La chimie du changement climatique

En 1856, une scientifique américaine du nom d'Eunice Newton Foote remplit des cylindres de verre avec différents gaz, les exposa au soleil et observa ses thermomètres. Le cylindre contenant du dioxyde de carbone devint plus chaud que les autres et conserva sa chaleur le plus longtemps après qu'elle l'eut placé à l'ombre. À partir de cette simple expérience de paillasse, elle tira une conclusion remarquable : une atmosphère plus riche en ce gaz donnerait à notre planète une température plus élevée. Quelques années plus tard, le physicien irlandais John Tyndall, travaillant avec des instruments bien plus précis, confirma en détail que certains gaz absorbent le rayonnement thermique alors que les principaux composants de l'air ne le font pas.

Ce que Foote et Tyndall ont découvert par hasard, c'est le cœur moléculaire du changement climatique. L'histoire que l'on raconte habituellement avec des images de glaciers qui fondent et de mers qui montent est, à sa base, une histoire de molécules : la façon dont elles vibrent, dont elles échangent des atomes entre l'air, la roche et les tissus vivants, et dont elles réagissent lorsqu'elles sont dissoutes dans l'eau de mer. Pour vraiment comprendre un monde qui se réchauffe, il est utile de chausser les lunettes d'un chimiste et de regarder ce que font les molécules individuelles.

Pourquoi le dioxyde de carbone piège la chaleur

Le Soleil baigne la Terre de lumière visible, que notre atmosphère laisse passer presque sans entrave. Le sol et les océans absorbent cette lumière, se réchauffent et renvoient l'énergie vers l'extérieur sous forme de rayonnement infrarouge, cette même chaleur invisible que vous ressentez près d'un poêle ou d'un mur chauffé par le soleil. La question est de savoir si cette chaleur sortante s'échappe vers l'espace ou si elle est captée en chemin. C'est ici que la structure moléculaire décide du sort de la planète.

Les deux gaz qui composent environ 99 pour cent de l'air sec, l'azote et l'oxygène, sont chacun constitués de deux atomes identiques. Parce que la liaison entre ces atomes semblables est parfaitement symétrique, ces molécules sont essentiellement transparentes à la lumière infrarouge. Elles ne peuvent pas saisir la chaleur sortante. Le dioxyde de carbone est différent. Une molécule de CO2 possède un atome de carbone encadré par deux atomes d'oxygène, et ses liaisons peuvent s'étirer et se plier de manières qui déplacent la distribution de la charge électrique à travers la molécule. Lorsqu'un photon infrarouge de l'énergie adéquate survient, la molécule l'absorbe, ses liaisons vibrent plus vigoureusement, et un instant plus tard elle libère à nouveau cette énergie dans une direction aléatoire, souvent vers la surface.

L'effet de serre en une phrase : les gaz à effet de serre laissent entrer la lumière du soleil mais ralentissent la sortie de la chaleur, maintenant la surface bien plus chaude qu'elle ne le serait autrement. Ce n'est pas un défaut ; c'est essentiel. Sans aucun effet de serre, la température moyenne de surface de la Terre se situerait bien en dessous du point de congélation, autour de moins 18 degrés Celsius plutôt que les confortables 15 degrés dont nous profitons. Le problème est une question de degré. Ajouter davantage de CO2 et d'autres gaz absorbant la chaleur épaissit la couverture, et la surface se réchauffe pour compenser.

Une foule de molécules à effet de serre

Le dioxyde de carbone est en tête d'affiche, mais il partage la scène. La vapeur d'eau est en réalité le gaz à effet de serre le plus abondant, et elle amplifie le réchauffement : à mesure que l'air se réchauffe, il retient davantage d'humidité, ce qui piège encore plus de chaleur. Mais la vapeur d'eau répond à la température plutôt que d'entraîner la tendance à long terme, car tout excès retombe sous forme de pluie en quelques jours. Le méthane, principal ingrédient du gaz naturel et produit du bétail, des zones humides et des décharges, est une molécule absorbante bien plus puissante que le CO2 à court terme, bien qu'il ne persiste dans l'atmosphère qu'environ une décennie avant que des réactions chimiques ne le décomposent. Le protoxyde d'azote, libéré en grande partie par les sols fertilisés, est plus rare mais extrêmement durable.

Ce qui distingue le dioxyde de carbone, c'est sa persistance et sa quantité même. Une fraction significative du CO2 émis aujourd'hui influencera encore le climat dans plusieurs siècles, car la nature ne l'élimine que lentement. Cette combinaison de longévité et de concentration croissante explique pourquoi le CO2 est considéré comme le bouton maître du climat à long terme. Avant la révolution industrielle, l'atmosphère contenait environ 280 parties par million de dioxyde de carbone. Elle a désormais dépassé 420 parties par million, un niveau que la planète n'avait pas connu depuis des millions d'années, et cette augmentation suit de près la combustion du charbon, du pétrole et du gaz.

Le cycle du carbone : un système de recyclage planétaire

Le carbone n'est ni créé ni détruit par tout cela ; il est déplacé. La Terre fait tourner une énorme opération de recyclage incessante dans laquelle les atomes de carbone font la navette entre quatre grands réservoirs : l'atmosphère, les océans, les êtres vivants, et les roches et les sols. Comprendre le changement climatique, c'est comprendre comment l'activité humaine a déréglé cet équilibre.

La photosynthèse et la respiration forment la boucle biologique rapide. Les plantes, les algues et certaines bactéries prélèvent le CO2 de l'air et, grâce à la lumière du soleil, assemblent le carbone en sucres, libérant de l'oxygène comme sous-produit. Les animaux et les microbes mangent ensuite ces sucres et expirent à nouveau du CO2, ou bien les plantes elles-mêmes respirent. Sur une année, cette boucle inspire et expire d'énormes quantités de carbone, ce qui explique pourquoi les niveaux mesurés de CO2 baissent légèrement chaque été dans l'hémisphère Nord, lorsque les forêts se couvrent de feuilles, puis remontent en hiver.

La boucle géologique lente opère sur des milliers, voire des millions d'années. Les volcans rejettent du CO2 provenant des profondeurs de la Terre. La pluie, rendue légèrement acide par le dioxyde de carbone dissous, érode lentement la roche et entraîne des minéraux vers la mer, où les créatures marines emprisonnent le carbone dans des coquilles de carbonate de calcium qui finissent par devenir du calcaire. La matière végétale enfouie, comprimée au fil des âges géologiques, est devenue charbon, pétrole et gaz. Voici le nœud du problème : les combustibles fossiles sont du carbone que le cycle lent a retiré de l'air au cours de centaines de millions d'années. En les brûlant, nous relâchons ce carbone ancien dans l'atmosphère en l'espace de quelques siècles, bien plus vite que la boucle lente ne peut le réabsorber. Le cycle naturel était à peu près en équilibre ; nous y avons ajouté un grand flux à sens unique qu'il ne peut pas suivre.

Le marché silencieux de l'océan

Les océans ont amorti le choc. L'eau de mer absorbe une large part du dioxyde de carbone que nous émettons, peut-être un quart ou plus, agissant comme une vaste éponge chimique. Sans cette absorption, le CO2 atmosphérique et le réchauffement de surface seraient considérablement pires. Mais l'aide de l'océan a un prix chimique, et ce prix est un tout autre problème, qui n'a rien à voir avec la température.

Lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau, il ne reste pas simplement là. Il réagit. Le CO2 se combine aux molécules d'eau pour former de l'acide carbonique, ce même acide faible qui donne aux sodas leur acidité piquante. L'acide carbonique libère ensuite des ions hydrogène dans l'eau de mer environnante. Plus il y a de CO2 dissous, plus il y a d'acide carbonique, donc plus il y a d'ions hydrogène libres, et une concentration croissante d'ions hydrogène est, par définition, une augmentation de l'acidité. La mer devient, très progressivement, plus acide. C'est l'acidification des océans, parfois appelée le jumeau tout aussi sérieux du réchauffement climatique.

Quand la mer tourne à l'aigre

Les chiffres semblent modestes, mais la chimie ne pardonne pas. L'eau de surface des océans est passée d'un pH préindustriel d'environ 8,2 à environ 8,1 aujourd'hui. Parce que l'échelle de pH est logarithmique, chaque pas d'une unité représente un changement d'un facteur dix, de sorte que cette baisse apparemment minime correspond à une hausse substantielle de la concentration en ions hydrogène, une augmentation d'environ un quart à un tiers. L'océan demeure légèrement alcalin, et non littéralement acide, mais il évolue régulièrement dans la direction acide, et c'est la tendance qui importe pour les créatures qui y vivent.

Les bâtisseurs de coquilles encaissent le coup. Les coraux, les huîtres, les moules, les escargots de mer et d'innombrables minuscules planctons construisent leurs squelettes et leurs coquilles à partir de carbonate de calcium. Ils le font en prélevant des ions calcium et des ions carbonate dans l'eau. Voici le cruel revers chimique : les ions hydrogène supplémentaires libérés par tout ce CO2 dissous réagissent avec les ions carbonate et les retirent effectivement de la circulation, laissant moins des éléments de construction dont ces organismes ont besoin. Dans une eau suffisamment acide, les structures de carbonate de calcium peuvent même commencer à se dissoudre. Des études en laboratoire et sur le terrain ont montré que des planctons aux coquilles délicates et de jeunes coquillages peinent à former des squelettes sains dans ces conditions, bien que les scientifiques cherchent encore à déterminer exactement comment différentes espèces et différents écosystèmes s'adapteront. Parce que ces planctons se trouvent près de la base du réseau alimentaire marin, les conséquences pourraient se répercuter vers le haut de manières qui ne sont pas encore pleinement comprises.

Points clés à retenir

Le changement climatique est, au fond, une histoire de chimie. Le dioxyde de carbone réchauffe la planète parce que ses liaisons moléculaires peuvent absorber et réémettre la chaleur infrarouge que l'azote et l'oxygène laissent s'échapper, épaississant la couverture naturelle d'effet de serre qui rend la Terre habitable. Le carbone qui alimente ce réchauffement n'est pas apparu de nulle part ; il fait partie d'un cycle planétaire qui fait circuler les atomes entre l'air, la vie, les océans et la roche, un cycle qui était à peu près équilibré jusqu'à ce que nous commencions à brûler des combustibles fossiles et à libérer du carbone que la boucle géologique lente avait enfoui au cours de centaines de millions d'années. Les océans ont absorbé une grande partie de notre excès de CO2 et nous ont épargné un réchauffement pire encore, mais cette absorption déclenche une seconde réaction chimique, la formation d'acide carbonique, qui abaisse le pH de l'eau de mer et menace les créatures bâtisseuses de coquilles au fondement de la vie marine. La chaleur dans l'air et l'acide dans la mer proviennent de la même molécule. Voir le changement climatique à travers les yeux d'un chimiste, comme une affaire de liaisons qui vibrent, de gaz qui se dissolvent et de réservoirs qui se déplacent, transforme une crise mondiale abstraite en quelque chose de concret, de mécanique et finalement de compréhensible, ce qui est le premier pas vers sa résolution.