L'origine quantique de l'effet de serre

En 1896, le physicien suédois Svante Arrhenius a découvert que le dioxyde de carbone (CO₂) piège la chaleur dans l'atmosphère terrestre, un phénomène maintenant appelé l'effet de serre. Depuis, des modèles climatiques de plus en plus sophistiqués ont confirmé que chaque doublement de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère entraîne une augmentation de la température de la Terre de 2 à 5 degrés Celsius. Cependant, la raison physique pour laquelle le CO₂ se comporte ainsi est restée un mystère jusqu'à récemment.En 2022, des physiciens ont résolu une dispute sur l'origine de la "mise à l'échelle logarithmique" de l'effet de serre. Puis, au printemps 2024, une équipe dirigée par Robin Wordsworth de l'Université Harvard a découvert pourquoi la molécule de CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur. Ils ont identifié une particularité de la structure quantique de la molécule qui explique pourquoi elle est un gaz à effet de serre si puissant.

Découvertes anciennes et récentes

Joseph Fourier,  mathématicien et physicien français, a montré il y a 200 ans que l'atmosphère de la Terre isole la planète du froid spatial. Ensuite, Eunice Foote et John Tyndall ont montré que le CO₂ absorbe bien le rayonnement infrarouge. Arrhenius a utilisé ces découvertes pour conclure que l'ajout de CO₂ réchaufferait la surface de la planète.Cependant, le physicien suédois Knut Ångström a contesté cette théorie en affirmant que le CO₂ n'absorbe qu'une longueur d'onde spécifique de 15 microns et que la quantité de CO₂ dans l'atmosphère était déjà suffisante pour piéger toute cette lumière. Ce qu'il lui a échappé, c'est que le CO₂ peut également absorber des longueurs d'onde légèrement plus courtes ou plus longues, bien que moins efficacement. Lorsque la concentration de CO₂ double, la lumière infrarouge a plus de molécules à traverser avant de s'échapper, ce qui ralentit le flux de chaleur.

Explication quantique

L'équipe de Wordsworth a utilisé la mécanique quantique pour expliquer pourquoi le CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur. Les molécules de CO₂ peuvent absorber des photons lorsque ceux-ci ont exactement la bonne quantité d'énergie pour faire passer la molécule à un état quantique différent. Le CO₂ a un état de base où ses trois atomes forment une ligne, et des états excités où les atomes oscillent. Un photon de lumière de 15 microns contient l'énergie exacte nécessaire pour faire tourbillonner l'atome de carbone autour du point central dans une sorte de mouvement de hula-hoop.  Les climatologues ont longtemps imputé l'effet de serre à cet état de hula-hoop, mais, comme l'avait prévu Ångström, l'effet nécessite une quantité d'énergie trop précise, a constaté Wordsworth et son équipe. L'état de hula-hoop ne peut pas expliquer le déclin relativement lent du taux d'absorption des photons au-delà de 15 microns, et ne peut donc pas expliquer à lui seul le changement climatique.

La clé est un autre type de mouvement où les atomes d'oxygène oscillent vers et loin du centre de carbone, comme un ressort. Ce mouvement a une énergie proche du double de celle du mouvement de "hula-hoop", permettant aux deux états de se mélanger. Ce phénomène, appelé résonance de Fermi, explique pourquoi le CO₂ est si efficace pour piéger la chaleur.

Conclusion

Ces découvertes montrent que le changement climatique est directement lié aux principes de la mécanique quantique, renforçant ainsi les arguments en faveur de la réalité du réchauffement climatique. La concentration de CO₂ dans l'atmosphère a atteint un niveau record de 419,3 parties par million en 2023, entraînant une augmentation estimée de 1 degré Celsius de la température globale jusqu'à présent.