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.