Sciences dessus dessous

Archive de la catégorie ‘Sciences de la Terre’

Mercredi 13 mai 2015 | Mise en ligne à 11h05 | Commenter Un commentaire

Qu’est-ce qui se cache dans les nuages d’orage ?

(Image : photothèque Le Soleil)

(Image : photothèque Le Soleil)

Je vous parlais la semaine dernière d’un projet qui avait consisté à provoquer la foudre afin d’en capter la signature sonore, et ainsi comprendre de quelle partie des éclairs vient le tonnerre. Or l’un des chercheurs impliqués, le physicien de l’atmosphère Joseph Dwyer, de l’Institut technique de Floride, ne s’est pas contenté de lancer des fusées dans les nuages noirs. Il s’y est lui-même carrément aventuré en avion, à la suite d’une erreur de pilotage, et en est revenu avec une bonne frousse — et un beau petit mystère sur les bras.

On sait depuis un certain temps que les orages produisent des rayons gamma (une forme de «lumière» extrêmement énergétique provenant souvent, par exemple, de la radioactivité) et des positrons (l’antiparticule de l’électron). Mais «ce qui se passe à l’intérieur d’un orage électrique est un sorte de terrain bizarre que l’on commence à peine à explorer», dit M. Dwyer. C’est pour ce faire qu’en 2009, lit-on dans ce compte-rendu de Nature, il  s’est envolé à bord d’un petit appareil muni d’un détecteur de particules afin d’étudier à distance un orage qui naissait. Mais il s’est adonné que sur les radars, le profil des nuages imitait à ce moment-là la côte de la Georgie, et le pilote a pénétré dans l’orage par inadvertance.

C’est alors que le détecteur de particules a enregistré trois pics de rayons gamma d’environ 0,2 seconde chacun. Le rayonnement avait une énergie de 511 kiloélectronvolts — keV, l’électronvolt étant une mesure d’énergie en physique des particules, équivalant à l’énergie (minuscule) qu’acquiert un électron en passant dans un potentiel électrique de 1 volt. Or c’est là une signature énergétique bien connue des physiciens : quand un particule rencontre son antiparticule, les deux s’annihilent en produisant un «flash» de lumière très énergétique, et quand il s’agit d’un électron et d’un positron, le flash a une énergie de 511 keV. (Remarquez, et cela sera utile pour la suite, que le chemin inverse est également possible : un rayon gamma qui contiendrait suffisamment d’énergie peut «donner naissance» à un couple positron-électron.)

D’autres rayons gamma ayant légèrement moins d’énergie furent également détectés lors des trois «pics». De là, M. Dwyer et son équipe ont conclu qu’une partie des gammas avait dû perdre de l’énergie en parcourant une certaine distance, et que l’avion avait dû traverser de grands nuages de positrons de 1 à 2 kilomètres de long.

Et c’est depuis ce temps que M. Dwyer tente de comprendre ce qui a bien pu généré de tels nuages de positrons. En principe, ce pourrait être les éclairs eux-mêmes. Quand on accélère une charge électrique, en effet, on produit une onde électromagnétique — de la «lumière», comme celle que l’on voit avec les yeux ou comme les rayons gamma. Et comme les électrons d’un éclair sont accélérés à des vitesses proches de la lumière, ils peut y en avoir qui ont suffisamment d’énergie pour générer des couples électrons-positrons, qui ensuite se seraient heurtés et annihilés pour produire les pics à 511 keV.

Mais voilà, le détecteur de M. Dwyer n’a pas enregistré suffisamment de gammas d’assez haute énergie pour que cette explication tienne la route. On peut alors imaginer que les positrons viennent de l’espace (c’est fréquent) et qu’ils ont momentanément été attirés par l’avion, par un mécanisme qu’il resterait à élucider. Mais si tel était le cas, alors le mouvement des positrons aurait engendré d’autres types de radiation, que le détecteur aurait «vu» — mais cela n’a pas été le cas.

Certains physiciens, remarquez, contestent la taille des nuages de positrons calculée par l’équipe de M. Dwyer, et suggèrent que les ailes de l’avion peuvent avoir pris une telle charge électrique qu’elles sont elles-mêmes devenues des sources de positrons/électrons. Mais dans tous les cas, cela reste une très belle «colle»…

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Lundi 11 mai 2015 | Mise en ligne à 10h30 | Commenter Commentaires (13)

La mère de tous les nids-de-poule…

Source : Serge Genest, Francine Robert et Normand Goulet. Infographie : Le Soleil.

Source : Serge Genest, Francine Robert et Normand Goulet. Infographie : Le Soleil.

C’est une nouvelle à prendre avec des pincettes, une bonne paire de gants et un certain grain de sel, car elle fera vraisemblablement l’objet d’un long débat scientifique avant d’être acceptée — ou rejetée. Mais il est possible (pas «prouvé», hein, possible) que le plus gros cratère d’impact du monde soit au Québec, un monstre de nid-de-poule qui, à l’origine, se serait étendu des monts Otish jusque dans Charlevoix.

Trois géologues — Serge Genest et Francine Robert, de la firme Omegalpha, et Normand Goulet, de l’UQAM — ont fait des présentations en ce sens au Congrès conjointe de quatre grandes associations géologiques nord-américaines, qui se tenait la semaine dernière à Montréal. J’y ai consacré un papier publié ce week-end dans Le Soleil. Essentiellement, il ne resterait que le quart du cratère, parce que celui-ci daterait de 2,1 milliards d’années et serait à cheval sur deux provinces géologiques, soit le Supérieur, qui a peu changé depuis 2,1 milliards d’années, et le Grenville, qui a vu une immense chaîne de montagnes (les Laurentides, jadis équivalentes à l’Himalaya actuel) se lever entre –2 et –1 milliards d’années, puis s’éroder. Ce processus aurait bien sûr effacé toute trace du cratère dans le Grenville.

Notons tout de suite que les trois géologues sont tout à fait conscients qu’il leur reste encore «beaucoup de travail» à faire avant de convaincre une bonne partie de leurs pairs — et leurs présentations ont rencontré un certain scepticisme, d’ailleurs. Mais ils se disent raisonnablement convaincus d’avoir affaire à «the Big One», en se basant grosso modo sur ces éléments.

Crédit : Wikicommons

Crédit : Wikicommons

– La morphologie : les lacs Mistassini et Albanel ont une forme d’arcs de cercle concentriques qui rappelle étrangement celle du bord de certains cratères qui ont une structure à «anneaux multiples». Voir par exemple le cratère King, sur la Lune (tout au bas de cette page). En outre, nos trois géologues ont trouvé des signes pouvant indiquer un impact ancien dans les monts Otish et dans le secteur de Chibougamau, ce qui formerait un quart-de-cercle.

Images : Genest, Robert et Goulet.

Images : Genest, Robert et Goulet.

– Les monts Otish (en jaune sur la carte ci-contre) montrent également un réseau de failles ayant plus ou moins une forme d’arcs-de-cercle à peu près concentriques avec les lacs Mistassini/Albanel.

– Roches en fusion : les monts Otish sont recouverts de ce que les géologues appellent des gabbros, c’est-à-dire de la roche qui a déjà été en fusion, ce qui lui donne certaines caractéristiques particulières facilement reconnaissables. Il n’y a évidemment pas que les météorites qui peuvent faire fondre la roche, mais les gabbros des monts Otish n’ont aucune origine souterraine. Contrairement aux collines montérégiennes, par exemple, qui ne sont en fait que le fin bout d’anciennes poussées de magma qui plongent très profondément dans la croûte terrestre, les gabbros des monts Otish reposent sur des sédiments. Ce n’est pas en soi la preuve d’une origine météoritique, mais c’est une possibilité. Ces gabbros datent de 2,1 milliards d’années — d’où l’âge attribué au cratère potentiel.

(Images : Genest, Robert et Goulet)

(Images : Genest, Robert et Goulet)

– Dans les sédiments sous les gabbros, M. Genest, Mme Robert et M. Goulet ont trouvé des «déformations planaires», soit des structures microscopiques faisant des lignes parallèles dans la roche — un signe que celle-ci a subi une pression violente dans le passé.

Image : Genest, Robert et Goulet.

Image : Genest, Robert et Goulet.

– Dans les gabbros même, des cristaux et des verres microscopiques ont été observés. Ce sont là, comme les déformations planaires, d’autres signes montrant qu’une pression intense et subite a été appliquée sur la roche.

– Enfin, rappelons que des «cônes d’impact», soit des structures striées en forme de cône que seules des météorites (et des explosions nucléaires) peuvent créer, ont déjà été trouvés au sud du lac Mistassini, dans un cratère d’impact connu et «officiellement» admis par la communauté géologique — le cratère de l’île Rouleau. Celui-ci aurait un diamètre de 4 kilomètres, mais on n’a jamais fait la preuve de sa taille, estime M. Goulet. Il pourrait donc s’agir de cônes laissés par «the Big One», ou encore on pourrait trouver d’autres cônes dans la région, trop loin de l’île Rouleau pour avoir été laissé par «the small one».

Ce ne sont pas là tous les éléments de preuve qui ont été présentés la semaine dernière, mais quelques uns (une bonne partie) des principaux, notons-le. Et puis dans tous les cas, de l’aveu même de notre trio de géologues, ce n’est pas suffisant pour convaincre les pairs. Mais c’est assez pour poser l’hypothèse, et des travaux de terrain sont prévus cet été afin de rassembler plus de preuves.

Histoire à suivre, donc…

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À droite : une photo à longue exposition montre tous les éclairs déclenchés lors de l'expérience. Les graphiques de droite montrent quant à eux la force du son (en décibels, allant du bleu, le plus faible, au rouge, le plus fort) en fonction du temps et de l'altitude. (Image : Maher A. Dayeh, Southwest Research Institute)

À droite : une photo à longue exposition montre tous les éclairs déclenchés lors de l'expérience. Les graphiques de droite montrent quant à eux la force du son (en décibels, allant du bleu, le plus faible, au rouge, le plus fort) à des fréquences de plus de 1 kilohertz en fonction du temps et de l'altitude. (Image : Maher A. Dayeh, Southwest Research Institute)

Tout le monde a déjà vu la foudre tomber. Puis entendu le tonnerre suivre. Mais a-t-on déjà «vu» le tonnerre ? Voir des sons est bien évidemment impossible, mais ce qui se rapproche le plus d’une «photo» du tonnerre a été présenté ce matin lors de l’Assemblée conjointe de quatre grandes associations de géologues de l’Amérique du Nord, qui se tient cette semaine à Montréal.

«On comprend la mécanique générale du tonnerre, l’air qui est chauffé très rapidement et l’onde de choc que cela crée. (…) Mais on ignore quels processus exacts de la foudre contribuent à la formation du tonnerre. Par exemple, on ne sait pas si les branches multiples dans lesquelles la foudre se divise souvent créent une réponse acoustique», a expliqué ce matin Maher Dayeh, de la division des sciences de l’espace et de l’ingénierie du Southwest Research Institute, lors d’une conférence de presse présentant les toutes premières images du tonnerre.

Pour en savoir davantage, M. Dayeh et une équipe de chercheurs américains ont «forcé» la foudre à tomber à un endroit précis en lançant une petite fusée attachée à un long fil de cuivre pendant un orage électrique. Puis ils ont enregistré les sons grâce à 15 micros ; le premier de ces micros était situé à 95 m de l’endroit où devait tomber la foudre, puis le second se trouvait 1 m plus loin — et ainsi de suite. Un tel arrangement qui leur permettait de connaître la direction des sons, et ainsi déduire l’altitude d’où ils provenaient.

Cela leur a donné les images ci-haut, mais aussi de pousser la logique un pas plus loin. «Si on présume de la distance entre les micros et la foudre, et si on connaît la vitesse du son et qu’on corrige pour les effets de la propagation, alors on peut créer un profil acoustique du tonnerre qui est très proche de la foudre elle-même (voir l’image ci-bas)», a indiqué M. Dayeh, qui précise que ces travaux ne sont encore qu’une «preuve de concept» et que des expériences plus détaillées seront entreprises bientôt.

Dans le haut : deux des éclairs déclenchés lors de l'expérience. Dans le bas, leur profil acoustique, qui colle de près à la foudre.

Dans le haut : deux des éclairs déclenchés lors de l'expérience. Dans le bas, leur profil acoustique, qui colle de près à la foudre. (Image : Maher A. Dayeh, Southwest Research Institute)

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