Rudolf Clausius : ce scientifique qui nous a permis de comprendre le climat

En août 2021, le Groupe d’ex­perts inter­gou­verne­men­tal sur l’évolution du cli­mat (GIEC) a pub­lié le pre­mier volet de son six­ième rap­port d’é­val­u­a­tion¹, axé sur les sci­ences physiques à la base de la com­préhen­sion des change­ments cli­ma­tiques. L’objectif des rap­ports du GIEC est d’évaluer la lit­téra­ture sci­en­tifique récente, d’en extraire un con­sen­sus sci­en­tifique et d’élaborer un texte à des­ti­na­tion des décideurs poli­tiques. Or, dans ce rap­port, le nom de Rudolf Clau­sius (1822–1888) dont on célèbre cette année le bicen­te­naire de la nais­sance, est cité à plusieurs reprises. 

Pour com­pren­dre com­ment une sci­ence si sophis­tiquée comme la cli­ma­tolo­gie est née et s’est dévelop­pée, il faut remon­ter le temps de quelques siècles.

En effet, l’histoire de l’étude du cli­mat voy­age en par­al­lèle avec l’étude des océans, qui occu­pent un rôle cen­tral dans la régu­la­tion du cli­mat. La géo­gra­phie de la mer, comme était appelée autre­fois l’océanographie, est une dis­ci­pline très anci­enne née de l’intérêt économique des éten­dues d’eau pour le com­merce, la pêche, la chas­se à la baleine et l’exploration. Jusqu’au XVI^e siè­cle, cepen­dant, les con­nais­sances étaient acquis­es de manière empirique, par des infor­ma­tions anec­do­tiques basées sur des réc­its de pêcheurs et sur des cartes par­fois accom­pa­g­nées d’ex­pli­ca­tions ésotériques ou magiques. 

Déci­sives pour la con­nais­sance des con­di­tions atmo­sphériques et marines furent les inven­tions du ther­momètre et du baromètres, à cheval entre le XVI^e et le XVII^e siè­cle en Ital­ie (notam­ment grâce aux travaux de Galilée puis d’Evangelista Torricelli).

Pour com­pren­dre com­ment une sci­ence si sophis­tiquée comme la cli­ma­tolo­gie est née, il faut remon­ter le temps de quelques siècles.

La con­nais­sance des océans, et en par­ti­c­uli­er la car­togra­phie des courants, buta jusqu’au milieu du XVIII^e siè­cle sur l’incapacité à déter­min­er la lon­gi­tude en mer. C’est le développe­ment des chronomètres marins qui per­met le début de la car­togra­phie des courants, ini­tiée notam­ment par Ben­jamin Franklin. 

L’océanogra­phie, en tant que dis­ci­pline sci­en­tifique, naît entre 1855, année de pub­li­ca­tion de Géo­gra­phie physique de la mer de l’Américain Matthew Fontaine Mau­ry et 1872, date de début de la pre­mière cam­pagne océanographique, l’expédition du Chal­lenger de l’Écossais Charles Wyville Thomson. 

En France, en 1774, l’abbé Louis Cotte – qui tra­vail­lait pour les Sociétés royales de médecine et d’agriculture – pub­lia le Traité de météorolo­gie², con­sid­éré aujourd’hui comme un des pre­miers textes de cli­ma­tolo­gie moderne.

Mais c’est au début du XIX^e siè­cle que l’étude de l’atmosphère et des gaz qui la com­posent se com­plex­i­fie. Le con­cept d’effet de serre appa­raît pour la pre­mière fois en 1824, dans une pub­li­ca­tion de Jean-Bap­tiste Joseph Fouri­er, qui étu­di­ait les math­é­ma­tiques des flux de chaleur³. Ce grand physi­cien et math­é­mati­cien franc-com­tois émit l’hypothèse que l’atmosphère agit comme un isolant, sans lequel la Terre serait com­plète­ment gelée. 

Il fal­lait en savoir plus sur le rôle des gaz atmo­sphériques dans l’effet de serre. En 1861, au beau milieu du débat houleux sur l’origine des glacia­tions, le physi­cien irlandais John Tyn­dall – suc­cesseur de Michael Fara­day à la Roy­al Insti­tu­tion et pas­sion­né de glaciolo­gie – décou­vrit de façon expéri­men­tale que le prin­ci­pal gaz impliqué est la vapeur d’eau, suivi par le dioxyde de car­bone⁴. Ces gaz absorbent une par­tie des rayons infrarouges, et des petites vari­a­tions de leur con­cen­tra­tion provo­quent des change­ments cli­ma­tiques. Des résul­tats sim­i­laires, quoique moins aboutis, avaient été obtenus cinq années aupar­a­vant par l’inventrice et mil­i­tante améri­caine des droits des femmes Eunice Foote, mais il n’y avait pas eu de dif­fu­sion au-delà de l’océan et ces pre­miers résul­tats ont ensuite été oubliés⁵.

Puis le fort lien entre le cycle du car­bone et la tem­péra­ture ter­restre fut mis en évi­dence par le Prix Nobel Svante Arrhe­nius. Le chimiste sué­dois démon­tra qu’une aug­men­ta­tion de CO₂ dans l’atmosphère engen­dre, comme con­séquence, une sig­ni­fica­tive aug­men­ta­tion de tem­péra­ture⁶. Il avait cal­culé que si la con­cen­tra­tion de CO₂atmo­sphérique devait dou­bler, la tem­péra­ture moyenne aurait aug­men­té de 4 °C à 6 °C, ce qui n’est pas très loin des esti­ma­tions actuelles. Dom­mage que la com­mu­nauté sci­en­tifique n’ait accep­té l’influence du CO₂ dans le bilan énergé­tique de l’at­mo­sphère que dans les années 1950. D’ailleurs, Arrhe­nius vit plus loin : il com­prit aus­si que l’augmentation de CO₂, en cours déjà à son époque, devait être attribuée à l’activité indus­trielle du char­bon et des autres com­bustibles fos­siles. Seule­ment, pour lui c’était une bonne nou­velle : les êtres humains du futur ne souf­friraient pas à cause d’une nou­velle glaciation !

Venons-en main­tenant à la for­mule de Clau­sius-Clapey­ron, citée 36 fois dans le six­ième rap­port d’é­val­u­a­tion (GIEC).

Émile Clapey­ron (1799–1864), élève poly­tech­ni­cien de 1816 à 1818 avant de rejoin­dre l’École des mines, fut un ingénieur et physi­cien parisien qui, dans la pre­mière par­tie de sa car­rière, appor­ta des avancées sig­ni­fica­tives dans le domaine de l’ingénierie des ponts. Ce fut son pro­fond intérêt envers la nais­sante indus­trie des chemins de fer qui l’amena à tra­vailler sur les machines à vapeur et à diriger leur con­struc­tion ; mais il s’intéressa surtout à l’amélioration du ren­de­ment des loco­mo­tives⁷. 

Il prit con­nais­sance des travaux de Sadi Carnot, aujourd’hui con­sid­éré comme le fon­da­teur de la ther­mo­dy­namique mais peu con­nu à l’époque (il venait de mourir, âgé de seule­ment 36 ans). Clapey­ron divul­gua ses travaux sur la mécanique de la chaleur, les ren­dit plus com­préhen­si­bles et appor­ta son énorme con­tri­bu­tion. On lui doit une des pre­mières énon­ci­a­tions de la deux­ième loi de la ther­mo­dy­namique, la for­mu­la­tion de la loi des gaz par­faits (PV=nRT) et la représen­ta­tion graphique de l’évo­lu­tion de la pres­sion de change­ment d’é­tat d’un corps en fonc­tion de la tem­péra­ture (for­mule de Clapeyron).

Clau­sius reprit la for­mule de Clapey­ron et l’appliqua au cas par­ti­c­uli­er d’un équili­bre liquide-vapeur. 

Quelques années plus tard, un autre père fon­da­teur de la ther­mo­dy­namique, le physi­cien et math­é­mati­cien prussien Rudolf Clau­sius (1822–1888), refor­mu­la la deux­ième loi de la ther­mo­dy­namique dans la forme actuelle : « La chaleur se trans­met tou­jours d’un corps plus chaud à un corps plus froid ». Et il intro­duit égale­ment les con­cepts d’entropie. En par­al­lèle de son activ­ité d’enseignement au Poly­tech­nique de Zurich et aux uni­ver­sités de Berlin, Würzburg et Bonn, Clau­sius con­tribua aux grandes décou­vertes en physique du XIX^e siè­cle et s’inspira de ses con­tem­po­rains Carnot, Joule, Kelvin et Clapey­ron. En effet, Clau­sius reprit la for­mule de Clapey­ron et l’appliqua au cas par­ti­c­uli­er d’un équili­bre liq­uide-vapeur⁸.

Finale­ment, on arrive donc à la fameuse for­mule tant utile à l’étude des change­ments cli­ma­tiques. Selon la for­mule de Clau­sius-Clapey­ron, à l’augmentation de tem­péra­ture de 1 °C cor­re­spond une aug­men­ta­tion de l’humidité de l’atmosphère d’environ 7 %, c’est-à-dire env­i­ron 1 à 3 % de pré­cip­i­ta­tions en plus à l’échelle mon­di­ale. En des mots sim­ples, cette équa­tion aide à com­pren­dre la for­ma­tion des nuages, de la pluie, de la neige et se révèle très cohérente avec la prévi­sion de phénomènes météorologiques extrêmes comme l’augmentation de la fréquence des pré­cip­i­ta­tions et de leur quan­tité max­i­male annuelle, de la vitesse du vent, des inon­da­tions flu­viales. De plus, l’aug­men­ta­tion de l’hu­mid­ité cor­re­spond à une aug­men­ta­tion de la masse de vapeur d’eau et donc de l’ef­fet de serre, entrainant de ce fait une boucle de rétroac­tion positive.

La for­mule de Clau­sius-Clapey­ron est donc une très bonne base physique pour guider les prévi­sions futures, du moins à l’échelle mon­di­ale. En effet, d’importantes vari­a­tions à l’échelle régionale peu­vent se pro­duire selon les con­di­tions locales, comme l’avait déjà com­pris Alexan­der von Hum­boldt (1769- 1859) en étu­di­ant les divers­es con­di­tions cli­ma­tiques des paysages sud-américains.