Un peu de chimie-physique pour comprendre l’influence du CO2 sur le climat

Il n’est de scientifique que le mesurable

       Henri  Poincaré (1854-1912)

Les climatologues autoproclamés ont coutume de rejeter  les critiques à la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique exprimées par des scientifiques de diverses orientations en objectant que ceux-ci ne sont pas climatologues. Cette objection peut leur être retournée car  l’étude du climat ne peut se baser sur des modélisations et des simulations en ignorant certains principes de base de physique et de chimie. Ceci est spécialement manifeste en ce qui concerne la théorie cinétique des gaz et la théorie du corps noir qui font cependant l’objet de cours dans toutes les universités. Nous résumons ci-dessous quelques notions essentielles de ces deux domaines afin de mieux comprendre l’influence que le CO2 pourrait avoir sur le climat. Pour faciliter la lecture du texte nous ne présentons pas le détail des calculs qui peuvent être aisément vérifiés en utilisant une calculette. Nous éviterons aussi, autant que possible, les formules mathématiques en renvoyant les lecteurs à un bon traité de chimie-physique comme celui de P.W. Atkins.[1]

1. Le CO2 dans les basses couches atmosphériques

Oublions le climat et envisageons une boîte opaque contenant, à l’abri de tout rayonnement extérieur, une certaine quantité d’air sec à 15°C et à la pression d’une atmosphère. Dans cette boîte 78 % des molécules sont des molécules d’azote N2  et 21% sont des molécules d’oxygène O2. Le  troisième constituant par ordre d’abondance est l’argon Ar (environ 1 % des molécules). Les molécules de CO2 n’interviennent que pour environ 0,04 %. Toutes ces molécules n’ont pratiquement pas d’interaction entre elles, si ce n’est qu’étant en constante agitation elles entrent en collisions les unes avec les autres lors de chocs dont la plupart sont élastiques (avec conservation de l’énergie cinétique).  La théorie cinétique des gaz a pour objet d'expliquer les propriétés d'un gaz à partir des caractéristiques des mouvements des molécules qui le composent. Elle permet de calculer qu’à la température de 15°C les molécules de l’air sont animées de vitesses de l’ordre de 500 m par seconde (voir fig. 1, courbe à 300 K) et qu’à cette température et à la pression d’une atmosphère, chacune subit plusieurs milliards de collisions par seconde. Les molécules présentent une large distribution de vitesses qui est fonction de la température  en accord avec la loi de Maxwell-Boltzmann (fig. 1).

Fig. 1  Loi de distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann

Ces molécules ne sont pas seulement animées de mouvements de translation. Si elles disposent de l’énergie suffisante elles peuvent aussi entrer en vibration avec variation rapide et périodique des longueurs ou des angles de leurs liaisons interatomiques. A chaque fréquence de vibration est associée une énergie et la théorie quantique nous enseigne que toutes les fréquences de vibration ne sont pas permises. Seuls certains niveaux énergétiques sont permis et ils peuvent être déterminés expérimentalement par spectroscopie d’absorption dans le domaine infrarouge ou Raman. Les molécules biatomiques N2 et O2 sont très rigides et ne vibrent pratiquement pas à 15°C. Par contre, les molécules triatomiques de CO2, linéaires à l’état fondamental O=C=O, peuvent se  déformer facilement et devenir anguleuses en vibrant. L’énergie de cet état de vibration peut être calculée à partir de la bande d’absorption détectée à 15 µm dans le spectre infrarouge du CO2  grâce  à la relation Ev = hc /λ (où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et λ  la longueur d’onde du rayonnement absorbé, dans ce cas 15 µm). Cette valeur n’est que de 30 % supérieure à l’énergie cinétique moyenne des molécules environnantes N2 et O2 qui, d’après la théorie cinétique des gaz,  vaut Ec = 5/2 k T (où k est la constante de Boltzmann et T la  température en Kelvin). Or, beaucoup de molécules ont une vitesse et donc une énergie cinétique supérieure à la moyenne comme l’indique la fig. 1 (la vitesse moyenne est très proche du maximum de la courbe de distribution des vitesses).

En l’absence d’une source extérieure de rayonnement l’énergie nécessaire pour exciter la vibration de CO2 ne peut provenir que de l’énergie d’agitation thermique du milieu ambiant. La quantification de l’énergie n’intervient pas au niveau des mouvements de translation et les énergies cinétiques de translation Ec = mv2/2 présentent une large distribution continue semblable à celle illustrée sur la figure 1. La fonction mathématique correspondant à ces courbes permet de calculer que plus de 40 % des molécules N2 et O2 ont suffisamment d’énergie cinétique pour amener les molécules de CO2 à leur plus bas niveau de vibration lors d’une collision inélastique (sans conservation de l’énergie cinétique). Dans ces conditions  il y a conversion d’une fraction de l’énergie cinétique de translation des molécules N2 ou O2 en énergie de vibration du CO2:

∆Ec (translation) de N2    +    CO2    ->     ∆Ev (vibration) de CO2   +   N2 (1)

Ce ne sont évidemment pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui sont en état de vibration car cette conversion est réversible et les molécules se désactivent endéans quelques microsecondes pour retourner à l’état fondamental  lors de nouveaux chocs avec les molécules environnantes qui, de ce fait, acquièrent temporairement un surcroît d’énergie cinétique de translation :

∆Ev (vibration) de CO2   +    N2   ->     ∆Ec (translation) de N2    +    CO2 (2)

Il existe donc un équilibre dynamique résultant des très nombreuses collisions. Il ne dépend que de la température et de la pression (par le biais de la distribution des énergies et du nombre de chocs entre molécules). Quoique ce ne soient pas toujours les mêmes molécules de CO2 qui vibrent, la proportion de molécules en état de vibration reste constante à une température et une pression déterminées. Cet équilibre ne sera pas modifié si, en plus, certaines molécules de CO2 sont excitées par absorption d’un rayonnement de longueur d’onde appropriée λ (15 µm en l’occurrence) car cet apport d’énergie sera rapidement converti en énergie de translation des molécules environnantes. Cette conclusion est essentielle (mais cependant négligée par les climatologues) pour comprendre l’influence que le CO2 pourrait avoir sur le climat.

2. Influence du CO2 sur le climat

a) Rappel de la théorie du corps noir

Tout corps solide à une température supérieure au zéro absolu (- 273,16 °C) émet un rayonnement qui apparaît dans le domaine visible pour des températures supérieures à 3000 K mais se limite principalement au domaine infrarouge pour des températures inférieures (fig. 2). Ce rayonnement qualifié de « thermique » se présente toujours sous forme d’un spectre continu avec une forte variation d’intensité du côté des courtes longueurs d’onde (hautes énergies), passage par un maximum à la longueur d’onde λmax qui se déplace en fonction de la température (comme indiqué sur la fig. 2) et perte progressive d’intensité du côté des grandes longueurs d’onde (faibles énergies). Il est dû à l’oscillation de dipôles électriques formés par le noyau et le nuage électronique des atomes qui, en accord avec les lois de  l’électromagnétisme, émettent un rayonnement de fréquence égale à la fréquence d’oscillation.

Fig. 2 Rayonnement thermique d’un corps solide à différentes températures

Dans la seconde moitié du 19ème siècle plusieurs physiciens ont tenté d’élaborer une théorie du « corps noir », objet idéal qui,  à l’équilibre thermique, absorbe et émet toutes les longueurs d’onde d’où la qualification de « noir ». Ce n’est qu’en 1900 que Planck proposa une équation introduisant l’idée, révolutionnaire pour l’époque, qu’à chaque longueur d’onde le rayonnement ne peut être émis que sous forme de « quanta » (c’est-à-dire de petits  paquets) dont l’énergie est hν = hc/λ (où ν et λ sont respectivement la fréquence et la longueur d’onde du rayonnement émis, c la vitesse de la lumière et h une nouvelle constante de la nature appelée désormais constante de Planck). L’intégration de l’équation proposée par Planck sur tout le domaine de longueurs d’onde conduit à la formule de Stefan-Boltzmann qui lie la puissance rayonnée par unité de surface M (en W m-2) à la température T (en K)  à la puissance  4 :

M = σ T4 (σ = constante de Stefan = 5,67 x 10-8 W m-2 K-4)

La formule de Stefan-Boltzmann ne peut s’appliquer sous cette  forme que pour une émission vers le vide. En présence d’un autre corps à une température supérieure au zéro absolu et émettant donc aussi un rayonnement thermique l’échange énergétique obéira à la relation :

M = σ (Tc4 – Tf4)

où Tc et Tf sont respectivement les températures des corps chaud et froid impliqués dans l’échange énergétique. Le rayonnement émis par un corps froid ne peut donc pas être absorbé par un corps chaud.  Quant à la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission elle se déplace avec la température selon la loi de Wien :

λmax = C / T (C = 2,9 10-3 m K).

b) La quantité d’énergie solaire reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère

Au niveau de l’orbite terrestre chaque mètre carré placé perpendiculairement au rayonnement solaire reçoit en moyenne sur l’année une puissance voisine de 1368 W mais seule une petite partie de la surface terrestre au voisinage de l’équateur se trouve dans ces conditions. A l’échelle du globe, pour simplifier le problème on admet généralement que chaque mètre carré de la surface terrestre reçoit en continu le quart de 1368 W, soit 342 W, car la Terre n’intercepte le rayonnement solaire que sur une surface égale à celle d’un disque de même rayon. Cette simplification suppose une distribution uniforme de l’énergie sur toute la surface terrestre, des pôles à l’équateur, sans inhomogénéités de température. Ce modèle simplifié ne peut évidemment justifier l’existence de courants marins et aériens qui cependant influencent le climat. Il faut reconnaître qu’un modèle tenant compte d’un hémisphère non éclairé, de la vitesse de rotation de la Terre et de l’inclinaison de son axe de rotation donnerait lieu à des difficultés de calcul insurmontables. En attribuant à la Terre un albédo de 0,3 impliquant non seulement  l’énergie réfléchie par la surface terrestre et par l’atmosphère mais aussi et principalement par les nuages, le rayonnement effectivement reçu par la surface terrestre serait alors réduit à 70 % de 342 soit environ 240 W m-2.

Cette valeur a été introduite dans la formule de Stefan-Boltzmann pour calculer la température « théorique » que devrait avoir la Terre si elle se comportait comme un  corps noir. On trouve ainsi T = 255 K (soit – 18°C). Cette température correspondrait à une Terre sans atmosphère dont le seul mécanisme de dissipation de l’énergie reçue du Soleil serait le rayonnement  thermique. Ce serait aussi une Terre sans océans, sans vapeur d’eau et sans  nuages alors qu’ils contribuent à l’albédo de 0,3 utilisé pour arriver à la valeur de 240 W m-2. La comparaison de cette température « théorique » de – 18°C avec la température « moyenne  globale» de la Terre qui serait de + 15°C est totalement injustifiée. La différence de  33°C souvent présentée comme la manifestation d’un « effet de serre »  est donc sans fondement.

c) Le bilan énergétique de la Terre

Pour maintenir une température constante la Terre doit dissiper l’énergie reçue du Soleil et le bilan énergétique doit tenir compte des différents mécanismes possibles. Le modèle le plus complet est celui proposé par la NASA (fig. 3). D’après ce bilan 30 % de l’énergie reçue par la Terre au sommet de l’atmosphère seraient réfléchis par les nuages, l’atmosphère et la surface terrestre (c’est l’albédo de la Terre déjà mentionné ci-dessus). L’atmosphère et les nuages absorberaient en plus 19 % du rayonnement solaire transmis et finalement  51 %  seulement seraient absorbés par la terre ( càd les continents) et les océans. Cette énergie serait dissipée ensuite suivant trois mécanismes distincts : évaporation de l’eau des océans (23 %), convection de l’air (7 %) et rayonnement thermique (21%).

Remarquons qu’une petite fraction seulement de l’énergie dissipée au sommet de l’atmosphère sous forme de rayonnement provient directement de la surface terrestre (fine flèche rouge à droite sur la fig. 3) car émise dans la zone de transparence atmosphérique entre 8 à 13 µm. Le reste du rayonnement thermique émis par la Terre est absorbé par divers constituants atmosphériques dont le CO2. Finalement toute l’énergie dissipée par la surface terrestre (quel que soit le mécanisme) ou absorbée directement par l’atmosphère et les nuages est convertie en rayonnement dans les couches supérieures de l’atmosphère car c’est le seul mécanisme d’évacuation de cette énergie hors de l’atmosphère terrestre. Le rayonnement détecté par satellite à haute altitude provient donc essentiellement des couches supérieures de l’atmosphère à des températures beaucoup plus froides que la surface terrestre.

Fig. 3  Bilan énergétique de la Terre selon la NASA

d) La fraction de l’énergie solaire absorbée par le CO2

L’incertitude reste très grande concernant l’importance relative de la convection de l’air, de l’évaporation de l’eau des océans et du rayonnement thermique. Pour Sorokhtin et collaborateurs[2] le rayonnement thermique n’interviendrait que pour 8 % de l’énergie dissipée par la surface terrestre donc 4 % (au lieu de 21%) de l’énergie reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère. Néanmoins, pour déterminer quantitativement l’influence que pourrait avoir le CO2  nous utiliserons le bilan de la NASA car il est le plus souvent cité.

Si on considère la Terre comme un corps noir à 15°C la loi de Wien (voir ci-dessus) prévoit que le rayonnement émis devrait présenter un maximum d’intensité à 10 µm et l’équation de Planck permet de calculer que 95 % du spectre seraient compris entre 5 et 40 µm. Le CO2 présente une bande d’absorption dans ce domaine. Centrée à 15 µm elle permet l’excitation de la molécule à un état de vibration impliquant sa déformation angulaire. En intégrant l’équation de Planck dans le domaine de 14 à 16 µm on calcule que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre est émis dans cet intervalle de longueurs d’onde à 15°C. En fin de compte le CO2 ne pourrait absorber que 9,3 % du rayonnement thermique de la Terre (représentant 21% de l’énergie totale reçue du Soleil) soit un peu moins de 2 % de l’énergie totale reçue du Soleil  au sommet de l’atmosphère et donc environ 6 W m-2. Cette valeur serait réduite d’un facteur 5 si le rayonnement thermique n’intervenait que pour 4 % au lieu de 21% (2).

e) La théorie de l’effet de serre

Les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre ont une durée de vie limitée. Elles se désactivent endéans quelques microsecondes en dissipant l’excédent d’énergie qu’elles ont absorbé mais par quel mécanisme ? C’est à ce niveau que se manifeste la divergence d’opinion entre partisans et adversaires de la théorie du changement climatique d’origine anthropique. Les premiers, en effet, invoquent la théorie de l’effet de serre à l’appui de leur thèse alors que les seconds contestent cette hypothèse. Rappelons d’abord la définition de l’effet de serre proposée par les partisans de la théorie du réchauffement climatique d’origine anthropique :

 L’effet de serre est un phénomène radiatif causé par des gaz tels la vapeur d’eau ou le CO2 qui absorbent une fraction du rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémettent  ensuite dans toutes les directions et notamment vers la surface terrestre dont la température serait, de ce fait, plus élevée qu’en l’absence de gaz absorbant l’infrarouge. Ces gaz sont dès lors qualifiés de  « gaz à effet de serre ».

Remarquons d’abord que si les 2 % de l’énergie solaire absorbés par le CO2 étaient réémis dans toutes les directions il n’y  en aurait pas plus de la moitié qui atteindrait la surface terrestre soit environ 3 W m-2. Pour fixer un ordre de grandeur rappelons qu’un être humain au repos dissipe environ 100 W sous forme de chaleur et que la présence d’un être humain occupant une surface d’un m2 correspond donc à la libération de 100 W m-2.

Remarquons ensuite, comme mentionné au paragraphe 2a ci-dessus, que le rayonnement thermique émis par un corps froid ne peut pas être absorbé par un corps chaud. Cela résulte du fait que toutes les longueurs d’onde émises par un corps froid sont déjà émises par un corps à température plus  élevée comme le montre la fig. 2. Elles ne pourront donc être absorbées pour exciter l’oscillation de nouveaux dipôles dans ce corps plus chaud. Les basses couches atmosphériques ne peuvent donc réchauffer la surface terrestre pas plus que les murs froids d’un local ne peuvent réchauffer l’être humain qui s’y trouverait.

Cette dernière remarque suffit à décrédibiliser la théorie de l’effet de serre mais la raison déterminante est que la probabilité de désactivation radiative du CO2 (avec réémission du rayonnement absorbé) est pratiquement nulle étant donné les milliards de collisions par seconde entre les molécules de l’air à des pressions voisines d’une atmosphère et à la température de 15 °C. Les molécules de CO2 excitées à l’état de vibration par absorption d’une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactiveront selon le mécanisme (2) du paragraphe 1 et cet apport d’énergie sera rapidement converti en énergie de translation des molécules environnantes ce qui aura pour effet d’augmenter les mouvements de convection qui contribuent à dissiper l’énergie solaire absorbée par la surface terrestre.

f) Influence du CO2 sur le climat

Le CO2 peut-il avoir une influence sur la température de la surface terrestre ? La réponse est clairement non. L’absorption du rayonnement thermique de la Terre entre 14 et 16 µm est sélective par les molécules de  CO2 mais suite aux collisions cet excédent d’énergie se répartit sur l’ensemble des molécules environnantes. Connaissant la teneur en CO2 dans l’air et le coefficient d’absorption du rayonnement par ce gaz on peut calculer que cette absorption est pratiquement saturée (99,9 % d’absorption) sur une épaisseur atmosphérique de 10 m. L’influence du CO2 mentionnée ci-dessus est donc limitée au voisinage de la surface terrestre où sa présence se manifestera par une modification dans les proportions des trois mécanismes de dissipation par la Terre de l’énergie reçue du Soleil. Dans cette faible épaisseur atmosphérique 2 %  de l’énergie totale reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère terrestre (voir paragraphe 2d) seront convertis en mouvements de convection au détriment de l’intensité du rayonnement thermique. En admettant les  proportions incluses dans le bilan proposé par la NASA en l’absence de CO2 :

Evaporation de l’eau des océans : 23 %   Convection de l’air : 7 %  Rayonnement thermique : 21%

Ces valeurs deviendraient en présence de CO2 :

Evaporation de l’eau des océans : 23 %   Convection de l’air : 9 %  Rayonnement thermique : 19 %

3. Conclusion

De cet exposé on peut conclure que :

  1. La présence de 0,04 % de CO2 dans l’atmosphère se manifeste par l’absorption dans une couche atmosphérique de 10 m d’épaisseur au voisinage de la surface terrestre d’un peu moins de 2 % de l’énergie reçue du Soleil au sommet de l’atmosphère.
  2. L’hypothèse de l’effet de serre, tel que défini par les partisans d’un réchauffement climatique d’origine anthropique, est en contradiction avec les informations tirées de la théorie cinétique des gaz et de la théorie du corps noir.
  3. Les molécules de CO2 ayant absorbé une fraction du rayonnement thermique de la Terre se désactivent par collisions avec les molécules environnantes et non par réémission du rayonnement absorbé.
  4. L’influence du CO2 se manifeste par une modification des proportions des différents mécanismes de dissipation de l’énergie reçue du Soleil. Les mouvements de convection de l’air seront en légère augmentation au détriment de l’intensité du rayonnement thermique.
  5. Le climat peut changer comme il l’a toujours fait et continuera à le faire mais le CO2 ne peut contribuer en aucune manière à un réchauffement de la surface terrestre.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Footnotes

  1. ^ Atkins P.W., Physical Chemistry , Oxford University Press, 4th edition 1990.
  2. ^ Sorokhtin O.G., Chilingar G.V., Khilyuk L.F., Global Warming and Global Cooling, Elsevier Science, 2007.
A propos de l’auteur Georges Geuskens Professeur émérite de l’Université Libre de Bruxelles. Citer comme G. Geuskens, "Un peu de chimie-physique pour comprendre l’influence du CO2 sur le climat", Arguments — Revue européenne de science, vol. 3, n°1, hiver 2018, http://revue-arguments.com/articles/index.php?id=89.