LA TURBULENCE

Cinq siècles après les travaux de Léonard de Vinci sur le contrôle des tourbillons et de leur effet dans la rivière Arno, le sujet n'est toujours pas clos. Au XXème siècle ce sont d'abord les innombrables applications pratiques (par exemple dans le domaine de l'aéronautique) qui ont été le moteur d'un progrès qui se concrétisait plutôt par le développement de modèles empiriques que par de véritables percées fondamentales. A partir de 1940, grâce en particulier au mathématicien russe Andrei Nikolaevich Kolmogorov, une véritable théorie a été proposée. Elle s'est révélée à la fois féconde en applications (en modélisation pour l'ingénieur) et pas tout à fait correcte : la théorie de Kolmogorov est invariante d'échelle (auto-similaire) alors que dans la réalité cette invariance d'échelle est brisée (un peu comme l'homogénéité de l'Univers est brisée par la présence de galaxies, d'étoiles, de cristaux, d'êtres vivants, etc.). on commence seulement depuis peu à comprendre le mécanisme physique et mathématique de cette brisure. Une véritable théorie de la turbulence pourrait naître dans les prochaines années.

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Paris, 22 JANVIER 2014

De la vapeur d'eau découverte pour la première fois autour d'un astéroïde

Une équipe internationale, comprenant des chercheurs du CNRS et de l'Observatoire de Paris au LESIA1 (Observatoire de Paris/CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot) et à l'IMCCE2 (Observatoire de Paris/CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Lille 1), vient de découvrir des émissions intermittentes de vapeur d'eau sur Cérès, le plus gros des astéroïdes, grâce au télescope spatial Herschel3. Ce résultat est à paraître dans la revue Nature du 23 janvier 2014.
Cérès a été le premier astéroïde découvert en 1801 par Giuseppe Piazzi en Sicile. C'est également le plus gros d'entre eux, avec un diamètre de près de 950 km : il est d'ailleurs maintenant classé planète naine tout comme Pluton. Il se situe dans la ceinture principale d'astéroïdes (entre les orbites des planètes Mars et Jupiter) dont il concentre à lui seul 1/5e de la matière.

Cela faisait plus de trente ans que l'on soupçonnait la présence d'eau à la surface de Cérès. L'équipe d'astronomes, en utilisant le télescope spatial Herschel, a clairement détecté la présence d'eau sous forme gazeuse autour de Cérès à plusieurs reprises en 2012 et 2013. Mais cette vapeur d'eau n'est émise que lorsque Cérès, dont l'orbite n'est pas parfaitement circulaire, est au plus près du Soleil. Les astronomes ont pu déterminer que l'eau était alors éjectée par deux sources bien localisées, à la manière de deux geysers géants. En utilisant un modèle de jets cométaires développé au LESIA, ils ont même pu montrer qu'une partie de cette vapeur d'eau retombait sur Cérès.

Cette découverte met fin à une controverse scientifique qui durait depuis la fin des années 1970. Une signature dans le proche infrarouge dans le spectre de Cérès était vue par certains chercheurs comme la trace de la présence de glace à sa surface, mais d'autres chercheurs l'attribuaient tout simplement à certains minéraux de l'astéroïde. Le produit de photodissociation de l'eau autour de Cérès avait été marginalement détecté en 1992, mais cette observation n'avait jamais pu être confirmée par la suite, malgré divers essais incluant le Very Large Télescope (VLT) de l'observatoire européen austral (ESO).

Si l'émission de vapeur d'eau de Cérès est désormais prouvée et s'explique facilement par un comportement cométaire, la question de l'origine de cette eau reste ouverte : Cérès possède-t-il un océan souterrain ? Ou bien ces deux régions correspondent-elles à deux poches isolées ? Dans un tel cas, quelle est leur origine ? La sonde Dawn de la NASA lancée en 2007 est actuellement en route vers Cérès après avoir étudié l'astéroïde Vesta en 2011. Attendus pour 2015, les images et spectres à haute résolution de la surface de Cérès nous permettront de mieux comprendre l'origine de ces geysers.

La présence d'eau sur Cérès a de fortes implications sur notre conception générale de l'origine de l'eau dans le Système solaire, et sur la Terre en particulier. La vue traditionnelle sépare en effet le Système solaire primitif en une partie "sèche" et une partie riche en glaces, la limite se situant environ à l'orbite de Jupiter. La présence d'eau sur Cérès serait alors en accord avec les derniers modèles d'évolution du système solaire, qui montrent que la migration des planètes aurait engendré un brassage entre astéroïdes et comètes, laissant la ceinture principale actuelle composée d'une multitude de corps divers. Cette migration a placé de nombreux objets riches en eau sur des orbites croisant l'orbite de la Terre, lui apportant l'eau de ses océans.

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Paris, 5 janvier 2014

Les conditions d'éruption d'un supervolcan recréées dans un laboratoire de rayons X

Des scientifiques ont reproduit les conditions de pression et de température régnant dans la chambre magmatique des supervolcans pour comprendre comment se déclenchent leurs explosions. Ces explosions, heureusement très rares, sont les catastrophes naturelles les plus dramatiques sur Terre, à l'exception des chutes de météorites géantes. Grâce aux rayons X du synchrotron européen (ESRF), les scientifiques ont établi que les éruptions des supervolcans peuvent se produire spontanément, par simple augmentation de la pression magmatique, sans besoin de cause externe. Ces travaux impliquent en France le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon) et l'ESRF (Synchrotron Européen) à Grenoble ainsi que l'université Polytechnique (ETH) de Zurich, l'Institut Paul Scherrer à Villingen (Suisse) et l'université Okayama (Japon). Ils sont publiés dans Nature Geoscience le 5 janvier 2014.
C'est une éruption de supervolcan, il y a 600 000 ans dans le Wyoming aux Etats-Unis, qui a créé le cratère gigantesque, appelé caldeira, au centre duquel se trouve aujourd'hui le Parc National de Yellowstone. Quand le volcan a explosé, il a éjecté plus de 1000 km3 de cendres et de lave dans l'atmosphère, 100 fois plus que l'éruption du Mt Pinatubo aux Philippines en 1992. Les grosses éruptions volcaniques ont un impact majeur sur le climat de la planète. L'éruption du Mt Pinatubo a fait décroître la température du globe de 0,4 degrés pendant plusieurs mois. Pour un supervolcan, la chute de température pourrait être de 10 degrés pendant 10 ans.

Selon un rapport de la Société géologique de Londres, en 2005, « même la science-fiction ne peut imaginer un mécanisme crédible qui permettrait d'éviter l'éruption d'un supervolcan. Nous devons cependant essayer de comprendre les mécanismes impliqués dans les super-éruptions et prédire la catastrophe suffisamment à l'avance pour que la société en soit avertie. La préparation est le seul moyen de limiter les effets désastreux d'une super-éruption. »

Les mécanismes qui provoquent les éruptions de supervolcans sont restés obscurs jusqu'à maintenant. Ils sont bien différents des phénomènes éruptifs observés dans les volcans conventionnels tels que le Mt Pinatubo. Un supervolcan possède une chambre magmatique beaucoup plus grande et il est toujours situé dans une zone où le flux thermique en provenance du centre de la Terre est très élevé. De ce fait, la chambre magmatique est beaucoup plus grande et chaude, mais aussi déformable : sa forme change en fonction de la pression au fur et à mesure qu'elle se remplit de magma chaud. Cette plasticité permet à la pression de se dissiper plus efficacement que dans un volcan normal, dont la chambre magmatique est plus rigide. C'est pour cette raison que les supervolcans n'explosent pas souvent.
D'où la question : qu'est-ce qui peut alors provoquer l'éruption d'un supervolcan ? Wim Malfait de l'ETH Zurich explique: « L'élément déclenchant est une pression additionnelle causée par les différences de densité entre la roche solide et le magma liquide. On pourrait comparer cela à un ballon de foot rempli d'air que l'on plonge dans l'eau et qui remonte à la surface car l'eau est plus dense tout autour. » Cette pression additionnelle est-elle suffisante pour causer des fissures de la croûte terrestre, suivie d'une éruption violente, ou faut-il une source d'énergie externe comme un tremblement de terre ? Tel était le sujet de cette recherche.

Comme il est impossible de percer un trou dans la chambre magmatique d'un supervolcan pour l'étudier directement, les scientifiques ont reproduit en laboratoire les conditions extrêmes de pression et de température au niveau du magma. «Les rayons X de l'ESRF peuvent être ensuite utilisés pour connaître l'état (liquide ou solide) de la matière et les changements de densité lorsque le magma cristallise sous forme de roche », dit Mohamed Mezouar, chercheur à l'ESRF et membre de l'équipe. Jean-Philippe Perrillat, chercheur au Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon), ajoute : « Des températures de plus de 1700 degrés et des pressions jusqu'à 36 000 atmosphères peuvent être atteintes à l'intérieur d'une presse appelée Paris-Edimbourg, où de minuscules échantillons de roche sont placés entre les deux pointes d'une enclume en carbure de tungstène puis chauffés avec un four résistif. Cet appareillage a été utilisé pour déterminer très exactement la densité du magma liquide sur une large gamme de pressions et de températures. » Le magma contient souvent de l'eau qui, sous forme de vapeur, ajoute de la pression. Les scientifiques ont également établi les densités de magma en fonction du contenu en eau.

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LA SPECTROMÉTRIE D'ÉLECTRON AUGER

Descriptif de l'appareil et explication de l'obtention des images.

Vidéo issue du projet VideoManip dont l'objectif est la réalisation de courtes séquences filmées, montrant des expériences réelles, qui seraient à la fois trop complexes pour être montées et montrées en amphi, et pas assez riches d'enseignement pour justifier un TP de plusieurs heures. Les sciences de l'ingénieur consistent à utiliser un phénomène physique pour construire un objet répondant à un besoin donné. Cela suppose de la part des scientifiques, des (futurs) ingénieurs et des (futurs) enseignants qui les forme(ro)nt une connaissance assez intime des phénomènes physiques exploitables. Dans le processus d'acquisition de cette connaissance, rien ne remplace la confrontation directe au phénomène étudié au travers de l'expérimentation. La "manip de cours" ou "manip d'amphi" (expérimentation par le professeur pendant le cours magistral) permet de confronter immédiatement les étudiants au phénomène étudié sans avoir à attendre qu'ils aient acquis suffisamment de compétence pour pouvoir manipuler eux-mêmes. Ce genre d'illustration représente un investissement important, tant pour la mise en place de l'expérimentation elle-même que pour celle des dispositifs annexes permettant de la faire visualiser par un grand auditoire.

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