils de Anders Jonas Ångström) autour d'une argument qui un siècle plus tard est toujours un classique de la littérature climatosceptique : le dioxyde de carbone ne peut causer un réchauffement de la planète parce que l'effet de serre est saturé.

Ångström a fait mesurer par un de ses assistants l'absorption du dioxyde de carbone pour des concentration proches de celle de l'atmosphère. Il constate alors que la quantité de rayonnement infrarouge absorbée varie peu avec la concentration. Dans deux articles publiés en 1900 et 1901, il en tire la conclusion que la concentration actuelle en CO2 est déjà suffisante pour rendre l'atmosphère complètement opaque au rayonnement infrarouge dans ses bandes d’absorption. Par conséquent, affirme-t-il, une hausse de la concentration n'aurait aucun effet et une baisse devrait être très importante pour entraîner une chute de la température.
L'observation d'Ångström est correcte. Elle n'est d'ailleurs pas nouvelle : Tyndall avait déjà noté qu'une simple trace de gaz à effet de serre suffisait à bloquer presque entièrement le rayonnement infrarouge. Alors est-ce déjà la fin de l'effet de serre et du réchauffement climatique ?

Le météorologue Nils Gustaf Ekholm explique pourquoi l'effet de serre n'est pas saturéNon. Comme l'explique dès 1901 le météorologue Nils Gustaf Ekholm (1848-1923), le raisonnement d'Ångström est faux parce qu'il oublie que les gaz à effet de serre réémettent l'énergie qu'ils absorbent.
Ce qui compte ce n'est donc pas de savoir si le rayonnement infrarouge émis par la surface est absorbé par l'atmosphère - en réalité, il l'est presque intégralement. Ce qui compte c'est l’altitude à laquelle le rayonnement absorbé et réémis par les couches inférieures de l'atmosphère peut enfin s'échapper vers l'espace.  Comme nous l'avons déjà vu, pour que la Terre retrouve son équilibre thermique il faut que cette dernière couche de l'atmosphère atteigne une température qui équilibre le rayonnement reçu du soleil. En attendant, la planète gagne en énergie et se réchauffe. Ou pour reprendre les mots d'Ekholm : "le rayonnement de la Terre vers l'espace ne provient pas directement du sol mais en moyenne d'une couche de l'atmosphère qui se trouve considérablement au-dessus du niveau de la mer. [...] Plus l'air aura la capacité à absorber le rayonnement émis par la surface, plus cette couche se trouvera à une altitude élevée. Mais plus cette couche se trouvera à une altitude élevée, plus sa température sera basse comparée à celle de la surface, et comme le rayonnement de cette couche vers l'espace diminue avec sa température, il est inévitable que la surface soit d'autant plus chaude que la couche rayonnante est éloignée."

Malheureusement la clarification du travail d'Arrhenius par Ekholm a peu d'écho et pendant les première décennies du XXe siècle, la possibilité d'un réchauffement de la planète sous l'effet du dioxyde de carbone reste contestée au sein de la communauté scientifique. Cela n’empêche cependant pas cette thèse d'être largement diffusée et on en retrouve même la trace dans la presse généraliste de l'époque : c'est l'origine du fameux article de 1912 qui sert de prétexte à cette série.
L'impulsion des savants suédois a une autre limite : ceux qui, comme Arrhenius ou Ekholm, croient à la possibilité d'un réchauffement climatique anthropique n'y voient pas d'inconvénient. Ils savent pourtant bien que quelques degrés de moins suffisent à déclencher une ère glaciaire mais ils échouent à comprendre la portée cataclysmique de quelques degrés de plus. A l'époque, le chimiste allemand Walther Nernst propose même de brûler les réserves de charbon inutiles pour accélérer le réchauffement de la planète. En un siècle, les connaissances ont beaucoup progressé mais l'état d'esprit est toujours celui de Buffon

Pour aller plus loin, la communauté scientifique doit désormais acquérir une compréhension beaucoup plus fine du fonctionnement du système climatique et de ses variations passées. C'est dans ce domaine que va s'illustrer Milutin Milanković, l'homme dont nous parlerons la semaine prochaine.
En attendant vous pouvez retrouver l'article de la semaine dernière sur John Tyndall ou bien cliquer ici pour revenir au sommaire de la série d'été sur les pionniers du climat, cliquez ici.

Publié le 15 août 2017 par Thibault Laconde


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Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre

John Tyndall est souvent présenté comme le premier à avoir montré expérimentalement que le dioxyde de carbone absorbe le rayonnement infrarouge, donnant ainsi une base empirique à la théorie de Fourier sur l'effet de serre. Cette affirmation est un peu exagérée puisque, comme nous l'avons vu la semaine dernière, l'expérience de Eunice Foote en 1856 a précédé celle du physicien irlandais.
Mais même dépouillé de ce titre de gloire, Tyndall vaut qu'on s'arrête sur sa vie et ses travaux. Il a bien sur consacré plusieurs décennies à l'étude de l'atmosphère. Mais c'est aussi un véritable "self-made man" de la science, grâce à laquelle il a fait son chemin de la campagne irlandaise aux prestigieuses institutions londoniennes et bâti une petite fortune.


Scientifique self-made man


John Tyndall nait en 1820 dans le sud-est de l'Irlande au sein d'une famille relativement modeste : son père est un policier descendant d'immigrants anglais. Il fait de courtes études et, à 19 ans, il est embauché comme dessinateur par l'agence cartographique irlandaise, puis un peu plus tard par son homologue anglaise. En novembre 1843, il est licencié pour avoir signé une pétition réclamant une hausse des salaires.
Par chance, l'économie britannique est alors en pleine ébullition et Tyndall trouve dans le boom du chemin de fer l'occasion de rentabiliser son expérience topographique. L'année suivante, il est embauché par une société d’ingénierie ferroviaire ce qui lui assure un revenu confortable. Après 3 années de travail intensif, il a économisé suffisamment pour reprendre ses études.
A l'été 1848, il part pour la Hesse et s'inscrit à l'université de Marbourg - les laboratoires de chimie et de physique allemands étaient alors très en avance sur leurs homologues britanniques. Parmi ses professeurs, on trouve notamment Robert Bunsen (inventeur des becs du même nom) et Hermann Knoblauch, deux précurseurs dans l'étude du spectre électromagnétique. Lorsqu'il rentre en Grande Bretagne en 1851, Tyndall possède un doctorat et une excellente formation en physique expérimentale.
Après de premières publications sur le magnétisme, Tyndall est élu à la Royal Society en 1852, l'année suivante il obtient le prestigieux poste de professeur de physique à la Royal Institution.

Comme Saussure avant lui, Tyndall va tomber amoureux de la montagne et cela va durablement orienter ses travaux. Après une première visite des Alpes dans le cadre de ses recherches en 1856, il y retourna presque chaque année et finira par se construire un chalet en Suisse. Il participe à la première ascension du Weisshorn en 1861 et, en 1868, il fait partie de la septième cordée à atteindre le sommet du mont Cervin, un des plus difficiles des Alpes sur lequel il avait échoué en 1860 et 1862.

John Tyndall a prouvé que le CO2 est un gaz à effet de serreL'alpinisme va naturellement amener Tyndall à s'intéresser aux glaciers dont il cherche à expliquer la formation. C'est alors qu'il découvre les travaux de Fourier et Pouillet et qu'il entreprend, à la fin des années 1850, de prouver leur théorie.
Pour cela, Tyndall construit un des premiers spectromètres infrarouge. A l'aide de cet appareil, il montre sans ambiguïté que l'oxygène, l'hydrogène et l'azote laissent passer le rayonnement infrarouge mais que celui-ci est arrêté par le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, comme l'avait supposé Pouillet. Il en profite pour allonger la liste des gaz à effet de serre en démontrant que l'ozone, le méthane, l'éthylène, le monoxyde d'azote et quelques autres ont eux aussi la capacité à bloquer le rayonnement infrarouge même à faible concentration.

Ces découvertes sont détaillées en 1859 lors d'une conférence donnée à la Royal Institution et présidée par le prince Albert, le mari de la reine Victoria. Elles feront l'objet de plusieurs autres conférences et publications.
C'est en effet un des traits remarquable de Tyndall : il est autant chercheur que vulgarisateur professionnel. Il a écrit une vingtaine de livres, la plupart immédiatement traduit en français, et donné des centaines de conférences destinées au grand public - par exemple ses "leçons de Noel" devant un public d'adolescents. Autant d'activités qui participent à la diffusion de ses recherches, assurent sa renommée et génèrent des revenus considérables. En 1872, par exemple, Tyndall fait une tournée de conférences aux États-Unis pour laquelle il perçoit 23.100$, l'équivalent de près de 400.000€ actuels...

Tyndall se retire progressivement dans les années 1880 pour s'installer à la campagne dans le sud-ouest de Londres. C'est là qu'il meurt en 1893 d'une overdose de somnifère.


Le spectroscope de Tyndall


Tyndall n'est pas un théoricien. Confronté à une question, il cherche avant tout l'expérience qui lui permettra de la résoudre et s'efforce de la mettre en place. C'est ainsi, par exemple, qu'il a compris que le ciel apparait bleu parce que les particules de l'atmosphère diffusent la lumière reçue du soleil : il a découvert ce phénomène, qui porte le nom d'effet Tyndall, simplement en injectant de la fumée dans un tube traversé par une lumière blanche...

Pour l'effet de serre, ce sera un peu plus compliqué... Le point centrale de la théorie de Fourier-Pouillet, c'est que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau sont capables d'absorber le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Pour confirmer ou infirmer cette hypothèse, il faut donc trouver un moyen de mesurer l’absorption d'un rayonnement infrarouge par un gaz. Pour cela, Tyndall conçoit un système assez imposant :
Explication de l'expérience de Tyndall sur les gaz à effet de serre
Le fonctionnement est le suivant : le gaz à étudier se trouve dans le conteneur (marqué G sur le schéma), il est relâché, via un dispositif de filtrage, dans le tube où le vide a préalablement été fait grâce à une pompe à vide (A). L'intérieur du tube doit être parfaitement poli de façon à refléter le rayonnement sans l'absorber.
Le rayonnement infrarouge est émis par un source (appelée cube de Leslie) chauffée (C), il traverse le tube et atteint une photopile différentielle (P).
Cette photopile produit un courant fonction de la différence entre le rayonnement reçu par la droite, via le tube, et par la gauche depuis une autre source (C'). Ce système permet de calibrer la mesure : l'écran (H) est positionné de telle façon que le courant produit par la photopile soit nul avant le début de l'expérience.
Après injection du gaz dans le tube, le courant produit par la photopile peut être lu grâce à un galvanomètre (N).

Le spectromètre de Tyndall n'est pas le premier : les physiciens italiens Macedonio Melloni et Leopoldo Nobili ont mis au point un système comparable dès les années 1830 pour l'analyse spectrale de liquides et de solides. Cependant la spectrométrie des gaz pose de nouveaux problèmes qui mettront à l'épreuve l'inventivité de Tyndall.
Par exemple, il faut fermer les extrémités du tube mais il faut évidemment le faire avec un matériaux qui n'absorbe pas le rayonnement infrarouge. Ce qui exclut le verre. Tyndall choisit de fermer son tube avec des plaques de sel gemme. Mais encore faut-il trouver des cristaux qui soient suffisamment purs et grands. Tyndall en obtient d'abord un du British Museum mais il ne peut en tirer qu'une seule plaque. Après des recherches qu'on imagine assez laborieuses, il parvient à trouver deux autres cristaux, dont un morceau de sel qui lui est ramené d'Allemagne, assez pour préparer trois autres plaques.
Deuxième exemple : les gaz étant moins absorbants que les liquides, il faut une thermopile beaucoup plus précise. Mais cela augmente aussi le risque de perturbations : la thermopile de Tyndall est suffisamment sensible pour que le rayonnement infrarouge émis par le corps humain même à quelques mètres puisse fausser la mesure. Par conséquent, il faudra lire le résultat des expériences... grâce à un télescope installé de l'autre coté du laboratoire !

Signe de l'importance historique de cette expérience, la Royal Society de Londres expose encore parmi ses objets emblématique, le tube du spectromètre construit par Tyndall. Aujourd'hui, cependant, l'expérience de Tyndall peut être reproduite assez simplement. Cette vidéo explique comment faire.

Tyndall ne se contente pas vérifier que les spéculations de Fourier et Pouillet sont fondées, il est le premier à quantifier l'absorbance des gaz. Ces mesures lui permettent de déterminer que la vapeur d'eau est le plus important gaz à effet de serre et de comprendre son rôle central pour le climat : "Si, comme cette expérience le montre, la plus grande influence est exercée par la vapeur d'eau, toute variation de ce constituant doit produire un changement de climat. La même remarque peut s'appliquer à l'acide carbonique [dioxyde de carbone]".
Mais surtout les travaux de Tyndall ouvrent une nouvelle ère dans l'étude de l'effet de serre. Celui-ci est désormais un phénomène quantifiable, ce qui va permettre les premiers calculs et les premiers modèles climatiques. La semaine prochaine, nous verrons comment un groupe de scientifiques suédois a été pionnier dans ce domaine et montré, dès le tournant du XIXe siècle, la possibilité d'un réchauffement climatique causé par les émissions de CO2 humaines.

En attendant vous pouvez retrouver l'article de la semaine dernière sur Eunice Foote ou revenir au sommaire de la série d'été sur les pionniers du climat, en cliquant ici.

Publié le 8 aout 2017 par Thibault Laconde


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Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous

Au milieu du XIXe siècle, les théories de Fourier sur l'effet de serre et Pouillet sur le rôle du dioxyde de carbone sont bien établies sur le papier mais elles restent encore à prouver empiriquement. Même si peu de gens connaissent son nom, l'américaine Eunice Foote est la première à y être parvenue avec une expérience toute simple.
Aujourd'hui, nous parlons d'une femme, la seule de cette série, et d'une quasi-inconnue. Les deux ne sont probablement pas sans lien...


Une des premières femmes scientifiques américaines


Eunice Newton nait en 1819 dans une famille d'agriculteurs du Connecticut. Elle bénéficie d'une bonne éducation : entre 16 et 20 ans, elle fréquente l'école pour jeunes filles fondée quelques années plus tôt par Emma Willard (aujourd'hui Emma Willard School). En 1841, elle épouse Elisha Foote, juge et mathématicien amateur.

Eunice et Elisha partagent leur intérêt pour les sciences. En 1856, Eunice Foote et son mari présentent chacun leurs travaux sur le rayonnement solaire à la huitième réunion annuelle de l'AAAS, l'American Association for the Advancement of Science qui est aujourd'hui la plus grande société savante au monde.
Enfin "présente"... La tolérance de l'époque a ses limites : Foote, contrairement à son mari, n'est pas autorisée à parler elle-même devant l'assemblée, son mémoire est lu par un certain professeur Henry. Il est également oublié dans les actes de l’événement mais publié dans l'American Journal of Science and Arts.

Il n'existe pas de portrait connu d'Eunice FooteEn quoi consiste l'expérience décrite par Foote ? Elle prend deux grands tubes en verre dans lesquels elle a placé un thermomètre. Elle fait le vide dans un des deux tubes puis les expose tous les deux au rayons du soleil. Elle constate alors que la température augmente plus vite dans le tube contenant de l'air que dans celui qui est vide. Conclusion : l'air a la capacité à retenir l'énergie du rayonnement solaire, il n'est donc pas transparent pour la chaleur. Et voilà la preuve de la thèse de Fourier.
Cette propriété est-elle commune à tous les gaz ou, comme le pense Pouillet, propre à certains d'entre-eux dont le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau ? Pour répondre à cette question, Foote reprend ses deux tubes, le premier est toujours rempli d'air ambiant et dans le second elle met tour à tour de l'oxygène pur, de l'hydrogène, de l'air humide et du dioxyde de carbone. Elle constate alors que si le récipient contient de l'oxygène ou de l'hydrogène, il ne s'échauffe pas plus que celui contenant de l'air ordinaire. Par contre, la température augmente plus vite et reste plus longtemps élevée avec de l'air humide et surtout avec du dioxyde de carbone.
Foote vient de montrer que le dioxyde de carbone est bien un gaz à effet de serre. Elle conclut : "une atmosphère de ce gaz donnerait à la Terre une température élevée ; et si comme certains le supposent, à une période de son histoire l'air en a contenu une proportion plus importante qu'aujourd'hui [...] il a dû nécessairement en résulter une augmentation de  la température".

Eunice Foote continue par la suite à travailler sur d'autres sujets : elle fait au moins une deuxième publication (sur le comportement des gaz soumis à un courant électrique) quelques temps plus tard et devient membre de l'AAAS. Elle n'est que la deuxième femme à y être admise après l'astronome Maria Mitchell en 1850.
Foote et son mari son aussi engagés pour la cause des femmes : en 1848, ils participent à la Convention de Seneca Falls, un événement fondateur du mouvement féministe aux États-Unis.

Eunice Foote meurt en 1888.


Comment reconstituer l'expérience d'Eunice Foote 


Le travail d'Eunice Foote est tombé dans l'oubli et n'a été redécouvert qu'en 2011. Résultat : la première démonstration expérimentale de l'effet de serre est généralement attribuée à l'Irlandais John Tyndall en 1859.
Mais en plus d'avoir été la première, l'expérience de Foote est remarquable par sa simplicité. Alors que Tyndall devra mobiliser les dernières technologies de son époque, la démonstration de Foote peut être reproduite par n'importe qui... A une époque où certains responsables politiques affectent le doute sur le réchauffement climatique, ce serait dommage d'oublier qu'on peut montrer que le CO2 est un gaz à effet de serre... avec guère plus que deux pots à confiture !

Je me suis donc amusé à reconstituer l'expérience d'Eunice Foote et, que vous soyez enseignants, animateurs pédagogiques ou simples curieux, vous pouvez le faire à votre tour. Voici comment procéder.

Pour cette expérience, vous avez besoin de :
  • Deux grands récipients hermétiques en verre : Foote a utilisé des tubes d'environ 10cm de diamètre et 75cm de long, je me suis contenté de deux bocaux d'un litre disponibles dans le commerce
  • Deux thermomètres identiques si possible capables de monter à des températures assez élevées (de l'ordre de 50°C)
  • De quoi produire un gaz à effet de serre : Vous pouvez utiliser une pissette (ou en bricoler une comme moi avec une bouteille d'eau, une paille et un peu de pâte à coller) dans laquelle vous mélangez du vinaigre blanc et de la levure chimique pour produire du CO2, sinon vous pouvez prendre un siphon à chantilly avec une cartouche de protoxyde d'azote (qui est aussi un gaz à effet de serre)
  • Une belle journée ensoleillée

Étape 1 :

Mettez les deux récipients dans une endroit ensoleillé. Placez un thermomètre dans chaque récipient.
Reconstitution de l'expérience d'Eunice Foote sur l'effet de serre

Étape 2 :

Mélangez dans la pissette 10cL de vinaigre blanc et un demi sachet de levure chimique. La réaction va produire du dioxyde de carbone (attention elle peut être violente !). Placez l'embout dans un des deux récipients afin d'y augmenter la concentration en dioxyde de carbone : le CO2 est plus lourd que l'air, il n'est donc pas nécessaire que le récipient soit fermé pour le le CO2 s'y accumule.
Produire du dioxyde de carbone et prouver que c'est un gaz à effet de serre

Étape 3 :

Lorsque la réaction est terminée, fermez les deux récipients.
Expérience montrant que le CO2 fait augmenter la température de l'atmosphère
Vous avez donc deux récipients identiques avec le même thermomètre mais l'un contient de l'air ambiant l'autre un air enrichi en dioxyde de carbone.

Étape 4 :

Maintenant il ne vous reste plus qu'à relever la température dans chaque récipient toutes les deux ou trois minutes.
La température va augmenter dans les deux récipients mais vous constaterait qu'elle monte plus vite dans celui contenant plus de dioxyde de carbone. Au bout d'une dizaine de minutes l'écart devrait déjà être significatif : lors de son expérience Eunice Foote a trouvé une différence d'une dizaine de degrés, mais elle utilisait une pompe à vide pour obtenir une concentration beaucoup plus élevée en CO2. Pour ma part, j'ai obtenu une différence de l'ordre de 2°C.

Expérience d'Eunice Foote sur le climat
Températures au début
Comme le climat, le CO2 réchauffe l'air contenu dans un bocal
Températures 15 minutes plus tard environ (le bocal enrichi en CO2 se trouve à gauche)

Terminons en signalant une autre raison de s'intéresser à Eunice Foote : son travail montre qu'une scientifique amatrice sur le continent américain pouvait connaitre les théories de Fourier et Pouillet (peut-être indirectement puisqu'elle ne les cite pas). Les connaissances qui commencent à se mettre en place au XIXe siècle ne sont donc restées enfermées dans quelques laboratoires... Ce sera encore plus vrai après Tyndall, un grand vulgarisateurs qui a multiplié les conférences et livres pour présenter ses recherches. C'est l'objet du prochain épisode.


La semaine prochaine, nous parlerons donc de John Tyndall. En attendant vous pouvez retrouver l'article de la semaine dernière sur Fourier.
Pour revenir au sommaire de la série d'été sur les pionniers du climat, cliquez ici.


Publié le 1er aout 2017 par Thibault Laconde


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Fourier (annexe) : comment mettre en évidence théoriquement l'effet de serre

L'article de cette semaine dans ma série sur les pionniers de la climatologie était consacré à Joseph Fourier. On lui doit notamment d'avoir deviné l'existence de l'effet de serre en réalisant un bilan énergétique sommaire de la Terre.
Dans l'article, je ne suis pas entré dans les détails de cette démonstration mais il me semble intéressant de le faire en annexe. En effet, il est toujours bon de rappeler que l'effet de serre, à l'origine du réchauffement actuel de la planète, n'est pas une théorie scientifique de pointe : il peut être mis en évidence avec des connaissances physiques et mathématiques relativement simples (ceci-dit, si vous êtes allergique aux équations passez votre chemin...).

Dans cet article, nous allons donc suivre le raisonnement de Fourier en 1824 dans une version un peu actualisée puisqu'elle fait appel à la loi de Planck, formulée elle en 1900.
En bref, le principe est le suivant : la Terre reçoit de l'énergie du soleil sous forme de rayonnement électromagnétique et à son tour rayonne vers l'espace. Pour que la température se stabilise, la quantité d'énergie reçue par notre planète doit être égale à la quantité d'énergie perdue, cet équilibre permet de calculer une température théorique à la surface de la Terre. Mais ce chiffre est inférieur à la réalité. La prise en compte de l'atmosphère et de l'effet de serre permet de corriger cet écart.

Fourier : l'invention de l'effet de serre

Autant le dire tout de suite : Joseph Fourier, dont nous allons parler aujourd'hui, est à mon avis un homme trop méconnu. Par la portée de ses travaux comme par son parcours extraordinaire, il mériterait largement sa place entre Marie Curie et Louis Pasteur parmi les icônes scientifiques françaises. A quelques mois du 250e anniversaire de sa naissance, cet article sera donc aussi l'occasion de lui rendre justice.


Orphelin, révolutionnaire, baron d'Empire...


Rien ne semble prédestiner le jeune Jean-Baptiste-Joseph Fourier à un avenir brillant : lorsqu'il voit le jour à Auxerre en 1768, il est le 19e enfant d'une famille d'artisans pauvres, et il perd ses deux parents avant 10 ans.
Pourtant son application et la protection de quelques notables locaux permettent au jeune orphelin de poursuivre ses études. De nombreuses anecdotes circulent : Fourier étudiant la nuit à la lueur de bouts de chandelles ramassés dans la journée, Fourier se cachant dans l'armoire de la salle d'étude pour y rester après les heures réglementaires... En tout cas, il se fait vite remarquer au point qu'un collège l'accepte gratuitement comme pensionnaire.

Le jeune garçon se destine alors à une carrière dans l'artillerie ou le génie, mais n'ayant ni titre ni fortune sa candidature est refusée malgré de solides appuis.
Fourier choisit de se tourner vers... les bénédictins. Le virage peut sembler brutal mais l'ordre de Saint-Benoit tenait à l'époque 6 des 12 écoles militaires françaises et passait pour la frange la plus éclairée du clergé. C'est donc là que Fourier commence sa carrière en enseignant les mathématiques d'abord à l'école militaire d'Auxerre puis à l'abbaye de Fleury. Dès 1787, âgé de moins de 20 ans, il se rend à Paris pour présenter à l'Académie des Sciences un mémoire sur les équations algébriques, ce qui lui vaut l'attention de Monge, Lagrange et Laplace.

Joseph Fourier a découvert l'effet de serre en 1824
En 1789, peu après le début de la Révolution, il refuse finalement d'entrer dans les ordres. Revenu dans sa ville natale, il continue à enseigner tout en s'intéressant de plus en plus à l'effervescence politique de l'époque. En 1793, il rejoint même le comité révolutionnaire d'Auxerre.
Mais la période n'est pas favorable aux esprits rationnels. Charger de réquisitionner des récoltes dans le Loiret, Fourier a le tort de s'acquitter de sa mission avec un peu trop de mesure. Dénoncé au comité de salut public, il est mis hors la loi et contraint de se cacher.
La fin de la Terreur lui permet de reparaitre au grand jour l'année suivante et de faire partie des premiers étudiants de l'École normale à sa création en 1795. Lorsque celle-ci ferme quelques mois plus tard, il devient l'assistant de Lagrange à Polytechnique - une autre création récente. C'est aussi à cette époque qu'il est présenté à Bonaparte.

Fourier fait partie des savants qui, en 1798, accompagnent l'expédition en Égypte. Il participe à la fondation de l'Institut d’Égypte, dont il est le premier secrétaire, puis joue un rôle actif auprès du général Kléber, qui assure le commandement de l'expédition après le départ de Bonaparte en 1799. Lui même ne revient en France qu'en 1801.
A son retour, il est nommé préfet de l'Isère par le premier consul. Il occupe ce poste pendant près de 14 ans, s'illustrant par des travaux publics, l’asséchement des marais ou encore la création de l'université de Grenoble.
Il est maintenu en place par Louis XVIII et, en 1815, il s'oppose au retour de Napoléon. Curieusement promu préfet de Lyon, il n'échappe pas à l'épuration de l'administration pendant les Cent-Jours. Sa révocation met définitivement fin à sa carrière administrative : Fourier s'installe à Paris où il reprend enfin le fil de ses recherches. Il va le faire avec de tels résultats qu'on ne peut pas songer sans un peu de mélancolie à ce qu'aurait été sa carrière scientifique s'il avait pu s'y consacrer pleinement.

En 1822, il publie son opus magnus : la Théorie analytique de la chaleur. C'est l'acte de naissance de la thermodynamique : Fourier s'intéresse à la chaleur et aux différences de températures depuis son passage en Égypte, avec cet ouvrage il en fait une branche nouvelle de la physique. Et comme si ça ne suffisait pas, il y introduit aussi la transformée de Fourier, un outil mathématique incontournable pour toutes les sciences qui font appel à l'étude de signaux, depuis l'électromagnétisme et l'acoustique jusqu'à la sismologie.

Élu secrétaire perpétuel pour les mathématiques à l'Académie des Sciences, il y fait entrer la première femme : la mathématicienne Sophie Germain. Dans les années 1820, il devient aussi membre de l'Académie française et de la Royal Society. 

Joseph Fourier, dont la santé était fragile depuis son séjour en Égypte, s'éteint en 1830, à seulement 62 ans.


Comment Fourier a inventé l'effet de serre


La contribution de Fourier à l'émergence de la climatologie est à la mesure de l'homme : il s'est intéressé au sujet presque par accident mais cela suffit à en faire le scientifique le plus important dans le domaine au moins jusqu'à Arrhenius et probablement jusqu'à l'époque contemporaine.

En 1824, deux ans après la Théorie analytique de la chaleur, il a l'idée d'appliquer ses conclusions à la Terre et en tire des Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires (disponibles ici).
Dans cet article, Fourier explique que notre planète reçoit de l'énergie du soleil sous forme de "chaleur lumineuse" et rayonne à son tour vers l'espace de la "chaleur obscure" (c'est-à-dire de rayonnement infrarouge). Pour qu'elle soit en équilibre thermique, le rayonnement reçu du soleil doit être égal à celui renvoyé vers l'espace : "la Terre rend aux espaces célestes toute la chaleur qu'elle reçoit du soleil".
Mais quelque chose ne colle pas : ce bilan énergétique de la planète conduirait à un climat beaucoup plus froid et à des écarts de température beaucoup plus importants que ceux que nous connaissons. "Il existe, écrit donc Fourier, une cause physique toujours présente qui modère les températures à la surface du globe terrestre et donne à cette planète une chaleur fondamentale indépendante de l'action du soleil, et de la chaleur propre que sa masse intérieure a conservé." 

Fourier explore plusieurs théories pour expliquer ce phénomène. Parmi celles-ci, il donne la première description de ce que nous appelons aujourd'hui l'effet de serre : "la température est augmentée par l’interposition de l’atmosphère, parce que la chaleur trouve moins d’obstacle 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". Fourier compare cet effet à l'héliothermomètre inventé par Saussure quelques années plus tôt.
Cette proposition est d'autant plus remarquable qu'elle va à l'encontre des opinions de l'époque. D'abord parce que la plupart des savants considèrent alors que les gaz sont diathermiques, c'est-à-dire transparents pour la chaleur. Ensuite parce qu'elle conduit à réfuter directement la thèse de Buffon sur le refroidissement des planètes : "la déperdition continuelle de la chaleur propre ne peut occasionner aucun refroidissement du climat" tranche Fourier.

En 1838, le physicien Claude Pouillet reprend ces travaux et affine la théorie de Fourier. Il suppose notamment que ce n'est pas l'atmosphère dans son ensemble qui a la capacité à intercepter le rayonnement infrarouge terrestre mais seulement certains gaz dont la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.

Les calculs de Fourier restent assez sommaires et certaines de ses intuitions se sont révélées fausses mais l'article vaut surtout par son raisonnement qui, lui, est parfaitement exact. Si le détail de cette démonstration vous intéresse, je l'ai expliqué ici.
En quelques pages, il y a presque 200 ans, Fourier a jeté les bases pour comprendre le réchauffement actuel de la planète. Mais il ne s'agit encore que d'une théorie... Peut-on la démontrer expérimentalement ? Et qui y parviendra le premier ? C'est ce que nous verrons dans les deux prochains articles.

Rendez-vous, donc, dans le prochain épisode, consacré à Eunice Foote. Vous pouvez aussi retrouver l'article de la semaine dernière sur Saussure.
Pour revenir au sommaire de la série d'été sur les pionniers du climat, cliquez ici.


Publié le 25 juillet 2017 par Thibault Laconde


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Saussure : l'aube de la paléoclimatologie

Pendant que Buffon échafaude dans son bureau du Jardin des plantes la théorie du refroidissement climatique, un autre naturaliste arpente les montagnes d'Europe, multipliant les observations qui permettront de prouver qu'au contraire  la Terre s'est réchauffée. Il s'agit du suisse Horace-Bénédict de Saussure dont l’œuvre va jeter les bases à la fois de la la géologie et de l'alpinisme... Pas mal pour un seul homme, non ?


Un savant fou (de montagne)


Saussure naît en 1740 dans une famille genevoise déjà tournée vers les sciences. A 19 ans, il termine une thèse sur la transmission de la chaleur par les rayons solaires. L'année suivante il échoue à obtenir la chaire de mathématiques de l'Académie de Genève mais se rattrape vite en étant nommé à 22 ans à la chaire de philosophie. Entretemps, Saussure a déjà rencontré l'amour de sa vie : le Mont Blanc.

Horace-Bénédict de Saussure s'intéresse à l'évolution des glaciers alpins au travers de proxy comme les moraines.
En 1760, il séjourne dans la vallée de Chamonix, où il herborise pour le grand botaniste suisse Albert de Haller. Il en profite pour parcourir la Mer de glace et le Brévent et bientôt il ne rêve plus que d'atteindre le sommet du Mont Blanc, un exploit que personne n'a encore réalisé. Avant de repartir pour la Suisse, il fait afficher devant les églises des environs un avis qui promet une forte récompense à quiconque l'y emmènera...
C'est le début d'une obsession : selon ses propres mots, l'ascension du Mont Blanc va être pour Saussure "une espèce de maladie". Il lui faudra plus de deux décennies pendant lesquelles il n'oubliera jamais bien longtemps cette montagne.

En attendant, il patiente en voyageant et en escaladant tout ce qui peut être escaladé. En 1767, il termine son premier tour du Mont Blanc. Puis, jusqu'en 1769, il parcourt l'Europe accompagné de sa femme. A Paris, il fréquente les salons et rencontre Buffon. En Angleterre, il visite les universités de Cambridge et Oxford et fait la connaissance de Benjamin Franklin.
En 1769, il est dans le Vercors. En 1773, il explore l'Etna et les volcans d'Italie. En 1774, il gravit le Mont Cramont (2737m), un sommet voisin du Mont Blanc. En 1776, le voilà en Auvergne. Sur le chemin du retour il se rapproche encore un peu du toit de l'Europe en atteignant le Mont Buet (3096m) et, en 1780, en escaladant la Roche Michel (3429m). Mais sa première tentative pour atteindre le sommet du Mont Blanc par l'Aiguille du Gouter en 1785 est un échec.

Cependant, la prime qu'il promet toujours excite les aventuriers et le 8 août 1786, Michel Paccard, le médecin local, et Jacques Balmat, un chasseur reconverti en guide amateur, atteignent enfin le sommet du Mont Blanc. Aussitôt informé, Saussure attend avec impatience le moment propice pour renouveler l'exploit. Finalement, le 1er août 1787, il s'élance accompagné de 18 guides dont Balmat.
L'ascension prend trois jour. Épuisé et accablé par le mal des montagnes, Saussure ne parvient au sommet que soutenu par ses guides. Mais l'alpiniste essoufflé a vite fait de laisser la place au scientifique : Saussure déballe ses instruments et, en quelques heures, donne la première évaluation fiable de l'altitude du Mont Blanc, mesure l’humidité, la température d’ébullition de l'eau, analyse la neige et la couleur du ciel...

Saussure est le troisième homme à atteindre le sommet du Mont Blanc
Saussure et Balmat observant le sommet du Mont Blanc

Depuis la vallée, tout Chamonix a suivi la progression de l'expédition au télescope. La presse européenne rapporte l'exploit, ce qui fait la gloire de Saussure et assure durablement la renommée de Chamonix. On peut d'ailleurs y voir aujourd'hui, en face du casino, une statue de Saussure et de son guide le regard tourné vers le Mont Blanc.
Gravement malade, le savant suisse se retire progressivement dans les années 1790. A sa mort, en 1799, il est enterré au Cimetière des rois, qui est un peu l'équivalent genevois de notre Panthéon.


A deux doigts de découvrir l'âge de glace


Au cours de sa carrière, Saussure a enseigné la logique, la physique et la métaphysique à l'université de Genève. Il s'est intéressé à la botanique, à la géologie, à la glaciologie, à l'électricité et à une multitude d'autres sujets. Il a aussi conçu des instruments : il est notamment l'inventeur de l'hygromètre à cheveu. Comme c'est souvent le cas jusqu'au XIXe siècle, Saussure a été un savant universel. Mais il y a tout de même un fil rouge : la montagne.
Au cours de ses pérégrinations, il n'a jamais perdu de vue ses recherches et entre 1779 et 1796, il a publié 4 volumes des Voyages dans les Alpes dans lesquels il consigne scrupuleusement ses expériences et ses observations.

Au cours de ces randonnées, Saussure remarque que les moraines, c'est-à-dire les débris rocheux déposés par les glaciers, s'étendent parfois bien au-delà des limites des nappes de glaces. Cette observation l'intrigue et il prend le temps de décrire en détails les moraines du massif du Mont Blanc. Il comprend que ces dépôts peuvent permettre de déterminer si les glaciers avancent ou reculent mais ne va pas jusqu'à tirer une conclusion générale. "Ce n'est, écrit-il dans les Voyages dans les Alpes, qu'après avoir rassemblé beaucoup de faits que l'on pourra décider avec certitude si la masse totales de glaces augmente, diminue, ou demeure constamment la même."
Le pas sera pourtant franchi assez rapidement par ses continuateurs. En 1822, Ignace Venetz est le premier à affirmer que les glaciers des Alpes ont été beaucoup plus étendus dans le passé. En 1834, Louis Agassiz explique cette extension par une période pendant laquelle le climat été plus froid, période à laquelle Karl Friedrich Schimper donne en 1837 le nom d'âge de glace, ou "Eiszeit" dans le texte.

Ce qu'on doit malgré tout à Saussure, c'est d'avoir contribué à faire de la montagne le plus grand livre d'histoire de la Terre. Nous disposons désormais de nombreuses méthodes pour reconstituer les climats du passé mais aucune ne nous permet de remonter aussi loin que l'observation des roches initiée par le savant Suisse. Moraines, stries glaciaires, roches moutonnées, modelé des vallées... nous permettent aujourd'hui de retrouver les traces de glaciers disparus il y a plusieurs milliards d'années !

Saussure va aussi marquer de façon plus anecdotique les débuts de la climatologie grâce à un des instruments qu'il a inventé. Au XVIIIe siècle, on ne sait pas encore précisément pourquoi la température baisse avec l'altitude. Pour répondre à cette question, Saussure conçoit ce qu'il appelle un héliothermomètre, en fait un thermomètre placé sous une plaque de verre dans un caisson isolé. Il constate que cette appareil donne les mêmes mesures à différentes altitudes alors que la température de l'air extérieur, elle, varie. Il en déduit que si l'air des sommets est plus froid, la raison est à chercher dans le fonctionnement de l'atmosphère et non dans une différence de rayonnement solaire.

L'héliothermomètre de Saussure sera utilisé par Fourier pour décrire l'effet de serre
Héliothermomètre de Saussure

Quelques années plus tard, lorsque Joseph Fourier comprendra que l'atmosphère a la capacité de retenir le rayonnement infrarouge, l'analogie qu'il utilisera pour décrire cet effet ne sera pas une serre comme nous en avons l'habitude aujourd'hui, mais l'héliothermomètre de Saussure. C'est ce dont nous parlerons la semaine prochaine...

Rendez-vous, donc, dans le prochain épisode, consacré à Fourier. Vous pouvez aussi retrouver l'article de la semaine dernière sur Buffon.
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Publié le 18 juillet 2017 par Thibault Laconde


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Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure

Georges-Louis Leclerc de Buffon est certainement un des plus grands scientifiques français des Lumières. Touche à tout mais principalement connu pour sa prolifique Histoire naturelle (36 volumes parus en 40 ans), Buffon va surtout nous intéresser comme l'auteur d'une des premières théories scientifiques modernes sur l'origine de la Terre. Il y introduit une idée qui va traverser le XIXe siècle, et qui d'une certaine manière se retrouve encore aujourd'hui dans des discours climatosceptiques : la crainte d'un refroidissement inexorable de la planète.


Duels, intrigues et botanique


Celui que nous connaissons sous le nom de Buffon est né Georges-Louis Leclerc en 1707. Roturier et fils d'un petit fonctionnaire de Bourgogne, il est destiné à l'administration par tradition familiale. A 10 ans, il est expédié au collège des jésuites de Dijon puis poursuit des études de droit. Mais son goût le porte vers les sciences. Il s'intéresse d'abord aux mathématiques puis obtient de son père l'autorisation de s'inscrire en médecine à la faculté d'Angers.

Ces études sont interrompues brusquement lorsque, à l'âge de 23 ans, Buffon tue en duel un jeune soldat. Il faut dire que le bonhomme n'a ni le physique ni le caractère d'un rat de bibliothèque : il possède, selon le portrait qu'en font Voltaire et Hume, "un corps d'athlète" et "l'allure d'un maréchal de France" et tout le monde s'entend pour le décrire fier et ambitieux.
L'incident contraint Buffon à fuir vers Dijon. Il y rencontre un aristocrate anglais qui fait son Grand Tour - un périple initiatique à travers l'Europe très en vogue à l'époque chez les britanniques de bonnes familles.  Buffon se joint à cette compagnie pour un an et demi de périple dans le sud de la France et en Italie. Des rumeurs agrémentent ce voyage de nouveaux duels, voire d'enlèvements ou de missions secrètes en Grande Bretagne, sans que rien n'ait jamais pu être prouvé.
Ce n'est qu'à la mort de sa mère que Buffon se décide à rentrer dans sa famille. Mais pas pour très longtemps : les relations avec son père deviennent exécrables lorsque celui-ci épouse en secondes noces une jeune femme de 22 ans. Mi-1732, Buffon quitte à nouveau la Bourgogne, cette fois pour Paris, non sans avoir auparavant pris le contrôle de la fortune et des propriétés paternelles sous la menace d'un procès. C'est aussi à cette période qu'il commence à signer Buffon, du nom du village où se trouve le domaine dont il vient de dépouiller son père.

Buffon poursuit à Paris sa carrière scientifique et mondaine. Il s'illustre notamment dans l'étude du bois destiné à la construction navale ce qui lui vaut la protection de Maurepas, le puissant secrétaire d'Etat à la marine. Il fréquente les salons et fait la connaissance des philosophes. En 1734, il entre à l'Académie des Sciences.
En 1739, il parvient à être nommé intendant du jardin du roi, l'actuel jardin des plantes. Buffon, qui a beaucoup papillonné, se spécialise définitivement et commence à travailler sur son Histoire Naturelle, générale et particulière dont le premier tome parait en 1749. Dans le même temps, il développe avec énergie le Jardin des plantes : c'est lui qui va transformer ce qui n'était alors qu'un jardin destiné à la culture de plantes médicinales en un musée et en un centre de recherche d'envergure européenne.
Il entre à l'Académie Française en 1753, peu de temps après un mariage tardif avec une jeune fille de 25 ans sa cadette. La vie familiale du savant est tragique : son premier enfant meurt dans sa deuxième année et sa femme se tue à 37 ans en tombant de cheval. Il est très éprouvé et sa santé déjà fragile lorsque, en 1773, Louis XVI le fait comte de Buffon.

Buffon meurt à quelques mois du début de la Révolution dans sa quatre-vingtième année . Le grand homme a droit à des funérailles somptueuses à Paris avant de rejoindre le caveau familial à Montbard délesté de quelques organes qui feront l'objet de collections morbides : son cerveau, par exemple, a été conservé par un des ses collaborateurs (qui avait initialement hérité du cœur mais a préféré l'échanger) avant d'être déposé en 1870 dans le piédestal d'une statue qui se trouve toujours dans la galerie de l'évolution du Muséum d'Histoire Naturelle.


Comment Buffon a inventé la lutte contre le refroidissement climatique


Sur bien des sujets, les thèses de Buffon ont préfiguré les progrès scientifiques du XIXe siècle. Parmi ses contributions les plus remarquables, on trouve la première chronologie moderne de l'histoire de la Terre.
A partir de 1745, il développe la théorie selon laquelle les planètes ont été formées lors de collisions entre le Soleil et des comètes. La Terre aurait donc été à l'origine constituée de matière en fusion arrachée au soleil et elle se serait progressivement refroidie pour parvenir à la température que nous connaissons. Cette idée est déjà révolutionnaire mais Buffon ne s'en tient pas là : il expérimente sur des boules de métal chauffées à blanc pour évaluer le temps nécessaire au refroidissement de la planète. A partir de ces observations, il tente de calculer l'âge de la Terre qu'il évalue, selon les versions, entre 74.000 ans et dix millions d'années. Le résultat est bien sur faux et le mode de calcul peut nous sembler fantaisiste mais il a survécu un siècle à Buffon : il est encore utilisé à la fin du XIXe siècle, notamment par Kelvin.
La démarche est en tous cas incroyablement novatrice à une époque où la Genèse est encore le document de référence sur l'origine de la Terre. Elle vaut d'ailleurs à son auteur d'être mis en accusation par l’Église et il n'échappe aux poursuites qu'en se rétractant en 1781.

Cependant Buffon n'est pas le genre d'homme qui ne termine pas un raisonnement :  puisque les planètes se sont refroidies, il n'y a aucune raison que cela cesse. La température de la Terre doit donc continuer à baisser et il arrivera nécessairement un moment où elle sera devenue complètement froide et inhabitable, ce qui selon Buffon est déjà le cas pour Mars et la Lune. Dans les Ages de la Terre, il évalue que notre planète sera complètement refroidie dans 93.291 ans (oui : c'est précis !), d'ici-là la "nature vivante" va inexorablement s'affaiblir puis s'éteindre.
Cette thèse semble confirmée par les restes de mammouths, confondus avec des éléphants tropicaux, que l'on retrouve déjà fréquemment en Sibérie. Buffon affirme ainsi que "les terres du Nord, autrefois assez chaudes pour faire multiplier les éléphants et les hippopotames, s'étant déjà refroidies au point de ne pouvoir nourrir que des ours blancs et des rennes, seront dans quelques milliers d'années entièrement dénuées et désertes par les seuls effets du refroidissement."

La perspective est effrayante mais pas totalement sans espoir. En effet, Buffon, qui dispose d'un impressionnant réseau d'observateurs, sait que l'activité des colons en Amérique s'accompagne d'une modification du climat local et notamment d'une hausse de la température. Puisque "assainir, défricher et peupler un pays, c'est lui rendre de la chaleur pour plusieurs milliers d'années", il est possible de lutter, au moins temporairement, contre le refroidissement de la Terre. Selon Buffon qui semble déjà annoncer les rêves actuels de géo-ingénierie, "l'homme peut modifier les influences du climat qu'il habite, et en fixer pour ainsi dire la température au point qui lui convient."

La thèse de Buffon sur le refroidissement des planètes est évidemment fausse : on sait aujourd'hui que la température du centre de la Terre est principalement due à la désintégration d'éléments radioactifs et non à la chaleur résiduelle. Elle contribue d'ailleurs très peu à réchauffer la surface terrestre : celle-ci reçoit environ 7000 fois plus d'énergie du rayonnement solaire que de la géothermie.
Il n’empêche que la perspective d'un refroidissement fatal de la Terre a beaucoup marqué les esprits. On retrouvera régulièrement cette crainte au XIXe même lorsque les connaissances scientifiques permettant de prévoir le réchauffement climatique seront déjà en place. Ultime survivance : on peut aujourd'hui trouver un écho lointain de cette théorie dans la littérature climatosceptique qui, selon les cas, annonce un prochain refroidissement climatique ou reproche aux scientifiques de l'avoir prévu à tort.


Rendez-vous la semaine prochaine pour le prochain épisode, consacré à Saussure. Vous pouvez aussi retrouver l'article de la semaine dernière sur Montesquieu.
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Publié le 4 juillet 2017 par Thibault Laconde



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