Effet de serre
Modéliser l'effet de serre en comparant l'échauffement d'une atmosphère enrichie en CO₂ (soda gazéifié) et d'une atmosphère normale (soda dégazé) sous une lampe.
L'effet de serre est au cœur du réchauffement climatique, mais peut-on le reproduire en classe ? Cette expérience, inspirée du protocole LAMAP, compare l'échauffement de deux enceintes identiques placées sous une lampe : l'une contient du soda fraîchement ouvert qui dégage du CO₂ (atmosphère enrichie), l'autre contient le même soda dégazé la veille (atmosphère normale). Un capteur SCD40 dans chaque enceinte mesure simultanément la température et la concentration en CO₂. Les résultats montrent une différence de température de l'ordre de 0,5 à 1°C en faveur de l'enceinte enrichie en CO₂. Cependant, cette différence est liée à des effets complexes (convection, densité du CO₂) et ne reproduit pas exactement le mécanisme radiatif de l'effet de serre atmosphérique. L'expérience est une excellente occasion de développer l'esprit critique scientifique.
Résumé :
L'élève prépare deux enceintes identiques : l'une avec du soda fraîchement ouvert (qui dégage du CO₂), l'autre avec le même soda dégazé la veille. Chaque enceinte est équipée d'un capteur SCD40 de FizziQ Connect. Les deux enceintes sont placées côte à côte sous une lampe. On observe que l'enceinte enrichie en CO₂ se réchauffe légèrement plus, permettant de discuter les mécanismes de l'effet de serre et les limites de la modélisation.
Ebene :
Autor:
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Lycée
FizziQ
90
Objectif pédagogique :
- Concevoir et réaliser une expérience de modélisation avec un témoin
- Mesurer simultanément la température et la concentration en CO₂ dans deux enceintes
- Observer l'effet d'une atmosphère enrichie en CO₂ sur la température
- Développer l'esprit critique sur les limites d'une modélisation expérimentale
- Discuter la distinction entre effet de confinement et effet de serre radiatif
Concepts scientifiques :
- Effet de serre
- Rayonnement infrarouge
- Absorption et émission thermique
- Convection et confinement
- Gaz à effet de serre (CO₂)
- Modélisation expérimentale et limites
Capteurs :
- Capteur SCD40 (CO₂ en ppm, température en °C) × 2
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ Connect
- Deux boîtiers M5 Stack avec capteurs SCD40
- Deux récipients identiques et transparents (cristallisoirs, boîtes plastiques)
- Une lampe puissante (halogène de préférence, émettant des infrarouges)
- Du soda gazéifié (Fanta, limonade) : une bouteille fraîchement ouverte et une dégazée la veille
- Du film alimentaire pour couvrir les récipients
Protocole expérimental :
La veille de l'expérience, ouvre une bouteille de soda et laisse-la ouverte toute la nuit pour que le gaz s'échappe complètement. C'est le soda « dégazé » (témoin).
Le jour de l'expérience, prépare une seconde bouteille de soda identique, fraîchement ouverte et encore gazéifiée.
Équipe chaque boîtier M5 Stack d'un capteur SCD40. Allume les boîtiers et vérifie qu'ils affichent CO₂ (ppm) et température (°C).
Verse le soda dégazé dans le premier récipient et le soda gazéifié dans le second. Utilise des volumes identiques.
Place un capteur SCD40 dans chaque récipient, au-dessus du liquide (pas immergé). Couvre les récipients de film alimentaire pour limiter les échanges.
Note les valeurs initiales de CO₂ et température pour les deux enceintes. Le CO₂ de l'enceinte avec soda gazéifié devrait être nettement plus élevé (plusieurs milliers de ppm).
Place les deux récipients côte à côte, à la même distance de la lampe. Lance l'enregistrement sur les deux boîtiers.
Allume la lampe (halogène de préférence pour une bonne émission infrarouge). Enregistre pendant 60 à 90 minutes.
Arrête l'enregistrement et exporte les données de chaque boîtier dans FizziQ Connect.
Compare les courbes de température et de CO₂ pour les deux enceintes. Discute les résultats en tenant compte des limites du modèle.
Résultats attendus
Avec le Fanta, la concentration en CO₂ de l'enceinte gazéifiée atteint rapidement 40 000-45 000 ppm (saturation du capteur), tandis que l'enceinte dégazée reste à quelques centaines de ppm. La température de l'enceinte enrichie en CO₂ augmente légèrement plus vite et atteint une valeur finale supérieure d'environ 0,5 à 1°C (24,7°C contre 24,3°C par exemple). L'effet est plus marqué avec une lampe halogène (plus d'infrarouges) et avec le Fanta (couleur claire, bon dégazage). Les résultats sont moins significatifs avec le Coca-Cola (couleur sombre, absorption différente).
Questions scientifiques :
- Peut-on affirmer que la différence de température observée est uniquement due à l'absorption infrarouge par le CO₂ ?
- Pourquoi les résultats sont-ils moins significatifs avec le Coca-Cola qu'avec le Fanta ?
- Quelle est la différence entre l'effet de serre d'une serre horticole et l'effet de serre atmosphérique ?
- Comment une lampe halogène se compare-t-elle à une lampe LED en termes d'émission infrarouge ?
- Quels seraient les résultats si l'on utilisait du CO₂ pur au lieu du CO₂ dégagé par le soda ?
Analyse scientifique
L'effet de serre atmosphérique est un phénomène radiatif : certains gaz (CO₂, H₂O, CH₄) absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et le réémettent partiellement vers le sol, augmentant la température de surface.
Dans cette expérience, l'enceinte enrichie en CO₂ se réchauffe effectivement davantage, mais les mécanismes en jeu ne sont pas uniquement radiatifs. La différence de température observée est aussi liée à des effets de convection : le CO₂ est plus dense que l'air (M = 44 g/mol vs 29 g/mol), ce qui modifie les courants de convection dans l'enceinte.
Dans un cristallisoir rempli de CO₂ dense, l'air doit être plus chaud pour commencer à s'échapper et être remplacé par de l'air frais. La température d'équilibre est donc plus élevée, indépendamment de tout effet radiatif.
Le terme « effet de serre » est lui-même trompeur : dans une serre horticole, le réchauffement est principalement dû au confinement (suppression de la convection) et non à un effet radiatif des vitres. Les vitres d'une serre sont d'ailleurs quasiment opaques aux infrarouges lointains.
Il n'existe pas d'expérience simple en classe reproduisant fid èlement le mécanisme radiatif de l'effet de serre atmosphérique. Cette modélisation est néanmoins pédagogiquement riche car elle permet de discuter les limites des modèles et d'exercer l'esprit critique face aux résultats expérimentaux.
Le véritable effet de serre atmosphérique est mesuré par satellite : sans effet de serre naturel, la température moyenne de la Terre serait d'environ -18°C au lieu de +15°C, soit un réchauffement de 33°C dû principalement à la vapeur d'eau et au CO₂.
Variantes possibles
- Comparer les résultats avec une lampe halogène (plus d'infrarouges) et une lampe LED (moins d'infrarouges)
- Tester avec du Coca-Cola et du Fanta pour observer l'effet de la couleur du liquide
- Utiliser du CO₂ pur (par réaction vinaigre-bicarbonate) au lieu du soda pour contrôler la concentration
- Répéter l'expérience avec des récipients hermétiquement fermés vs ouverts pour isoler l'effet de confinement
- Rechercher et discuter les données satellitaires sur l'effet de serre réel
FAQ
Q: Le capteur SCD40 sature à 40 000 ppm, est-ce un problème ?
R: La plage du SCD40 va jusqu'à 40 000 ppm. Si la concentration dépasse cette valeur, le capteur affiche la valeur maximale. Ce n'est pas un problème pour la mesure de température, qui est l'objectif principal.
Q: Pourquoi utiliser une lampe halogène plutôt qu'une LED ?
R: Les lampes halogènes émettent beaucoup de rayonnement infrarouge (chaleur), simulant mieux le rayonnement solaire qui est absorbé puis réémis en infrarouge par le sol. Les LED émettent principalement de la lumière visible avec peu d'infrarouges.
Q: Cette expérience prouve-t-elle l'effet de serre ?
R: Non, elle montre qu'une atmosphère enrichie en CO₂ peut conduire à une température plus élevée, mais les mécanismes impliqués (convection, densité) ne sont pas exactement ceux de l'effet de serre radiatif atmosphérique. C'est une modélisation avec des limites qu'il faut discuter.