Des infrarouges aux gaz à effet de serre - Expériences et explications pour comprendre les phénomènes en jeu (3/3)

Nous avons testé la transparence de ballons de baudruche en latex naturel (choisis non colorés et plutôt transparents à la lumière visible) aux infrarouges moyens à l'aide de notre caméra thermique, toujours en utilisant l'enveloppe métallique noire d'une lampe halogène comme source chaude. On constate que quand les ballons sont gonflés avec de l'air à l'aide d'une pompe à vélo (et non soufflé par la bouche, pour éviter la forte humidité présente dans l'air expiré, voir plus loin), ils transmettent une part importante d'infrarouges moyens. En effet la température apparente mesurée au niveau du spot blanc sur la figure 4, qui est de ≅ 79 °C sans ballon, reste supérieure à 60 °C quand un ballon est gonflé à son volume maximal (environ 30 cm de diamètre). Ces ballons peuvent donc être utilisés comme contenant pour tester la transparence de différents gaz. La surpression dans un ballon de baudruche ne dépassant pas 0,1 bar, la pression du gaz à l'intérieur est toujours proche de la pression atmosphérique.

Figure 4. Transparence d'un ballon de baudruche en latex (plutôt transparent dans le visible) gonflé avec de l'air à l'aide d'une pompe à vélo, en fonction de son volume En haut : images de référence sans ballon. La température apparente du spot blanc au centre de l'image (valeur « Cen », ≅ 79 °C) est celle de l'enveloppe métallique noire de la lampe. Sur les images en dessous, un ballon de baudruche est interposé entre la caméra et l'enveloppe de la lampe. La température apparente du spot blanc passe de ≅ 32 °C (ballon presque complètement dégonflé, deuxième série d'images en partant du haut) à ≅ 62 °C (images du bas) quand le ballon est gonflé à son volume maximum. Source : Julien Delahaye et al.

Des ballons de baudruche ont été remplis avec de l'azote pur (qui n'est pas un gaz à effet de serre et qui servira donc de référence), de l'air, de l'air expiré, et avec deux gaz à effet de serre (GES) différents : du CO₂ pur, et un mélange de GES fluorés contenu dans une bombe dépoussiérante (90% en masse de HFO-1234ze(E) ou trans-1,3,3,3-Tétrafluoropropène, de formule CFH=CH-CF₃, et 10% en masse de HFC-152a ou 1,1-Difluoroéthane, de formule CH₃–CHF₂, gaz de marque « AIRSEC © », voir remarque). Pour gonfler le ballon avec du CO₂ pur, nous avons utilisé une machine à eau gazeuse, simplement en ajustant à la main de façon étanche l'ouverture du ballon autour de la buse de sortie de l'appareil.

Les images infrarouges obtenues avec les ballons interposés entre la source chaude et la caméra thermique sont présentées sur la figure 5.

Figure 5.  Images infrarouges de l'enveloppe métallique noire d'une lampe halogène sans (n°1) et à travers des ballons de baudruche remplis avec différents gaz (n°2 à 6) Le diamètre des ballons au niveau du spot blanc est dans tous les cas proche de 27 cm. Il n'y aucune différence notable entre les différents ballons sur les images en lumière visible (sauf pour le ballon rempli d'air expiré, voir ci-dessous). Source : Julien Delahaye et al.

Pour quantifier de façon plus précise l'absorption, on peut utiliser la température apparente indiquée par le spot blanc au centre des images de la figure 5 (valeur « Cen », voir tableau 1).

Comparaison air / azote : il n'y a pas de différence visible sur les couleurs des images entre l'air et l'azote pur, et pas non plus de différence significative des températures apparentes. La vapeur d'eau et la faible quantité de CO₂ (environ 0,04%) présentes dans l'air ne se traduisent pas par une absorption notable.

Comparaison azote / dioxyde de carbone : quand le ballon est rempli de CO₂ pur, il n'y a pas non plus de différence visible avec la couleur de l'image prise avec l'azote pur. On note cependant une température apparente plus basse de ≅ 3 – 4 °C par rapport aux ballons remplis avec de l'azote ou de l'air, une différence faible mais significative compte tenu de nos incertitudes de mesure.

Comparaison azote / GES fluorés : quand le ballon est rempli de GES fluorés, l'enveloppe métallique qui apparaissait orange sur l'image infrarouge avec l'azote pur, devient fuchsia. Cette baisse notable de la puissance de rayonnement détectée, se retrouve dans les températures apparentes du spot blanc qui passent de plus de 60 °C à 24 °C, soit quelques degrés seulement au-dessus de la température ambiante (du fond de l'image).

Cette absorption notable des infrarouges moyens par le mélange de GES fluorés peut également se voir plus simplement en plaçant des ballons devant un bocal d'eau chaude, ou devant des visages (voir figures 6 et 7), qui restent visibles derrière le ballon d'air alors qu'ils disparaissent derrière le ballon rempli avec le mélange de GES fluorés.

Figure 6.  Colonne de gauche : images dans le visible de deux bocaux en verre remplis d'eau chaude, sans ballon (en haut), et avec des ballons remplis d'air (au milieu) et de GES fluorés (en bas) placés devant le bocal de droite. Colonne de droite : les images dans l'infrarouge moyen Source : Julien Delahaye et al.

Figure 7.  Image infrarouge de personnes assises derrière une table. Un visage disparait derrière un ballon rempli d'un mélange de GES fluorés (à gauche de l'image), alors qu'il reste clairement visible derrière un ballon rempli avec de l'air expiré (à droite) Source : Julien Delahaye et al.

Les sections efficaces d'absorption des différents gaz à effet de serre que nous avons utilisés (CO₂, HFO-1234ze(E) et HFC-152a), obtenues à partir de la base de données spectroscopiques HITRAN (voir remarque ci-dessous), sont comparées à la réponse spectrale typique d'une caméra thermique standard (voir figure 9 article [2/3]) sur la figure 8. Cette première comparaison permet de situer les raies d'absorption les plus intenses par rapport à la réponse spectrale de la caméra. L'absorption réelle, qui prend en compte la concentration et l'épaisseur des gaz, sera discutée dans un second temps.

Figure 8.  Réponse spectrale d'une caméra thermique typique (courbe en bleue) comparée aux sections efficaces d'absorption de différents gaz (CO2 en noir, CH4 en rouge, HFO-1234ze(E) en vert et HFC-152a en jaune-vert), obtenues à partir de la base de données HITRAN (voir remarque). Le spectre d'un corps noir à T ≅ 80 °C (source chaude, dans notre expérience : l'enveloppe métallique de la lampe) est également représenté (courbe noire) Source : Julien Delahaye et al.

On constate que la bande d'absorption du CO₂ située autour de 15 µm se trouve à la limite de la gamme de détection de la caméra, dans une zone où sa réponse spectrale est faible (une autre bande d'absorption située autour de 4 µm est en dehors de la gamme de détection). Ce n'est d'ailleurs pas un hasard puisque la gamme de détection des caméras thermiques standard coïncide avec ce qu'on appelle la fenêtre infrarouge de l'atmosphère, une zone où l'absorption par la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et le méthane, les principaux gaz à effet de serre sur Terre, est faible ou nulle (ce qui permet de limiter les effets de ces gaz sur les images infrarouges). La caméra thermique est donc peu sensible à l'absorption des infrarouges moyens par le CO₂. Il en est de même pour le CH₄, dont la bande d'absorption autour de 7,5 µm se trouve à la limite inférieure de la gamme de détection de la caméra.

En comparaison, les GES fluorés HFO-1234ze(E) et HFC-152a comptent plusieurs bandes d'absorption dans la gamme de longueurs d'onde où la réponse de notre caméra est la plus forte. La réponse spectrale de la caméra aura donc tendance à amplifier les effets d'absorption de ces GES fluorés par rapport à ceux du CO₂.

Pour savoir quels gaz vont influer significativement sur le signal de la caméra thermique, il ne suffit pas de comparer la position des raies d'absorption les plus intenses à la réponse spectrale de la caméra. En effet, quand la concentration et/ou l'épaisseur des gaz devient importante, ce qui est le cas dans notre expérience (gaz purs, pression 1 atm), l'absorption peut devenir significative même loin des pics de sections efficaces.

Sur la figure 9, les sections efficaces sont tracées en échelle logarithmique et la valeur de la section efficace qui correspond à une absorption de 63% du rayonnement (transmission de 1/e) est indiquée par la ligne en pointillés noirs, pour 30 cm d'épaisseur d'un gaz parfait, P = 1 atm et T = 23 °C. On voit que les gaz fluorés HFO-1234ze(E) et HFC-152a absorbent plus de 63% du rayonnement dans une très large gamme de longueur d'onde, contrairement au CO₂ ou au CH₄, qui ne dépassent ce seuil que dans des intervalles limités de longueurs d'onde.

Figure 9.  Sections efficaces d'absorption en échelle logarithmique de différents gaz : CO2 en noir, CH4 en rouge, HFO-1234ze(E) en vert et HFC-152a en jaune-vert La valeur de la section efficace qui correspond à une absorption de 63% du rayonnement (transmission de 1/e) est indiquée par la ligne en pointillés noirs pour 30 cm d'épaisseur d'un gaz parfait (P = 1 atm, T = 23 °C). Source : Julien Delahaye et al.

À partir de ces sections efficaces et des concentrations des différents gaz présents dans les ballons de baudruche, on peut calculer les spectres transmis et détectés par la caméra thermique, figure 10.

Figure 10.  Intensité transmise par différents gaz et détectée par la caméra. En haut : 30 cm de CO2 (en noir) et de CH4 (en rouge), P = 1 atm, T = 23 °C. En bas : 3 mm (en vert) et 30 cm (en violet) d'AIRSEC (90% de HFO-1234ze(E) et 10% de HFC-152a), P = 1 atm, T = 23 °C Source : Julien Delahaye et al.

Le spectre avec 30 cm de CO₂ ou de CH₄ est quasiment celui de la source tel qu'il est capté par la caméra : l'aire sous la courbe noire (respectivement rouge) qui donne la transmission représente 95% (respectivement 90%) de l'aire de la courbe bleue (sans absorption) pour le CO₂ (respectivement le CH₄). Le spectre en présence des GES fluorés présente en revanche de larges gammes de longueurs d'onde où l'absorption est totale : l'aire sous la courbe violette ne représente plus que 27% de l'aire de la courbe bleue, c'est-à-dire que 30 cm d'AIRSEC absorbe au moins 73% du rayonnement incident (« au moins » car la base de données HITRAN est incomplète : la section efficace d'absorption du HFO-1234ze(E) vaut zéro sur certaines gammes de longueur d'onde, voir remarque précédente sur la base HITRAN). On retrouve bien la forte absorption de l'AIRSEC mise en évidence expérimentalement sur les figures 6 et 7.

Cette comparaison de différents gaz à effet de serre est aussi l'occasion de discuter de la notion de pouvoir réchauffant. Ce nombre, qui quantifie l'effet d'un gaz dans le réchauffement climatique en prenant le CO₂ pour référence, est proportionnel à l'« efficacité radiative » du gaz (en simplifiant beaucoup, sa capacité à absorber les infrarouges moyens pour une quantité de gaz donnée) et à sa durée de séjour dans l'atmosphère. Connaissant ce nombre et la durée de séjour d'un gaz (la valeur de référence pour le CO₂ est de 100 ans), on peut remonter à son « efficacité radiative » relative par rapport à celle du CO₂.

Le HFC-152a et le HFO-1234ze(E) sont des composés fluorés qui appartiennent respectivement aux familles des HFC (hydrofluorocarbures) et HFO (hydrofluorines). Ils sont principalement utilisés comme fluides réfrigérants.

Les HFC ont remplacé en premier les CFC et les HCFC responsables de la destruction de la couche d'ozone et sont pour cela parfois qualifiés de « gaz écologiques ». Mais certains gaz de cette famille sont de puissants gaz à effet de serre. Sur l'étiquette de la bombe dépoussiérante, on peut lire que 0,04 kg de HFC-152a a un « poids équivalent CO₂ » de 4,96 kg, soit ≅ 120 fois plus. Le rapport entre le « poids équivalent CO₂ » du gaz et son propre « poids » correspond au pouvoir réchauffant global du gaz en question. Sachant que le HFC-152a a une durée de séjour de 1,5 ans seulement contre 100 ans pour la valeur de référence du CO₂, un pouvoir réchauffant global de 120 signifie que son efficacité radiative est (100 ans / 1,5 ans) x 120 = 8 000 fois plus grande que celle du CO₂.

Les HFO sont la quatrième génération de fluides réfrigérants, censés remplacer avantageusement les HFC grâce à un pouvoir réchauffant global plus faible. Pour le HFO-1234ze(E) présent dans notre bombe dépoussiérante, son pouvoir réchauffant n'est que de 6, soit environ 20 fois moins que pour le HFC-152a. Mais ce faible pouvoir réchauffant est dû à une durée de séjour de seulement 18 jours : son efficacité radiative est (100 ans / 18 jours) x 6 ≅ 12 000 fois celle du CO₂, proche de celle du HFC-152a.

Dans les expériences d'absorption décrites ici, les gaz sont étudiés sur des temps courts, et c'est donc l'efficacité radiative qui compte et non le pouvoir réchauffant global. Avec des efficacités radiatives environ 10 000 fois supérieures à celles du CO₂, on peut s'attendre à ce que le HFC-152a comme le HFO-1234ze(E) absorbent beaucoup plus fortement les infrarouges moyens que le CO₂ à concentration égale, ce que confirment nos simulations.

Un autre montage expérimental, un peu plus complexe, peut être utilisé, figure 13. L'enveloppe métallique de la lampe halogène sert toujours de source chaude, mais la caméra thermique est remplacée par la thermopile de Moll utilisée précédemment (voir sections 4.1 et 5 article [2/3]) et qui présente une réponse spectrale constante entre 0,2 et 20 µm. On interpose cette fois entre la source chaude et la thermopile un tube fermé aux extrémités par des films plastiques (type film alimentaire ou sac de congélation) qui n'absorbent pas trop les infrarouges moyens (voir figure 2), serrés sur le tube par des élastiques pour faire l'étanchéité. Deux trous le long du tube permettent d'injecter un gaz (CO₂, GES fluorés) et de faire sortir l'air du tube. Ce montage est une reproduction simplifiée des expériences historiques que John Tyndall [10] a réalisées à partir de 1859 pour étudier l'émission et l'absorption dans l'infrarouge moyen de différents gaz, et qui l'ont conduit à découvrir notamment que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone sont des gaz à effet de serre (voir figure 5 article [2/3]).

Figure 13.  Montage de type « Tyndall » permettant de mesurer l'absorption des infrarouges moyens par différents gaz Un tube en carton, fermé à ses extrémités par des films plastiques et dans lequel différents gaz peuvent être introduits est placé entre une source chaude (plaque métallique d'une lampe halogène, à gauche, visible à travers une fenêtre carrée découpée dans un carton) et une thermopile de Moll (à droite). Le tube en carton fait ici 29 cm de longueur. Source : Julien Delahaye et al.

On commence par mesurer la tension aux bornes de la thermopile avec le tube ouvert, puis avec les films plastiques sur les extrémités du tube. La tension baisse d'environ 30%, ce qui confirme l'absorption relativement faible de ces films dans l'infrarouge moyen. Puis on injecte pendant un certain temps du CO₂ dans le tube. On attend quelques dizaines de secondes que le signal se stabilise (temps de réponse de la thermopile, et thermalisation du gaz injecté, généralement plus froid que l'air ambiant), puis on relève la nouvelle tension. La baisse observée traduit l'absorption du CO₂ sur la (large) gamme de longueurs d'onde émise par la source chaude. On peut également injecter le mélange de GES fluorés contenu dans la bombe dépoussiérante pour comparer. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 2.

On observe environ 10% de baisse de transmission avec du CO₂ contre plus de 80% de baisse pour les GES fluorés (par rapport à l'air). En répétant les mesures, les valeurs fluctuent un peu, probablement car la quantité de CO₂ ou de GES fluorés dans le tube n'est pas parfaitement contrôlée, et car le « zéro » de la thermopile dérive dans le temps (il est préférable de le refaire avant chaque série de mesure).

Pour du CO₂ pur placé dans un tube (sous 1 atm), on peut calculer la transmission relative du rayonnement de corps noir à 80 °C à partir de la loi de Beer-Lambert et de la section efficace d'absorption en fonction de la longueur du tube, figure 14. Pour notre tube de 29 cm, on s'attend à une transmission d'environ 90%, en accord avec nos mesures. Pour le mélange de GES fluorés, un calcul précis n'est pas possible car les sections efficaces ne sont connues pour le HFO-1234ze(E) qu'entre 5 et 15 µm (et pas pour toutes les longueurs d'onde dans cet intervalle, voir remarque sur la base HITRAN dans la section 4.1).

Figure 14.  Transmission relative du rayonnement émis par un corps noir à 80 °C (source chaude), à travers un tube contenant 1 atm de CO2 pur à 23 °C, en fonction de la longueur du tube Cette courbe a été calculée à partir des données de la base HITRAN. Source : Julien Delahaye et al.