Climat

Dans cet épisode, les personnages se retrouvent sur le lieu d’une manifestation pour le climat, dans laquelle un des quatre est impliqué. Leurs avis divergent sur la question de l’origine du réchauffement, qui selon l’un d’eux, pourrait aussi être naturel. Ils s’adressent alors à une physicienne présente sur la manifestation, qu’ils questionnent à ce sujet. Celle-ci les invite à réaliser des expériences dans son laboratoire, afin de mettre en évidence à la fois la notion de rayonnement infrarouge et l’influence du CO₂ sur celui-ci. Plus tard, les personnages mettent en scène ces expérience dans un spectacle de rue, au cœur d’une nouvelle manifestation pour le climat. Ils proposent une représentation du bilan radiatif du système Terre, permettant de poser le problème du lien entre ajout de CO₂, rayonnement infrarouge, et conséquence sur la température.

Toutes les expériences représentées dans la BD sont mises à disposition sous formes de photos et vidéos (dans les documents éditables associés à la proposition de séquence en dernière section). Les choix constituant l’approche proposée s’appuient sur les points de vue et difficultés des élèves identifiées dans les recherches en didactique sur le sujet. En repartant d’expériences sur les phénomènes fondamentaux à l’origine du réchauffement global, cette approche vise ainsi à participer à construire la confiance envers les connaissances sur le climat, en amont des considérations plus techniques sur ce que sont les modèles et simulations climatiques. En effet, malgré le consensus scientifique sur l’origine intégralement humaine du réchauffement global, cela est encore remis en cause par une part considérable de la population. 

Origine du changement climatique et opinion publique

D’après une enquête EDF-IPSOS internationale de 2023 (24000 personnes dans 30 pays), 8% des sondés nient encore l’existence même du changement climatique, et 27% considèrent que celui-ci est principalement d’origine naturelle. Cette proportion est de 25% pour la France (28% selon l’enquête 2023 de l’ADEME), et s’élevait à 32% pour la tranche d’âge 16-24 ans en 2022. A ces 32% s’ajoute 10% de jeunes niant la réalité du réchauffement climatique. Ce total de 42% de climato scepticisme chez les 16-24 ans est particulièrement alarmant pour la communauté enseignante, sachant que les programmes scolaires ont été renforcés sur les enjeux climatiques depuis 2019, à tous les niveaux, et que ceux-ci sont également de plus en plus présents dans les médias et la vulgarisation scientifique.

Difficultés face aux représentations de l’effet de serre

Plusieurs problèmes d’interprétation des schémas d’effet de serre ont été identifiés, dont certains sont dû à des problèmes inhérents aux choix de représentations eux-mêmes. Parmi ceux-ci se trouve l’idée selon laquelle les gaz à effet de serre (GES) constituent une sorte de « couche » ou de « couvercle » dans l'atmosphère, formant ainsi une « barrière » contre laquelle une partie de la chaleur ou du rayonnement émis par la Terre « rebondirait » pour revenir vers elle, « piégeant » ainsi « l'énergie du Soleil ». Cela est parfois renforcé par la représentation du rayonnement infrarouge « revenant sur Terre » à la manière d’une réflexion optique (ce qui est sans rapport avec le phénomène en jeu d’émission de rayonnement par l’atmosphère). Cette notion implique implicitement une idée de chronologie, avec un rayonnement qui part du sol, puis qui est empêché de sortir par l'atmosphère et qui revient ensuite vers la surface de la Terre, contribuant à la réchauffer « un peu plus ». Ce raisonnement de type chronologique est incompatible avec les schémas associés la plupart du temps, représentant des bilans instantanés, c'est-à-dire où les valeurs des puissances de rayonnements sont considérées au même moment, et où la température est constante. Un autre aspect problématique, relevé à la fois chez les élèves et dans les ressources de vulgarisation, est la non distinction entre les différents types de rayonnement (solaire, infrarouge terrestre, infrarouge atmosphérique). Cela participe à rendre possible l'idée de « rebond » ou de « piégeage » du rayonnement venant du sol.

L’amalgame entre les différents types de rayonnement peut être relié à la difficulté d’introduire la notion de rayonnement infrarouge, point sur lequel des propositions sont faites plus loin.

Les gaz peuvent-ils vraiment interagir avec le rayonnement infrarouge ?

Pour mettre en évidence la capacité d’émission et d’absorption du rayonnement infrarouge, le plus courant est d’utiliser des images de caméras infrarouges avec des objets plus ou moins chauds et plus ou moins transparents. Ces observations sont cependant faites uniquement avec des objets solides. Or d’un point de vue physique, les gaz ne partagent pas toutes les propriétés des solides, pourquoi auraient-ils alors les mêmes propriétés concernant les interactions avec le rayonnement ? Pour les élèves, dans quelle mesure l’extrapolation des solides au gaz est-elle acceptable ? Une enquête a été réalisée sur le sujet. Après une introduction au rayonnement infrarouge émis ou absorbé par des solides, il a été demandé aux élèves leur avis a priori concernant les capacités des gaz. Les résultats sont quasiment les mêmes pour l’émission et l’absorption : plus de 3/4 des collégiens (N=208) et 2/3 des lycéens (N=280) répondent soit que les gaz ne peuvent ni émettre ni absorber de rayonnement, soit qu’ils ne savent pas. Face à ce constat, la question se pose de la manière d’introduire ces phénomènes sans le donner à admettre, étant donné le caractère crucial de ce point pour faire le lien entre émissions de CO2 et réchauffement climatique.

Les premières expériences historiques mettant en évidence l’interaction entre CO₂ et rayonnement infrarouge remonte au milieu du XIX^ème siècle, indépendamment par Eunice Newton Foot aux Etats-Unis et John Tyndall en Angleterre. La première estimation quantitative de l’influence possible du CO₂ sur la température globale a été proposée par Svante Arrhenius, chimiste suédois, dans son article « On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground » (Arrhenius, 1896). Celui-ci s’appuie sur la détermination du spectre d’absorption de l’atmosphère à partir d’observations de la Lune à différentes longueurs d’onde, en supposant que celle-ci a un spectre d’émission proche de celui de la surface terrestre.

 Les premiers modèles de climat émergent dans les années 1950, et se perfectionnent depuis, prenant en compte de plus en plus de variables et de relations entre celles-ci. En ce qui concerne la relation entre puissance de rayonnement infrarouge et taux de GES, elle est décrite localement en tout point de l’atmosphère à partir des équations dites “du transfert radiatif”, prenant en compte la température à une altitude donnée. Ces équations, ajoutées à celles correspondant aux autres phénomènes en jeu, sont intégrées dans les modèles climatiques. A partir de ceux-ci, il est possible de simuler le climat passé en faisant abstraction de certains facteurs, afin de déterminer leur influence relativement aux autres. En particulier, lorsqu’on simule l’évolution du climat depuis 1850 sans prendre en compte l’augmentation des taux de GES et d’aérosols due aux activités humaines, on obtient une température moyenne globalement stable (cf. courbe bleue de la figure ci-dessous). En ajoutant la prise en compte des facteurs humains, les simulations obtenues sont très proches de l’évolution de la température moyenne constatée depuis 1850 (courbe orange). Ces simulations permettent d’établir que l’intégralité du réchauffement actuel est bien attribuée aux activités humaines.

L’objectif de l’épisode est d’introduire le problème de l’origine du réchauffement global (chapitre 1), et d’amener des éléments pour y répondre (chapitre 2 et 3). L’approche didactique choisie, à la fois de la BD et des ressources, est articulée autour de trois choix principaux, différents de ceux les plus courants dans les ressources pédagogiques sur le sujet.

Bilan des rayonnements entre le système Terre et l’Espace

L’analyse du bilan radiatif terrestre a été restreint à celui du système Terre dans son ensemble, c’est-à-dire à l’interface avec l’Espace.  

Il s’agit d’un choix différent d’une grande partie des représentations existantes de l’effet de serre, schématisant également les interactions entre l’atmosphère et la surface terrestre. Avec de tels schémas en effet, on peut montrer qu’il n’est pas possible de conclure qualitativement sur l’influence d’un ajout de gaz à effet de serre sur la température (voir annexe A). En plus d’être plus facilement accessible, le bilan des rayonnements à l’interface avec l’Espace permet d’éviter de négliger les nombreux phénomènes de la physique de l’atmosphère, impliquant d’autres transferts d’énergie que ceux par rayonnement.  

Utilisation de la notion de « puissance de rayonnement »

La focalisation sur le bilan des rayonnements entrant et sortant vers l’Espace permet une logique de raisonnement dans laquelle le concept d’énergie n’est pas nécessaire. La notion de « puissance de rayonnement » est en effet suffisante pour conclure, et celle-ci peut être reliée plus facilement à une référence empirique, par généralisation de la notion de luminosité. Ce choix didactique permet d’éviter d’ajouter à la complexité du contenu les difficultés connues dans la compréhension de l’énergie. Pour autant, l’approche proposée reste compatible avec une reformulation ou un approfondissement en termes d’énergie, dans les contextes où cela s’y prête.

Mise en évidence des interactions entre rayonnement infrarouge et CO₂

Le cœur de l’approche didactique proposée, mise en scène dans les chapitres 2 et 3, repose sur des expériences permettant de mettre en évidence l’influence du CO₂ sur le rayonnement infrarouge, selon sa température. Ces expériences ont été faites en utilisant une caméra infrarouge de laboratoire dont la gamme de sensibilité (3-5 micromètres) recoupe une partie du spectre d’absorption/émission du CO₂ (ce qui n’est pas le cas des caméras les plus courantes, parfois à disposition des établissements scolaires). Ces observations rendent ainsi accessibles une référence empirique à des élèves n’ayant pas ou peu de maitrise des notions de longueur d’onde et d’intensité spectrale, à partir de l’interprétation qualitative d’images de caméra infrarouges, analogues à celles obtenues pour des solides. L’expérience est proposée avec des ballons d’air et de CO₂ à une température plus basse que la toile d’arrière-plan de manière à se placer dans une situation analogue au système Terre, où le CO₂ dans l’atmosphère est en moyenne beaucoup plus froid que la surface terrestre. 

Une interprétation physique plus précise des observations en infrarouge des ballons est disponibles dans le document téléchargeable ci-dessous (cf. Annexe B).

The key step in the teaching approach is to extrapolate from these observations the influence of adding CO₂ to the atmosphere on the Earth's radiation balance. This extrapolation requires us to consider the potential effect of other characteristics of the atmosphere, relative to the situation of the balloons (for example, the fact that the atmosphere already contains a certain amount of CO₂ , as well as water vapour, or that its temperature decreases with altitude). Extrapolating the observation on the case of the cold CO₂ balloon relative to the case of the atmosphere therefore implies making the assumption that these differences do not qualitatively modify the direction of variation of the outgoing infrared power, even if all these characteristics influence the quantitative value of this decrease. While it is not necessarily possible to discuss all of these differences with the students, they can all be justified from a physical point of view, some of them in a fairly accessible way, as presented in Appendix C.

Radiation balance and conclusion on the temperature

Appendix A B C

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Introduction au rayonnement infrarouge

Cette notion étant centrale dans l’approche proposée, comment l’introduire pour des élèves qui n’en sont pas familiers ? S’ils connaissent en général les images de caméra infrarouge, ils pensent en général que celle-ci permet de « voir la température ». L’observation ci-dessous permet de remettre en cause cette interprétation : si telle était le cas, la vitre et la pochette plastique devraient apparaitre bleues.

Les élèves supposent parfois que la vitre et la pochette plastique ont été réchauffée par le corps à proximité, plus chaud. Des vidéos de mouvements permettent de voir ce n’est pas le cas, comme celles disponibles dans les diapos de la proposition de séquence d’enseignement ci-dessous.

Ces observations montrent que ce que détecte la caméra a donc deux points communs avec la lumière : la capacité de se refléter (1) et de traverser certains matériaux (2). Ces points communs permettent d’introduire un nouveau concept : le « rayonnement » en tant que généralisation de celui de « lumière ». La lumière peut alors être considérée comme un cas de rayonnement « visible » (au sens où il est perceptible par notre œil) tandis que le type de rayonnement émis par un objet n’est perceptible qu’avec ce type de caméra. De même qu’une lumière peut être plus ou moins puissante, un rayonnement invisible peut aussi être plus ou moins puissant. La notion de « luminosité» pour la lumière (ou « puissance lumineuse ») peut être généralisée comme la « puissance de rayonnement ». Le cas d’un métal chauffé jusqu’à incandescence permet de faire le lien entre rayonnement visible et invisible :

A partir d’une certaine température, le métal émet à la fois du rayonnement visible (1) et du rayonnement invisible (2) détecté avec la caméra. Plus on s’éloigne de la flamme, plus la lumière émise est rouge sombre (3).  Après de cette zone rouge, il ne reste plus que le rayonnement invisible (2), qui est nommée rayonnement « infrarouge ». La caméra permettant de détecter ce rayonnement peut donc être nommée « caméra infrarouge ». Elle mesure une puissance de rayonnement infrarouge en chaque point de l’image, qui est représentée par une teinte de couleur. La puissance du rayonnement infrarouge émis par un objet augmente avec sa température.

Des photos et vidéos des différentes expériences en infrarouge apparaissant dans la BD sont disponibles dans les diapos de la proposition de séquence d’enseignement ci-dessous.  

Découvrir le GIEC

Dans le chapitre 1 de l’épisode, le GIEC est rapidement évoqué. Pour découvrir le rôle et l’importance de cette institution, une excellente ressource, adaptée aux élèves, est la BD Horizons climatiques (Iris-Amata Dion et Xavier Henrion, Glénat 2024). L’autrice est également la personne sur les photos infrarouges ci-dessus, et le personnage de l’épisode climat. Un dossier pédagogique proposant une utilisation conjointe des deux BD sera bientôt accessible ici.

Prérequis

L’approche didactique proposée vise à être accessible avec un minimum de prérequis en physique. Elle demande ce pendant de connaître les phénomènes suivants :
-        Connaître le mécanisme de la vision (lumière partant d’un objet vers l’œil), dont on sait qu’il n’est pas une évidence pour de jeunes élèves (de Hosson & Kaminski, 2006). La compréhension de ce phénomène est nécessaire pour interpréter de manière analogue les images obtenues avec la caméra infrarouge.
-        Avoir des notions sur le système Terre et l’Espace : le fait que l’atmosphère soit un mélange de gaz, dont le CO₂, en moyenne plus froid que la surface, que l’Espace soit vide de matière.
-        Savoir que le CO₂ est un gaz émis dans l’atmosphère par les activités humaines, en premier lieu via la combustion des combustibles fossiles.
-        Être capable de faire le lien qualitatif entre une échelle de couleurs, les valeurs d’une grandeur physique (puissance de rayonnement), et la largeur d’une flèche représentant cette grandeur.

Pour démarrer

Une séquence d’enseignement peut démarrer par la lecture individuelle de l’épisode complet en amont de la première séance, ou bien seulement du chapitre 1 en classe en lecture collective.

Chapitre 1 & Position du problème

La suite du travail pour s’articuler autour de la question suivante, posée dès le chapitre 1 : comment expliquer le rôle du CO₂ dans le réchauffement climatique ? Cette question peut être séparé en deux questions intermédiaires :
-        Quelles sont les causes possibles du réchauffement d’objet, en général ?
-        De quelle manière le CO₂ pourrait avoir une influence sur ces causes ?
La première question permet de construire la notion de rayonnement infrarouge et de bilan radiatif, la seconde de faire des hypothèses sur l’effet d’un ajout de CO₂ sur ce bilan, ce qui mènera aux expériences sur le ballon de CO₂ observé en infrarouge.

Introduction au rayonnement infrarouge & chapitre 2

Suite à une construction progressive du concept tel que présentée dans ci-dessus (ressource complémentaire), la lecture en classe du chapitre 2 peut permettre d’apporter d’autres situations expérimentales à étudier par les élèves, avec les verres d’eau froide et chaude. (Toutes les expériences représentées dans la BD sont mises à disposition sous formes de photos et vidéos dans les documents éditables associés à la proposition de séquence). Cette situation est l’occasion de faire travailler les élèves sur la représentation des puissances de rayonnement sous forme de flèche.

La fin du chapitre 2 permet d’introduire l’expérience des ballons. Leur interprétation peut être demander en exercice aux élèves. Le début du chapitre 3 pourra être vu alors comme une correction ou reprise de cet exercice, avant d’en déduire les conséquences la température de la Terre.

Représentation du bilan radiatif du Système Terre

Afin de pouvoir répondre à la question posée dans le chapitre 3, il est nécessaire d’aborder le concept de bilan de rayonnement. Il est possible pour cela de revenir à la question initiale, appliqué à la Terre : quelles causes possibles du réchauffement de la Terre ? On sait que la température du sol dépend de l’exposition au rayonnement solaire, et aussi qu’il y a un lien entre la température d’un objet et la puissance de rayonnement infrarouge qu’il émet. On peut se demander le lien entre ces différents rayonnements en jeu et la température. Cela conduit à représenter un bilan de l’ensemble des rayonnements émis et reçues par un système, nommé « bilan radiatif », afin de comparer leur puissance. L’analogie et l’expérience présentées ci-dessus (section approche conceptuelle) permettent de comprendre le lien entre la nature du bilan (équilibré ou déséquilibré) et l’évolution de la température du système.

Des indices progressifs pour répondre à la question finale

L’ensemble des éléments introduits jusque-là permettent comprendre l’influence du CO₂ sur la température de la Terre. Les dernières pages du chapitre 3 (p.81-90) apportent des indices progressifs pour déduire les conséquences d’un ajout de CO₂ dans l’atmosphère. Une manière de travailler sur cette dernière partie est faire une lecture collective de ce dernier chapitre (épisode projeté au tableau), en laissant les élèves chercher la réponse, et en ajoutant les informations supplémentaires progressivement pour les aider s’il n’y arrive pas. Pour un tel travail, les élèves doivent avoir à disposition les conclusions intermédiaires de la séquence.   

 

Documents séquence CO2 température

49 mo

(fichier temporaire, mise à jour très prochainement)