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Sciences physiques et réchauffement climatique - Université Angers

Sciences physiques et réchauffement climatique

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Molécule de CO2 et réchauffement climatique

Molécule de CO2

La physique résoudra-t-elle le problème du réchauffement climatique ? Elle participe en tout cas efficacement à la compréhension du phénomène. Les physiciens de l'équipe MINOS du laboratoire MOLTECH-Anjou de l'Université d'Angers ont révélé des mécanismes jusque là inconnus grâce à un dispositif expérimental unique au monde. Leurs récentes avancées scientifiques ont fait la Une du site national du Cnrs dans un article publié le 17 février 2012. Sans oublier les nombreuses publications dans les plus grandes revues internationales spécialisées.

La faute à la rencontre entre les molécules de CO2 et la lumière

Le travail des chercheurs de l'Université d'Angers a porté sur les molécules de CO2 (constituées de carbone et d'oxygène) pour tenter d'observer leurs interactions avec la lumière. Lorsque la lumière du Soleil arrive sur terre, des infrarouges sont renvoyés vers le ciel. Au cours de leur passage dans l'atmosphère, les infrarouges sont absorbés par les molécules de CO2 car ils leur procurent de l'énergie pour vibrer. C'est ainsi que les infrarouges, et donc la chaleur qu'ils transportent, se retrouvent piégés !
Les émissions de CO2 étant de plus en plus importantes au fil des ans, les infrarouges capturés sont plus nombreux. Cette « prise d'otage » à grande échelle entraîne ainsi un réchauffement excessif de l'atmosphère terrestre.

Cette problématique intéressait surtout les climatologues. Mais la capture des infrarouges par le CO2 implique des phénomènes physiques. Les molécules de CO2 vibrent de trois façons différentes : soit par élongation symétrique (appelée v1), par fléchissement (v2) ou par élongation asymétrique (v3). Les physiciens savaient de longue date que seules les vibrations de type v2 et v3 absorbent les rayons infrarouges. Les molécules de CO2 à vibration symétrique v1 n'aggravent pas le réchauffement climatique. Tandis que les molécules v2, bien que vibrant moins vite que les v3, sont les plus dangereuses. Ceci du fait que les infrarouges « candidats » à cette vibration émis par la surface terrestre sont plus nombreux que pour la vibration v3.

Une meilleure compréhension du phénomène grâce à l'harmonique

Les chercheurs de l'équipe MINOS se sont penchés sur les molécules à vibration asymétrique (v3) car elles sont plus faciles à décrire mathématiquement que celles de type v2. Bien que causant moins de dégâts dans l'atmosphère que les v2, leur étude est essentielle, v3 ayant le pouvoir absorbant le plus fort de la molécule. Le travail des chercheurs a consisté à observer le fonctionnement des molécules de type v3 lorsqu'elles sont confrontées à la lumière. Ils ont préféré utiliser la diffusion de la lumière, nommée spectroscopie Raman, car plus avantageuse que la spectroscopie d'absorption des infrarouges (méthode directe de l'observation des v2 et v3). Mais les scientifiques se sont retrouvés face à un problème de taille. « Les vibrations v3 sont impossibles à détecter directement par diffusion de la lumière », explique Michel Chrysos de l'équipe MINOS, qui souligne que « les vibrations absorbant les rayons infrarouges ne peuvent pas diffuser la lumière ». L'énigme a été résolue grâce aux harmoniques.

Chaque molécule qui vibre émet en effet une série d'harmoniques dont la plus intense est quelques millions de fois plus faible qu'une vibration fondamentale typique. C'est grâce à la spectroscopie « Raman » que les chercheurs ont pu observer cette harmonique. Très sophistiqué, leur dispositif permet de détecter un signal aussi faible que celui qu'émettrait une bougie allumée sur la lune ! Les chercheurs ont ainsi pu observer des vibrations a priori invisibles au moyen de ce dispositif expérimental unique au monde mis au point à Angers.

Des résultats révolutionnaires grâce au dispositif Raman


Les chercheurs ont déposé des molécules de CO2 dans une cuve d'une taille inférieure à un dé, elle même renfermée dans une enceinte incassable et imperméable. Des fenêtres en saphir ont permis à la lumière de rentrer et à l’ensemble de supporter des pressions allant jusqu’à 500 fois la pression atmosphérique. Les chercheurs ont ensuite éclairé le gaz avec un laser avant de détecter le rayonnement (très faible) provoqué par les vibrations des molécules de CO2. Ils ont utilisé pour cela un détecteur ultra sensible refroidi à l’azote liquide à moins de –130° C. L’ensemble du montage, d’une extrême stabilité, a permis aux chercheurs d’enregistrer pendant très longtemps l’infime lumière émise. Leurs observations ont montré que l'harmonique de la molécule CO2 de type v3 avait jusque là été mal observée, remettant ainsi en cause les précédentes recherches de leurs collègues internationaux.

Les résultats obtenus, modélisés sous forme de formules mathématiques par Michel Chrysos, complètent et font avancer les recherches menées par les climatologues autour de la compréhension du phénomène de réchauffement de l'atmosphère.

L'équipe MINOS projette de poursuivre ses travaux sur les molécules d'hexafluorure de soufre, autre gaz à effet de serre, qui absorbe encore plus d'infrarouges que le CO2. Quant au gaz carbonique, le prochain objectif du laboratoire sera d'arriver à décrire les vibrations de type v2, aggravant de manière significative la hausse de la température terrestre. Et qui sait si dans quelques années, climatologues, météorologues et physiciens résoudront ensemble le problème du réchauffement climatique ?

Thérèse Rosset

Commentaire de Bellec posté le 5 novembre 2013 à 18:31

Il y a quelques années (5 ou 6 ?) ayant trouvé sur internet un modèle de la molécule de CO2, j'avais pris contact avec Michel Chrysos. Au Palais de la découverte, nous travaillons de nouveau sur le réchauffement climatique et l'effet de serre. Nous cherchons un document scientifique qui explique le mécanisme physique par lequel les énergies de rotation et en vibration (suite à absorption discontinue des IR) sont transmises aux autres molécules de CO2 (ou de l'air ?) et maintiennent la température de la couche d'air correspondant.

Quelle est la nature du spectre IR d'une couche d'air à la température T ? Est-ce de la diffusion ? Est-ce un spectre continu ?

Un grand merci,

Florence Bellec

tel 01 40 74 81 94

florence.bellec@palais-decouverte.fr

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Pour creuser la question

Qu'est-ce qu'une harmonique ?

En musique, une harmonique est un composant à part entière d’un son musical, et sa fréquence est un multiple de la fréquence fondamentale. Par exemple, si on appelle ƒ la fréquence fondamentale, les harmoniques auront des fréquences égales à : 2ƒ, 3ƒ, 4ƒ, etc. En prenant comme note fondamentale le « la » du diapason (440 Hz), la première harmonique de ce « la » a une fréquence de 880 Hz. Selon le même principe que pour les ondes sonores, la lumière diffusée par une molécule en vibration contient elle aussi des harmoniques. Ces harmoniques peuvent être actives en spectroscopie Raman même lorsque le mode vibratoire fondamental de la molécule est inactif.

La diffusion de la lumière dans l’atmosphère

Bien que milieu transparent, l’air est constitué de particules. Dans leur écrasante majorité, ce sont des molécules d’azote (à 78%) et d’oxygène (à 21%). Mais l’air contient aussi du néon, des fines gouttelettes d’eau, de petites particules de poussière, ainsi que des traces d’autres gaz, comme le dioxyde de carbone à 0,04%, le méthane, l’ozone, l’hexafluorure de soufre, etc. Toutes ces particules peuvent diffuser les rayons lumineux, c’est-à-dire dévier leurs trajectoires dans de multiples directions. C’est d’ailleurs cet « éparpillement » de la lumière qui rend grisâtre la fumée s’échappant d’une cheminée ou visibles les nuages. C’est aussi la diffusion qui confère au ciel et au Soleil leurs couleurs apparentes.
En réalité la diffusion de la lumière est un processus complexe. La lumière entre en interaction avec les molécules du milieu, et cette interaction engendre une nouvelle lumière dont les directions et les couleurs des rayons ne sont pas nécessairement les mêmes que celles de la lumière de départ. Étudier l’intensité de la lumière diffusée en fonction de sa couleur, c’est se renseigner sur les propriétés du gaz qui diffuse; c’est l’un des principaux objectifs des travaux de l’équipe MINOS.

Spectroscopie Raman

Une molécule se comporte comme un assemblage d’atomes, liés deux à deux par des liaisons chimiques, à savoir par de minuscules « ressorts » susceptibles de vibrer sous l’effet de la lumière. Ainsi, dans la molécule CO2, les atomes de carbone et d’oxygène sont séparés dans la liaison C=O d’un dixième de nanomètre; inférieure au milliardième de la taille humaine, cette échelle reste insaisissable par l'œil et par l’esprit. Mais chaque « ressort » possède aussi une fréquence propre. Et il en est de même pour la molécule qui, étant un assemblage d’atomes, ne pourra vibrer que dans des modes vibratoires précis ayant chacun une fréquence propre. Chaque fréquence ayant une « couleur » spécifique sur la frise des ondes électromagnétiques, une relation se dessine entre les modes de vibrations d’une molécule et la couleur qu’elles diffusent. On s’attend alors, lorsque l’on parcourt les fréquences électromagnétiques et que l’on passe près d’une fréquence de vibration, à ce que l’intensité de la lumière que diffuse la molécule subisse des variations relativement abruptes. On parle alors d’un spectre « Raman » de vibration, et par extension, de spectroscopie Raman de vibration.

La molécule CO2 dans ses différents modes de vibration

Vibrations propres d'une molécule de CO2 calculées au moyen de la théorie DFT (Density Functional Theory), niveau B3LYP/3-21G(d), à l'aide du programme GAMESS-package. Les nombres d'ondes indiqués lors de la présentation ne contiennent pas des corrections post-DFT.

Vidéo mise en ligne le 19 juin 2011 par kyoroskichannnel | Japon