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 "présentent"... 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 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 constaterez 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.

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Aventuriers, rêveurs, révolutionnaires... du XVIIIe siècle au début du XXe, l'histoire scientifique du climat a été écrite par des personnalités hautes en couleur. Retrouvez ici l'histoire des autres pionniers de la discipline :
  1. Montesquieu : l'Esprit des lois et la théorie des climats
  2. Buffon : refroidissement climatique et géoingénierie avant l'heure
  3. Saussure : l'aube de la paléoclimatologie
  4. Fourier : l'invention de l'effet de serre
  5. Foote : la démonstration de l'effet de serre à la portée de tous
  6. Tyndall : la première spectroscopie des gaz à effet de serre
  7. Arrhenius, Hogböm et Ekholm : le clan des suédois
  8. Milankovitch : la solution à l'égnime de l'âge de glace
  9. Callendar : l'homme qui a vu le réchauffement

Publié le 1er aout 2017 par Thibault Laconde


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6 commentaires :

  1. J'ai des doutes sur votre expérience (et sur celle de Eunice Foote par la même occasion).

    Il n'y a rien de plus difficile que de mesurer une température d'air dans un petit volume, surtout si comme je le crains, la sonde est exposée au rayonnement direct d'une source intense telle que le soleil (rayonnement direct ou diffusé par l'atmosphère) et le genre de thermomètre utilisé n'est pas adapté. En effet, ce qui est mesuré n'est pas la température de l'air, mais "celle du thermomètre". La température du thermomètre est influencée par l'air ambiant ( à l'ombre, disons pour les 2/3 ou 3/4 de l'effet, mais beaucoup beaucoup moins au soleil) et par le rayonnement infra-rouge des parois du bocal et en lumière visible par le rayonnement solaire (qu'il soit reçu directement ou diffusé par l'atmosphère) pour le reste.

    Dans l'expérience décrite ici, que se passe-t-il ? Si les températures montent, j'imagine que, en cette saison, c'est parce que les bocaux ont été placés soit au soleil direct, soit à l'ombre mais avec un fort apport de chaleur provenant de la diffusion du rayonnement du soleil par l'atmosphère. Cette lumière solaire échauffe les parois du local, les parois du bocal (le verre n'est pas 100% transparent en lumière visible) et le thermomètre lui-même. L'air et le CO2 sont à peu près transparents à la lumière visible et ne sont donc pas directement chauffés.

    L'air dans le bocal est chauffé (ou refroidi) par convection avec le thermomètre d'une part et avec les parois du bocal. Pour être tout à fait exact, l'air contient un peu de vapeur d'eau, de l'ordre de 2% (ou 20 000 ppm) en moyenne, qui est un gaz à effet de serre plus "puissant" que le CO2 (dont les 400 ppm peuvent être négligés). Cet air va donc subir des échanges par rayonnement en "lumière" infrarouge avec les parois du bocal et le thermomètre. Le CO2 subit les mêmes échanges par convection et reçoit en plus un tout petit apport de calories dû au rayonnement infra-rouge de la part des parois du bocal et du thermomètre.

    Le thermomètre lui-même est chauffé ou refroidi:
    - 1 - Par le rayonnement en lumière visible provenant du soleil (direct ou diffus) à travers le verre transparent du bocal
    - 2 - Par convection avec l'air ou le CO2 du bocal
    - 3 - Par rayonnement infrarouge des parois du bocal (le verre étant opaque aux IR, il n'est pas soumis au rayonnement IR des parois du local)
    Globalement, on ne mesure donc pas un "effet de gaz de serre", ni une température de gaz (mais certainement un "effet de serre" au sens où comme dans une serre horticole, on mesure un "échauffement" non lié au pouvoir absorbant en infrarouge des gaz, mais à une limitation de la convection par les parois de la serre qui empêche son refroidissement rapide).

    Pour contrer ces effets, dans l'industrie, pour mesurer la température réelle des gaz, on utilise ce que l'on appelle des "cannes à aspiration" dans lesquelles le "thermomètre" est placé à l'abri du rayonnement des parois/flammes/etc. et baigné par un courant d'air à haute vitesse favorisant les échanges par convection air/thermomètre (voir par exemple: documentation fabriquant - publicité gratuite !).

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  2. Suite du précédent ... avec mes excuses
    Pour mettre en évidence l'effet de serre, le plus facile est de se munir d'un thermomètre infrarouge (par exemple celui-ci - bien vérifier que le prix de la livraison n'est pas prohibitif)(*). Utilisez le pour mesurer la température du "ciel" la nuit. Par temps sec, ciel clair, pas de poussières, vous pouvez mesurer des températures de par exemple 30°C au-dessous de l'ambiance. Ceci signifie que l'ensemble des gaz à effet de serre, y compris la vapeur d'eau, vous renvoie un rayonnement moyen émis à la température de -10°C (par exemple pour une ambiance à 20°C), soit à une altitude d'environ 4000 m. Bien entendu, la plus grosse partie de ce rayonnement n'est pas dû au CO2, mais à la vapeur d'eau. Cela montre aussi qu'il faut des épaisseurs de plusieurs kilomètres d'atmosphère pour pouvoir mettre en évidence l'effet de serre (avec un appareil à moins de 10 Euros !). En cas de présence de nuages, on constatera que la température mesurée remonte fortement (moins de 10° au-dessous de l'ambiance), ce que l'on mesure étant alors la température du nuage beaucoup plus bas en altitude.
    (*): Ce thermomètre à infrarouge mesure (sauf dans le cas ci-dessus) des températures de surface. Il vous sera très utile avant de faire des travaux d'isolation pour voir par où entre le froid (ou le chaud): porte d'entrée, plafond, porte du garage, etc.
    Signé: papijo

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    1. Pourtant, avec un écart de l'ordre de 10°C entre le tube vide et le tube rempli d'air et entre le tube rempli d'air, d'oxygène ou d'hydrogène et celui rempli de dioxyde de carbone, les résultats de Foote semblent cohérents et significatifs. Vous ne trouvez pas ?

      L'expérience vise à mettre en évidence non pas l'effet de serre lui même (qui est surtout une image et assez mal choisie) mais l'absorption du rayonnement infrarouge par le CO2. Et c'est peut-être le phénomène que vous sous-estimez : l’absorption est importante même à faible concentration, assez pour avoir un effet mesurable sur la température malgré les autres facteurs que vous décrivez.

      Ceci dit, oui : il s'agit d'une expérience rudimentaire dans laquelle beaucoup de facteurs ne sont pas contrôlés, surtout dans la version simplifiée que je présente. Si vous n'êtes pas convaincu, rendez-vous la semaine prochaine pour parler de l'expérience de Tyndall, avec une autre approche et un dispositif beaucoup plus rigoureux.

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  3. Que des gaz tels que la vapeur d'eau ou le CO2 captent et réémettent le rayonnement infrarouge, personne ne le remet en question (mais très peu la lumière visible y compris le rayonnement solaire)!

    Par contre, ce que montre la petite expérience de mesure de la "température du ciel" que j'ai décrit plus haut, ces effets sont faibles. Si on admet que le rayonnement reçu au sol a été émis en moyenne à une altitude de 3000 m et un air à 2%v de H2O, ce rayonnement a traversé une épaisseur de H2O de 60 m et une épaisseur de CO2 de 1,2 m calculés à pression ambiante sans être intercepté, rien à voir avec les quelques cm d'un bocal.

    J'ai du mal à expliquer les 10°C d'écart de votre expérience.
    - La première cause pourrait bien sûr être une différence entre les 2 bocaux (transparence du verre, coefficient d'émissivité et de réflexion des diverses surfaces, exposition plus ou moins importante au rayonnement solaire ...). Pour lever l'ambiguité, il faudrait faire une série d'expériences CO2 à gauche, puis CO2 à droite, puis à gauche ...
    - Une 2ème cause possible est liée au coefficient de conduction du CO2 presque 50% plus faible que celui de l'air. La chaleur du thermomètre chauffé par le soleil est moins bien transportée vers les parois du bocal par le CO2 que par l'air, ce qui expliquerait la température plus élevée du thermomètre.
    - Une 3ème cause possible, c'est la nature du "CO2" injecté. N'y aurait-il pas des traces de réactifs encore présentes qui en continuant de réagir apportent des calories.


    Pour "prouver un effet de serre" (au sens moderne de cette expression en climatologie, et non au sens littéral), vos bocaux auraient dû être placés dans un local obscur (une caisse bien fermée) pour éviter toute influence de la lumière visible et chauffés uniquement par rayonnement infrarouge provenant d'une source à une température voisine de celle de la surface terrestre (en pratique, il faudrait au préalable refroidir les bocaux en les plaçant dans un congélateur, faire le vide dans la caisse pour éviter toute convection avec l'extérieur, des bocaux non en verre mais dans un matériau qui ne bloque pas le rayonnement IR, une "canne à aspiration pour mesurer les températures des gaz ... certainement une expérience intéressante mais pas à la portée de tout le monde !)
    Signé: papijo

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    1. Sans remettre en cause, encore une fois, l'existence d'autres facteurs, je crois que vous vous trompez d'ordre de grandeur sur l'absorbance du CO2.

      Dans ses bandes d’absorption, presque tout le rayonnement infrarouge est absorbé en traversant un tube de quelques centimètres rempli de CO2. On s'en est aperçu dès les premières mesures (c'est-à-dire dès Tyndall) et ça a d'ailleurs été le premier argument contre la possibilité d'un réchauffement causé par l'augmentation de la concentration en CO2 (avec l'idée que "l'effet de serre est saturé" due à A. K. Angstrom, on y reviendra plus tard).

      Je pense que votre problème vient aussi de ce que vous ignorez les réémissions : si l'atmosphère est en équilibre thermique, lorsqu'un gaz absorbe du rayonnement il le réémet, en partie vers le sol, en partie vers le ciel, avec la possibilité que celui-ci soit de nouveau absorbé puis réémis, etc.
      Dans votre expérience sur la "température du ciel", ce que mesure votre capteur ce n'est pas du rayonnement qui a traversé sans encombre 3000m d'atmosphère/60m d'eau/1.2m de CO2 mais du rayonnement émis par la surface terrestre, absorbé par l'air qui vous entoure et réémis vers vous. La différence de température correspond à la fraction du rayonnement émis par la surface qui parvient finalement à s'échapper vers l'espace.

      Si ça vous intéresse, il existe de nombreuses vidéos d'expériences comparables à celle de Foote (avec des résultats similaires). Par exemple : https://www.youtube.com/watch?v=kwtt51gvaJQ ou https://www.youtube.com/watch?v=f2qAd1sEsBA

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  4. Les 2 vidéos que vous signalez sont analogues à votre expérience. Dans les 2 cas, on a un thermomètre chauffé par rayonnement en lumière VISIBLE, or la lumière visible n'est pas absorbée par le CO2 ! Voir par exemple le graphique qui figure dans ce document). Les phénomènes à l'origine de l'écart de température sont les mêmes que ceux signalés dans votre expérience (je pencherais en premier pour le coefficient de convection plus faible du CO2 et en second la chaleur dégagée par la réaction du bicarbonate).

    Ceci étant dit, c'est vrai que mon thermomètre voit aussi le ciel au travers de la "fenêtre atmosphérique" montrée dans le graphique(et que je voyais beaucoup plus réduite), mais on peut dire également que si certaines fréquences IR sont très vite arrêtées par le CO2, il ne s'agit que d'une toute petite fraction du spectre.

    Comment mettre en évidence l'effet de serre de manière "simple" ? ... finalement je ne sais pas trop, mais certainement pas en chauffant du CO2 en lumière visible !
    Signé: papijo
    PS: Dommage qu'on ne puisse pas afficher des images dans les commentaires !

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