Une étude suggère qu’un phénomène quantique régissant le mode vibratoire des molécules fait du CO2 un gaz à effet de serre particulièrement puissant. Il stimule notamment sa capacité à absorber les rayonnements infrarouges thermiques et à produire de la chaleur. Le phénomène serait à lui seul responsable de près de la moitié du réchauffement induit par le CO2 et devrait être pris en compte dans les modèles climatiques, estiment les chercheurs.
Le CO2 est un gaz à effet de serre abondant sur les planètes rocheuses du système solaire dotées d’une atmosphère plus ou moins épaisse (Vénus, Mars et la Terre). Sur Terre, le cycle des carbonates-silicates (ou cycle du carbone) a régulé son niveau atmosphérique pendant des millions d’années — ce qui a stabilisé le climat et créé des conditions propices à la vie (présence d’eau liquide, couverture végétale abondante, …).
Au cours de ce processus, le CO2 atmosphérique se dissout dans l’eau de pluie, dont le ruissellement sur la croûte terrestre dissout les roches silicatées. Les composés résultants sont transportés par les rivières vers les océans et s’y accumulent sous forme de carbonates. Les températures et la pression au fond des océans inversent ensuite la réaction et libèrent à nouveau du CO2, qui est réinjecté dans l’atmosphère par le biais du volcanisme.
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Cependant, au cours des 150 dernières années, les niveaux atmosphériques de CO2 ont augmenté de manière exacerbée en raison de l’expansion des activités humaines. Les principales émissions sont attribuables à la combustion des ressources énergétiques fossiles, aux changements d’utilisation des terres (agriculture, élevage, urbanisation, …) et à l’industrialisation.
Malgré les efforts de décarbonation, les émissions de CO2 au niveau mondial ne cessent d’augmenter (excepté pendant la crise COVID et la crise économique mondiale de 2008). La perturbation du cycle du carbone a conduit à un réchauffement planétaire sans précédent. Il a d’ailleurs été officiellement établi que l’année dernière a été la plus chaude jamais enregistrée, que cette année risque de surpasser.
La capacité de réchauffement du CO2 provient du fait qu’il absorbe plus efficacement les longueurs d’onde infrarouges thermiques que les proches infrarouges et visibles. Les modèles climatiques les plus précis se basent sur la mesure de la quantité de rayonnement qu’il peut absorber, pour déduire la quantité de chaleur générée dans l’atmosphère (l’effet de serre).
Cependant, la raison pour laquelle les molécules de CO2 sont aussi efficaces pour absorber les rayonnements infrarouges thermiques demeurait jusqu’à présent inconnue. Des chercheurs de l’Université Harvard ont récemment suggéré que cette capacité est due à la résonance de Fermi, un étrange phénomène quantique régissant le mode vibratoire des molécules.
Un phénomène impliqué dans la moitié du réchauffement dû au CO2
La résonance de Fermi se traduit par le déplacement de l’énergie et de l’intensité des bandes d’absorption dans le spectre infrarouge. Dans une molécule, le phénomène décrit la manière dont les atomes d’une molécule vibrent et peuvent s’influencer mutuellement lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Pour l’analogie, ce serait comme la façon dont deux pendules reliés par une corde influencent mutuellement leurs balancements. En d’autres termes, le balancement de l’un peut augmenter celui de l’autre et vice versa.
Comme son nom l’indique, une molécule de CO2 est composée de deux atomes d’oxygène et d’un atome de carbone. Au sein de la molécule, trois phénomènes vibratoires s’influencent mutuellement sous l’effet du rayonnement infrarouge thermique : un étirement symétrique latéral, un mouvement sinueux latéral des atomes d’oxygène et une oscillation de haut en bas. Ces derniers se superposent pour produire un mouvement où chaque atome tourne autour de l’axe majeur de la molécule.
Les experts de la nouvelle étude ont proposé une équation déterminant la quantité de rayonnement absorbée par le CO2, avec ou sans résonance de Fermi. Il a été constaté que ses caractéristiques d’absorption et son effet de réchauffement sur l’atmosphère terrestre ne peuvent être reproduits que lorsque la résonance est incluse. Leurs calculs suggèrent que la résonance est responsable de près de la moitié de l’effet de réchauffement total induit par le gaz.
« Il est remarquable qu’une résonance quantique apparemment accidentelle dans une molécule à trois atomes par ailleurs ordinaire a eu un impact si important sur le climat de notre planète au cours des temps géologiques, et aidera également à déterminer son réchauffement futur dû à l’activité humaine », expliquent les chercheurs dans leur document en prépublication sur arXiv.
Il est important de noter que les scientifiques savaient déjà que le CO2 possède une résonance de Fermi particulièrement élevée. Toutefois, la raison pour laquelle le CO2 « vibre » de manière si unique demeurait un mystère. Néanmoins, disposer d’une équation reliant sa résonance à l’effet de serre pourrait aider à calculer rapidement les tendances de réchauffement, sans nécessairement recourir à un modèle climatique complet. Cela permettrait également de modéliser le climat des exoplanètes — les techniques de modélisation conventionnelles nécessitent de grandes puissances de calcul.