L’effet de serre est dû à la propriété que possèdent certaines molécules d’absorber les rayons infrarouges. Cette propriété dépend de leur géométrie, c’est-à-dire de la disposition de ses atomes les uns par rapport aux autres. 

Les molécules présentant une structure linéaire, sans polarisation électrique (ie le barycentre des charges positives coïncide avec celui des charges négatives), n’ont pas la possibilité d’entrer en vibration. Elles n’absorbent pas les rayons infrarouges.  

Les molécules présentant une structure non-linéaire ou une polarisation électrique possèdent différents niveaux d’excitation (ie de vibration). Elles peuvent absorber le rayonnement si celui-ci fournit la quantité d’énergie nécessaire à la transition d’un état non-excité à un état vibrationnel. La quantité d’énergie à fournir varie selon la nature de la molécule et la caractérise. 

L’excitation moléculaire se traduit au niveau microscopique par une plus grande agitation, c’est-à-dire un accroissement de la vitesse de déplacement particulaire. La température étant fonction de cette même vitesse de déplacement, il s’en ressent, au niveau macroscopique, un échauffement de l’air ambiant.

Les premières molécules à effet de serre ont été mises en évidence par le physicien irlandais John Tyndall (1820-1893). En 1859, reprenant les calculs théoriques menés par Fourier et Pouillet, Tyndall élabore un protocole expérimental dans le but est d’évaluer le degré d’absorption de différents gaz soumis aux rayonnements solaires et infrarouges. Il choisit de tester son protocole pour les principaux gaz atmosphériques, à savoir le dioxyde d’azote (N2) et l’oxygène (O2), ainsi que pour la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). Ses expériences révèlent que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane ont la capacité d’absorber les rayons thermiques, contrairement au dioxyde d’azote et au dioxygène. Ils seront le fondement des travaux ultérieurs sur les capacités d’absorption des gaz atmosphériques. 

Impact de la concentration des molécules à effet de serre sur la température atmosphérique

Dans les années 1890, le chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927) est professeur à l’université d’Uppsala. Il est alors connu pour ses travaux sur la conductivité des solutions électrolytes, étude qui lui vaudra le prix Nobel en 1903. Mais le chimiste a également entendu parler des travaux du physicien Joseph Fourier (1768-1830) et de sa Théorie analytique de la chaleur, des mesures de la constante solaire effectuées par Claude Pouillet (1790-1868), et de l’identification par John Tyndall (1820-1893), de certaines molécules à effet de serre. 

Dans un premier temps, Arrhenius décide d’évaluer avec précision les coefficients d’absorption de l’acide carbonique et de la vapeur d’eau, soumis à un rayonnement thermique infrarouge. Puis, il estime la capacité de rétention thermique de l’atmosphère terrestre pour différentes concentrations en H2O et CO2 et la température d’équilibre radiatif associée. 

Cette température d’équilibre radiatif est fonction de la capacité d’absorption thermique de l’atmosphère, mais aussi de la réflectance du sol. Pour finir, Arrhenius décide d’estimer les variations de température atmosphérique relatives à une variation de la concentration en gaz carbonique, ce qu’on appelle aujourd’hui la sensibilité climatique. 

De ses calculs, il déduit ceci (texte en anglais) :

« A great deal has been written on the influence of the absorption of the atmosphere upon the climate. Tyndall in particular has pointed out the enormous importance of this question. To him it was chielfy the diurnal and annual variations of the temperature that were lessened by this circumstance. Another side of the question, that has long attracted the attention of physicists, it this : Is the mean temperature of the ground in any way influenced by the presence of heat-absorbing gases in the atmosphere ? Fourier maintained that the atmosphere acts like the glass of a hothouse, because it lets through the light rays of the sun but retains the dark rays from the ground. This idea was elaborated by Pouillet. »

« the influence is nearly the same over the whole earth. The influence has a minimum near the equator, and increases from this to a flat maximum that lies the further from the equator the higher the quantity of carbonic acid in the air (…). The influence is in general greater in the winter than in the summer, except in the case of the parts that lie between the maximum and the pole (…). On account of the nebulosity of the Southern hemisphere, the effect will be less than in the Northern hemisphere. An increase in the quantity of carbonic acid will of course diminish the difference in temperature between day and night. A very important secondary elevation of the effect will be produced in those places that alter their albedo by the extension or regression of the snow-covering, and this secondary effect will probably remove the maximum effect from lower parallels to the neighborhood of the poles. »

« We may now inquire how great must the variation of the carbonic acid in the atmosphere be to cause a given change of the temperature (…). if the quantity of carbonic acid increases in geometric progression, the augmentation of the temperature will increase nearly in arithmetic progression » – On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground (Arrhenius, 1896)