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Fourier et l’effet de serre

vendredi, octobre 12th, 2012

Fourier et l’effet de serre

          La question de l’âge de la Terre s’est imposée au milieu scientifique à la fin du XVIIIe siècle. Buffon lança le débat en développant ses vues sur les fossiles, l’érosion… l’église est restée ferme sur le décompte des années : de l’ordre de quelques milliers, mais sans tiquer quant à une évolution de la Terre en forme de refroidissement depuis le chaos originel jusqu’à nos jours.

1812

         Joseph Fourier aborde la question du refroidissement d’un point de vue mathématique en développant des méthodes de calcul toutes personnelles. Dès 1807 il est en mesure de rédiger un mémoire imposant : Théorie de la propagation de la chaleur dans les solides, dont il envoie copie à Biot et à Poisson, avant de le soumettre à l’Académie des Sciences. L’Académie refuse de porter un jugement sur la valeur de ce travail, mais fait du titre du mémoire l’intitulé du sujet pour le prix de l’année 1812.


En janvier 1812 après qu’il en a affiné la rédaction, le travail de Fourier est couronné. Dans son mémoire, Fourier établit la formule qui donne le temps pour passer d’une température initiale donnée à une température donnée :

Ici ? désigne le gradient de température en surface  et k  une constante physique (disons la conductivité du fer).

Il est probable que Fourier a pu vérifier la validité de sa théorie à l’aide du résultat des expériences menées par Buffon dans ses forges près de Montbard. Un point lui pose certainement question : sa théorie établit une formule qui permet de calculer l’âge de la Terre, mais même en adoptant les paramètres les plus extrêmes, il est impossible d’obtenir un résultat proche des moins de six mille ans acceptés par l’église et généralement admis, à l’époque, sans discussion par l’opinion. Nous ne savons rien de ses calculs, mais, même sans adopter des coefficients qui conduisent aux 4,5 milliards d’années actuellement retenus (avec l’apparition de la vie vers un milliard d’années), il dut aboutir à des résultats impossibles à faire admettre et qu’il préféra taire.

Fourier a cependant vraisemblablement partagé ses réflexions avec Arago ; en effet, dans l’éloge funèbre qu’il prononça après le décès de Fourier, Arago confessera : « …parmi les formules de Fourier, il en est une, destinée à donner la valeur du refroidissement séculaire du globe, et dans laquelle figure le nombre de siècles écoulés depuis l’origine de ce refroidissement. La question, si vivement controversée, de l’ancienneté de notre terre, même en y comprenant sa période d’incandescence, se trouve ainsi ramenée à une détermination thermométriques. Malheureusement ce point de théorie est sujet à des difficultés sérieuses. D’ailleurs la détermination thermométrique, à cause de son excessive petitesse serait réservée aux siècles à venir. »

Fourier a donc certainement ardemment cherché des biais qui lui auraient permis de raccourcir la durée théorique qu’il avait obtenue avec cette formule dont il ne mit pas en doute la validité.

(Pour découvrir les conditions de l’application numérique de la formule de Fourier, on pourra se  référer au compte-rendu de la conférence de Cédric Villani par France Caron.)

1824

      Ses réflexions conduisent Joseph Fourier à publier en 1824 un « Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires ». Sans utiliser l’expression, Fourier y jette les bases de l’effet de serre, effet dont il est tant question de nos jours.

Pour une analyse scientifique plus complète et fine de ce mémoire, nous renvoyons à l’article que lui consacre Jean-Louis Dufresne dans le numéro 53, mai 2006, de la Météorologie. Pour nous ici, nous nous contenterons de mettre des éléments biographiques en regard les uns des autres pour souligner la cohérence des recherches de Joseph Fourier.

En effet, Joseph Fourier répugnait à polémiquer (c’est Arago qui nous le rapporte : « …autant il éprouvait de répugnance pour les discussions verbales. Fourier coupait court à tout débat, aussitôt qu’il pressentait une divergence d’avis un peu tranchée, sauf à reprendre plus tard le même sujet, avec la prétention modeste de faire un très petit pas chaque fois. »). Il ne s’aventura donc pas à dévoiler son sentiment profond quant à l’âge de la Terre à une opinion publique qui n’était pas prête à modifier sa façon de penser, cela le guida néanmoins ses réflexions, l’amenant à formuler une théorie qui est toujours, aujourd’hui, en 2012, l’objet d’études actives.