Climat épisode 3 . Une canette de bière, un modèle de l’atmosphère terrestre ?

Il s’agit ici d’un petit essai ironique à ne pas prendre au sérieux, quoique …

Comme je suis encore curieux et pas encore gâteux (ça viendra), je me suis trouvé avec innocence presque fasciné par un phénomène très simple de physique basique qu’il m’a fallu analyser pour en déduire une signification généralisée. J’avais posé une canette de bière bien fraîche sur la table du séjour recouverte d’une plaque de verre. Comme l’air marin est naturellement humide, une condensation est apparue sur la surface de la canette, rien d’anormal. Mais lorsque j’ai levé le coude pour la première gorgée de bière (je mens effrontément, ce n’étais pas du tout la première gorgée de bière de la journée) je me suis aperçu qu’un rond de gouttelettes d’eau se trouvait maintenant sur le verre de la table, non seulement au niveau du cercle de contact direct de la plaque de verre avec le fond concave de la canette mais un cercle complet de condensation. J’ai pris un mouchoir en papier et essuyé cette condensation. Comme je m’y attendais un peu, la condensation de la vapeur d’eau existait de part et d’autre de la plaque de verre de la table, en dessus, c’est-à-dire au plus près de la canette de bière, mais aussi sur la face inférieure du plateau de verre.

Que s’est-il passé ? La canette de bière fraiche a « pompé » de la chaleur en provenance de la plaque de verre pour se réchauffer et hors-mis le contact entre le verre et le bord du fond de la canette où s’est produit un transfert direct de chaleur, l’échange de chaleur dans le reste de cette surface s’est fait par rayonnement infra-rouge en provenance de la plaque de verre. L’inverse est difficile à imaginer : la plaque de verre n’a pas pu « refroidir » le fond de la canette de bière. Il y a eu transfert d’énergie de la plaque de verre se trouvant à la température ambiante, disons 27 degrés, vers le fond de la canette de bière à une température proche de 5 degrés et de ce fait la bière s’est légèrement réchauffée et par voie de conséquence la plaque de verre s’est refroidie en cédant cette énergie calorifique. Tout naturellement, la vapeur d’eau ambiante s’est condensée comme elle se condensait d’ailleurs sur les parois de la canette. Cette condensation est un phénomène physique très courant qualifié d’exothermique pour utiliser un mot savant. En d’autres termes, la vapeur d’eau, dont l’existence même a nécessité un apport d’énergie (du Soleil) pour qu’elle coexiste dans l’air avec l’azote et l’oxygène, restitue cette énergie lors de la condensation et le résultat est un réchauffement de la plaque de verre qui a auparavant cédé de l’énergie au fond plus froid de la canette de bière ainsi qu’un réchauffement de la surface cylindrique de la canette de bière. On se trouve donc dans un système où interviennent trois acteurs, deux corps solides, la plaque de verre de la table et la canette de bière, et un acteur gazeux devenant liquide, la vapeur d’eau.

Vous me direz que cet exposé paraît emberlificoté mais pas tant que ça, car c’est ce qui se passe exactement dans les phénomènes météorologiques. La canette de bière peut représenter l’atmosphère, la plaque de verre de la table la surface du sol et la vapeur d’eau le véhicule permettant de transmettre de l’énergie entre ces deux composantes. Il y a peut-être, à ce que l’on prétend, quelques parties par million de CO2 qui contribuent à ce phénomène mais c’est certainement négligeable car, en effet, pour que ce gaz puisse intervenir de manière conséquente dans le processus, il faudrait qu’il change aussi « d’état », en d’autres termes qu’il se vaporise depuis l’état solide ou qu’il se solidifie depuis l’état gazeux. Ces conditions ne sont naturellement pas réunies au niveau de la mer puisqu’elles apparaissent aux alentours de moins 78 degrés centigrades.

Pourquoi ai-je dit que la vapeur d’eau était un véhicule de transmission de la chaleur d’un corps vers un autre ? Tout simplement parce que outre le rayonnement infra-rouge provenant de la plaque de verre se trouvant à la température de la pièce, « pompé » ou absorbé – comme vous voudrez – par le fond de la canette de bière, la condensation de la vapeur d’eau contribue au réchauffement de la canette. Et comme la plaque de verre s’est refroidie en cédant de l’énergie à la canette de bière, la vapeur d’eau va contribuer à atteindre l’équilibre thermique du système. Tout se passe rigoureusement ainsi dans le système Terre-atmosphère. Les principaux mécanismes mis en jeu dans l’équilibre thermique de ce système sont les mouvements de convection de l’air chargé de vapeur d’eau et l’échange d’énergie par rayonnement infra-rouge entre la surface de la Terre et l’atmosphère chargé de vapeur d’eau, c’est mieux de le répéter. Comme la plaque de verre de la table représentant la surface de la Terre, cette dernière rayonne dans l’infra-rouge et ce rayonnement est absorbé par l’atmosphère, rayonnement qui va de proche en proche se dissiper dans l’espace. Et ce processus permet d’évacuer l’énergie reçue par la surface de la Terre en provenance du Soleil. S’il n’y avait pas de vapeur d’eau dans l’atmosphère il ferait subitement froid dès le coucher du Soleil et immédiatement très chaud dès le lever de l’astre. C’est un peu la situation dont on peut faire l’expérience au milieu d’un désert où la surface du sol se refroidit par le seul rayonnement infra-rouge émis vers les hautes couches de l’atmosphère sans arriver à maintenir une température suffisante de l’air ambiant qui est très sec car l’azote et l’oxygène absorbent très peu ce rayonnement infra-rouge qui va se perdre directement dans l’espace.

La vapeur d’eau est donc le principal véhicule « transportant » la chaleur et pour deux raisons très simples : la capacité thermique de l’eau est en effet très élevée (4,2 kJ/kg.°K) et l’enthalpie de vaporisation de l’eau est également particulièrement élevée de 40,65 kJ/mole soit 2200 kJ/kg. Ces paramètres physiques ne sont pas en eux-mêmes parlants mais ils signifient que l’eau est un excellent fluide caloporteur, d’ailleurs cette propriété est utilisée dans les machines thermiques, et il faut une quantité d’énergie importante pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état gazeux et cette énergie est en partie restituée au milieu ambiant quand la vapeur d’eau se condense. Enfin la tension superficielle de l’eau est extrêmement élevée ce qui favorise la formation de gouttelettes lorsque la vapeur se condense, lors de la formation des nuages notamment. Tous ces paramètres physiques de l’eau contribuent à son rôle prédominant de véhicule thermique entre l’atmosphère et le sol.

Finalement cette canette de bière posée sur une table de verre n’est qu’une petite machine thermique et c’est la vapeur d’eau ambiante qui joue pleinement son rôle afin que le système atteigne au bout d’un certain laps de temps un équilibre. C’est exactement ce qui se passe sur la Terre : la dissipation de l’énergie reçue du Soleil est assurée essentiellement par la vapeur d’eau et l’atmosphère n’est en réalité qu’une gigantesque machine thermique avec ses soupapes de sécurité comme les typhons ou les ouragans et ses orages avec éclairs dissipant l’énergie accumulée par la vapeur d’eau et provenant en majeure partie de la surface terrestre, terre ferme ou océans, après que celle-ci ait été irradiée par le rayonnement infra-rouge issu du Soleil.

Quand j’ai terminé l’écriture de ce petit billet qui n’a aucune prétention scientifique le fond de bière dans la canette était tiède, il n’y avait plus de condensation, tout était en équilibre comme l’est la Terre avec l’Espace depuis des milliards d’années …