SIMULATION, chimie

Simulation de l'atmosphère terrestre

Un exemple d'un système chimique sur lequel des simulations nous ont beaucoup appris est l'atmosphère terrestre. Y coexistent, avec des poussières, des molécules à l'état de gaz. On y trouve, outre l'azote et l'oxygène, de nombreuses autres composantes, qui se chiffrent en centaines, sinon en milliers d'espèces chimiques distinctes : de l'eau, du dioxyde de carbone CO₂ et du monoxyde de carbone CO, du dioxyde de soufre SO₂, de l'ozone, des oxydes d'azote, des acides comme l'acide chlorhydrique, des hydrocarbures tels que le méthane (issu des bactéries méthanogènes de la panse des ruminants), et toutes sortes d'émanations des activités humaines. Citons, au nombre de celles-ci, les fréons qui ont longtemps servi de fluides caloporteurs dans les réfrigérateurs et de gaz vecteurs dans les récipients sous pression pour de la crème fouettée, de la mousse à raser et d'autres cosmétiques.

Cet immense réacteur chimique, où coexistent ces nombreuses espèces moléculaires, est de surcroît soumis dans sa partie haute, la stratosphère, à un intense rayonnement solaire. Le bombardement de toutes ces molécules par la partie la plus énergétique de la lumière, les rayons ultraviolets, en démolit certaines, et en expulse tel ou tel atome. Des simulations, conduites dans les années 1970 par Sherwood Rowland et Mario Molina, montrèrent qu'un résultat net de cette irradiation permanente était la formation d'atomes de chlore, issus des molécules de fréon. Ces atomes de chlore attaquent et détruisent les molécules d'ozone. Un seul atome de chlore est capable d'anéantir ainsi, car il s'agit de réactions en chaîne, jusqu'à un millier de molécules d'ozone.

La découverte, quelques années plus tard, du trou d'ozone au-dessus de l'Antarctique dotait d'un surcroît de crédit ces simulations, jusque-là mises en doute, voire brocardées, par les industriels producteurs de fréons. Comme cette fine couche protectrice d'ozone est le garant du maintien de la vie sur Terre, la menace insidieuse fut enfin prise au sérieux. Les industries productrices des fréons, principales sources des atomes de chlore excisés par les ultraviolets solaires, décidèrent d'en interrompre la fabrication et de les remplacer par des substituts moins nocifs.

Que montre cet exemple ? Que simulation rime avec simplification n'est pas fortuit. La simulation correspond à un modèle du phénomène. Ce modèle restreint la complexité du système étudié en la ramenant à un tout petit nombre de variables et de paramètres. De la sorte, la simulation fournit, en règle générale, des résultats numériques à confronter avec les données d'observation et de mesure. Mais l'objectif n'est pas de faire coïncider à tout prix des valeurs calculées et des valeurs mesurées. Il est, bien davantage, d'acquérir une compréhension, même partielle et limitée, de quelques-uns des facteurs à l'œuvre dans la réalité. Comme l'a dit l'informaticien Richard Wesley Hamming (1915-1998), « l'objet des calculs numériques est de produire de l'intelligibilité, et pas des nombres ».