Arrhenius, la température, le fossile et le climat !

Arrhenius, Svante, de son prénom, ça vous dit quelque chose ?
Il est très connu des chimistes, ou des thermodynamiciens ! Une loi porte même son nom : la loi d’Arrhenius. Mais au-delà de l’équation qu’il a formulée, il y a bien plus incroyable car ce chimiste suédois du XIXe siècle, lauréat du prix Nobel en 1903, avait déjà tout compris à nos histoires de réchauffement climatique, il y a de cela 100 ans ! Bref, ça vaut le coup qu’on s’y attarde !

Svante August Arrhénius

Sa contribution dans le domaine de la chimie
Il est vrai que le chimiste Arrhenius est surtout connu pour l’une de ses contributions dans le domaine de la cinétique : c’est-à-dire la compréhension des mécanismes et la mise en équation de la vitesse d’une réaction chimique.
En effet, il est particulièrement important de savoir si une réaction va être rapide ou non, de connaître les paramètres sur lesquels jouer pour accélérer la production du produit final, de comprendre s’il peut exister des limites au processus : pour fabriquer un médicament, voir son action dans un organisme vivant, estimer la vitesse d’élimination d’un polluant ou étudier comment un matériau se dégrade dans le temps… Les exemples sont légions !
Pour cela, il faut parvenir à se représenter ce qui se passe au niveau moléculaire et voir de quoi dépendent les « rencontres » entre réactifs qui vont permettre de déclencher des réorganisations entre atomes. On va peu à peu comprendre que ce qui joue, ce sont des « chocs efficaces », l’orientation des molécules, leur vitesse de déplacement…
La cinétique chimique démarre aux débuts des années 1850 et l’apport majeur d’Arrhenius dans ce domaine concerne la mise en équation de la vitesse de la réaction, en introduisant la température.

L’influence de ce paramètre est majeur puisqu’elle favorise la rencontre entre molécules donc les chances de réaction :
Svante multiplie les expériences et les résultats s’accumulent ce qui lui permet d’établir la loi éponyme en 1889, une loi reliant la constante de vitesse d’une réaction à la température et l’énergie d’activation : le niveau d’énergie nécessaire que doivent atteindre les réactifs pour qu’ils puissent réagir.

Elle s’applique à la plupart des réactions chimiques mais pas à toutes… C’est la raison pour laquelle le chimiste n’obtient pas l’adhésion totale de ses pairs.

Ce n’est que quelques années plus tard (1910) que cette loi est enfin acceptée par la communauté scientifique.

Un prix Nobel de chimie en 1903
Le prix Nobel qui lui est décerné concerne en fait d’autres travaux : il explique l’ionisation des molécules et autres composés, et relie la conductivité d’une solution aux ions qu’elle contient.

Le père de la compréhension du réchauffement climatique
Ce qu’on apprend un peu moins sur les bancs du lycée, voire du supérieur, c’est que Svante Arrhenius est l’un des premiers a avoir parlé de l’effet de serre et relié quantitativement à la présence de CO2 dans l’atmosphère.

Pourquoi s’est-il intéressé à ce sujet ?
Tout simplement parce que l’une de ses passions était le paléoclimat. Beaucoup de scientifiques de son époque cherchaient à comprendre le climat passé sur Terre, notamment les ères glaciaires. Ses collègues scientifiques étaient alors tous persuadés que le climat sur Terre ne variait que pour des raisons de modifications de son orbite.
Effectivement, l’orbite terrestre autour du soleil est amenée à être modifiée par le biais de 3 paramètres (appelés paramètres de Milankovic) :
– l’excentricité,
– l’obliquité,
– la précession des équinoxes.
L’excentricité exprime l’écart de l’orbite terrestre par rapport à un cercle : c’est un cercle écrasé, autrement dit une ellipse. Celle-ci est modifiée par l’action des autres planètes.
L’obliquité qui caractérise l’angle entre l’axe de rotation de la Terre et l’axe perpendiculaire au plan de l’orbite et joue sur l’alternance des saisons est également amené à bouger sous l’effet de la précession des équinoxes.
Bref, ces 3 paramètres influencent, et cela se conçoit parfaitement, la répartition de l’énergie solaire reçue par la Terre, les différences de températures entre continents et mers et les changements de saisons.

L’influence du CO2 atmosphérique
Mais Arrhenius n’est pas entièrement convaincu qu’il s’agit de l’unique cause et cherche d’autres paramètres qui pourraient jouer sur la température de la surface terrestre. Il regarde du côté de la composition de l’atmosphère. En effet, Joseph Fourrier un scientifique français, avait montré quelques années plus tôt, que certains gaz présents dans l’atmosphère (CO2 et vapeur d’eau) influençaient la température terrestre. Plus tard, d’autres études (par l’irlandais Tyndall par exemple) ont révélé que ces gaz absorbaient les rayonnements infrarouges émis par la Terre, la chaleur est donc bloquée et la température grimpe.

Arrhenius cherche à savoir si cette contribution est significative et va donc mettre tout en oeuvre pour quantifier les effets de ces gaz sur la température terrestre, ces gaz qu’on nommera plus tard les gaz à effet de serre.

L’histoire des découvertes sur les mécanismes de réchauffement (Source)

La lune entre en jeu
Arrhenius s’intéresse alors aux observations des astronomes de la lune en infrarouge. Son but est de chercher quelle quantité de chaleur reçoit la terre en période de pleine Lune. Cela l’amène à calculer l’absorption du rayonnement infrarouge par l’atmosphère, liée à la concentration en CO2 et vapeur d’eau et à donner des valeurs reliant la concentration en dioxyde de carbone atmosphérique et la température terrestre.
Après ces observations, d’autres approches et des tas de calculs et d’équations posées, il est formel : l’effet d’un doublement de la concentration est estimé à une augmentation de
la température de 4 à 6°C !

Bon, ces valeurs sont fausses (surestimées), mais Arrhenius a néanmoins posé les premières pierres des modèles utilisés actuellement pour comprendre l’évolution du climat !
Il a même été plus loin : il a par exemple annoncé en 1922 qu’une forte augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère était surtout liée à l’importante consommation d’énergie fossile par les hommes à cause de l’essor de l’industrialisation.

Référence :

Luke Skinner, « A Long View on Climate Sensitivity », Science , 24 Aug 2012: Vol. 337, Issue 6097, pp. 917-919, DOI:10.1126/science.1224011

Thomas R.Anderson, EdHawkins, Philip D.Jones, « CO2, the greenhouse effect  global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today’s Earth System Models », https://doi.org/10.1016/j.endeavour.2016.07.002

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