Sitôt cueilli le raisin est pressé et donne un jus (le moût) dans une limite réglementaire : 4000 kg de raisins contenus dans un pressoir classique ne doivent pas fournir plus de 2550 L de moût. Ce dernier contient 18 % de « sucre » et doit contenir au minimum 7,5 % d’alcool pour l’appellation géographique protégée. L’alcool provient d’une réaction de fermentation naturelle. Pour obtenir un vin de champagne il faut augmenter le taux d’alcool. C’est pour cela qu’on ajoute au moût du sucre et des levures sélectionnées, actuellement commercialisées sous forme sèche. Le sucre ajouté est du saccharose (C₁₂H₂₄O₁₂), à raison de 3,36 kg par hL de moût, qui s’hydrolyse en glucose et fructose, deux molécules isomères de formule C₆H₁₂O₆. Ce moût additionné de sucre est fermentescible (1).

La fermentation est une réaction d’oxydoréduction ⁽ⁱ⁾ réalisée par catalyse enzymatique, selon l’équation-bilan suivante :
C₆H₁₂O₆ = 2 CO₂ + 2 C₂H₅OH

Cette première fermentation est réalisée dans des grandes cuves de 20 mètres de haut et de capacité de plusieurs centaines d’hectolitres. La réaction dégage de la chaleur car elle est exothermique (400 kJ/kg de glucose) et les cuves munies d’un dispositif de régulation de température sont en acier inoxydable, matériau à bon coefficient d’échange thermique (2).

Le vin obtenu titre 11 % en alcool et ne possède pas les qualités organoleptiques suffisantes pour un champagne. C’est pour cela qu’on assemble divers vins issus de plusieurs cépages et qu’on ajoute de nouveau du sucre (25 g/L) pour effectuer une seconde fermentation alcoolique conduisant à un vin qui titre environ 13 % en alcool. Cette seconde réaction est réalisée dans des bouteilles épaisses scellées pour supporter la pression du gaz carbonique formé qui atteint à la fin de la fermentation 4,5 bars (3).

Ouverture d’une bouteille de champagne

Le vin de champagne obtenu est alors une solution hydroalcoolique saturée en dioxyde de carbone dissous en équilibre avec une atmosphère de gaz carbonique. La solubilité du CO₂ dépend de la température ; plus cette dernière est basse, plus le gaz est dissous. On montre que si la température varie de 6°C à 20°C la pression varie alors de 4,5 à 8 bars.

Lorsque l’on veut « faire sauter » le bouchon, le CO₂ se détend brutalement dans l’atmosphère ce qui ne permet pratiquement pas d’échange de chaleur avec l’atmosphère : on parle alors de détente adiabatique ⁽ⁱⁱ⁾. Cette diminution de pression s’accompagne d’une diminution de la température. Ce phénomène est bien connu dans les appareils à faire du froid (réfrigérateurs, climatiseurs par exemple).

Or le dioxyde carbone, sous 1 bar, refroidi jusqu’à -78,5°C reste à l’état gazeux mais au-dessous de cette valeur le CO₂ passe directement à l’état solide (qui est le contraire de la sublimation) on obtient ce qu’on appelle la carboglace ou la neige carbonique.

Quand on débouche une bouteille de champagne « mise au frais » à 6°C, la détente de 4,5 à 1 bar du CO₂ conduit à une température de -77°C donc il reste à l’état gazeux. Mais cette détente refroidit l’atmosphère et la vapeur d’eau qu’elle contient. Il y alors condensation de l’eau en très fines gouttelettes d’eau de taille micrométrique qui diffusent la lumière ambiante pour conduire à une teinte blanchâtre.

Cependant lors qu’on débouche une bouteille de champagne à 20°C, la pression varie cette fois de 8 bar à 1 bar et le CO₂ qui se détend voit sa température atteindre -89°C. On obtient alors du CO₂ solide sous forme de neige carbonique avec des cristaux de glace de taille submicronique. Ces derniers diffusent la lumière ambiante vers les petites longueurs d’onde du spectre visible en donnant furtivement un nuage de condensation bleu azur (3).

Ceci n’est pas visible à l'œil, mais a été filmé avec une caméra rapide dans le laboratoire du Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims. On peut observer aussi une onde de choc éphémère qui se propage dans le nuage bleuté qui disparait totalement par évanescence au bout de 2 ms après le débouchage. Ceci est illustré par une vidéo de 6 mn réalisée aussi à Reims dans l’équipe d’effervescence du laboratoire (4).

Observation des phénomènes lors du débouchage des bouteilles à 6°C (a) et 20°C (b) filmées à l’aide d’une caméra rapide (Phanton Flex, E.-U.) au bout de 1,2 ms après le saut du bouchon de champagne.
Crédits : © Equipe Effervescence avec l’aimable autorisation du Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims.

Ce phénomène d’onde de choc est bien connu en aéronautique et dans le spatial car il existe dans le sillage des avions et des fusées volant à des vitesses supersoniques sous forme de « disques de Mach » du nom du physicien et philosophe autrichien Ernst Mach (1838-1916) qui les a mis en évidence la première fois (4).

En conclusion

D’autres phénomènes physicochimiques peuvent être invoqués comme par exemple le pétillement du champagne ou les arômes contenus dans les aérosols des gouttelettes au-dessus des flûtes de dégustation ou les méthodes d’analyse d’authentifications des champagnes.

Je tiens ici à remercier vivement Monsieur le Professeur Gérard Liger-Belair de l’Université de Reims pour avoir accepté de relire cette note et de m’avoir donné l’autorisation d’insérer les deux photographies ci-dessus issues de ses travaux.

Jean-Pierre Foulon

(i) Le glucose est à la fois oxydé en dioxyde de carbone et réduit en éthanol
(ii) La modélisation de la détente adiabatique conduit à la formule : P^1-ϒ T^ϒ = constante où ϒ est le coefficient adiabatique qui dans le cas de CO₂ est égal à 1,3 valeur quasi constante entre 0°C et 20°C.

Pour en savoir plus
(1) Site de l’Union des Maisons de Champagne
(2) Pourquoi y-a-t-il des bulles dans mon champagne ? J.-C. Bernier, Question du mois, décembre 2016, Mediachimie.org
(3) Du terroir à la bulle : la science du champagne, G. Liger-Belair,  L’Actualité Chimique N° 479 (décembre 2022) p 33-41
(4) Pourquoi le champagne pétille ? La réponse de la science qui vous permettra de briller au réveillon, G.Liger-Belair (RTBF, 22 décembre 2023)