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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Les points forts de l'agroforesterie
L'agroforesterie, en associant les arbres et les cultures, améliore la santé des sols et des écosystèmes, notamment à travers l'atténuation du changement climatique et la résilience face à ses effets.

L'agroforesterie et la transition agroécologique

Le système d'agriculture actuel doit se transformer afin de répondre aux défis de la production agroalimentaire, du climat et des métiers de la paysannerie. Omniprésente dans les pays tropicaux, l'agroforesterie suit la démarche des techniques d'agroécologie avec une gestion des terres qui associe arbres et cultures. Au-delà des agricultures biologique ou raisonnée visant à diminuer l'utilisation des produits phytosanitaires ou des intrants, elle se base sur les principes de l'écologie scientifique en vue de favoriser le mimétisme avec les écosystèmes naturels.

Le principe de base est de choisir le bon couple arbre-culture, de manière à favoriser la complémentarité entre les deux. Des exemples : associer une culture aux racines superficielles à un arbre aux racines profondes, associer une culture à un arbre qui perd ses feuilles lorsque la culture a besoin de lumière, introduire des plantes herbacées dont le cycle de croissance est décalé dans le temps par rapport à celui des arbres auxquelles elles sont associées. Ce couplage est de fait plus complexe que pour une monoculture, ce qui nécessite de faire appel à des compétences et des formations agronomiques poussées. C'est encore plus le cas avec les agroforêts, des associations complexes avec plusieurs espèces d’arbres.

Le choix du couple dépend aussi de la zone agro-climatique, ainsi que des effets bénéfiques souhaités pour le système agroforestier. L'objectif peut être de nature écologique, dans une logique de services écosystémiques. Planter des arbres au-dessus de caféiers, par exemple, leur assure de l'ombrage et enrichit le sol en azote. Les arbres eux-mêmes peuvent fournir une production qui s'ajoute à celle des cultures. Pas seulement du bois, mais aussi des fruits, du fourrage pour les animaux et des substances médicamenteuses. Il existe ainsi une immense variété de couples possible entres les arbres et les cultures, selon l'endroit du monde où l'on se trouve et selon la complémentarité recherchée.

L'agroforesterie et la santé des écosystèmes

Les arbres sont des puits de carbone, puisqu'ils absorbent de grandes quantités du gaz à effet de serre CO2 (dioxyde de carbone). Le carbone atmosphérique est piégé sous forme de matière organique dans la biomasse, d'abord les racines, le tronc et les feuilles des arbres, puis l'humus et la matière organique du sol. Le stockage de ce carbone diminue donc l'effet de serre tandis que les associations agroforestières tamponnent les variations climatiques, ce qui aide les systèmes de production agricole à mieux supporter les chocs climatiques. L’agroforesterie est ainsi classée par les spécialistes du GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) parmi les méthodes de mise en valeur du sol capables de renforcer l’adaptation au changement climatique et son atténuation. Son exemple est de plus en plus cité pour illustrer cette synergie.

La présence d'arbres dans, autour et à proximité des parcelles agricoles contribue ainsi à l'amélioration de la qualité des sols en termes de fertilité et de biodiversité. La couverture et l'enrichissement en matière organique des sols en améliorent les propriétés, de sorte qu’ils retiennent mieux l’eau et les nutriments dont les plantes ont besoin. La présence d'un couvert permanent aide en particulier à lutter contre l'érosion des terres, par exemple en cas de pluies importantes. Si les arbres associés aux cultures fixent l'azote, notamment avec la symbiose entre les bactéries de type Rhizobium et des plantes de la famille des légumineuses, le sol sera également enrichi en azote. De même, le sol peut être enrichi en phosphore grâce à la symbiose mycorhizienne entre des champignons et des arbres.

Dans ces nouveaux paysages de bocages agroforestiers, les arbres créent de l’hétérogénéité. Ils participent à la conservation de la biodiversité et contribuent à l'équilibre des agro-écosystèmes dans lesquels ils s'insèrent. Plantés dans les parcelles, au bord des chemins ou autour des ruisseaux, les grands arbres structurent l'espace rural et font s'inscrire l'agroforesterie dans une démarche à l'échelle du paysage.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Emmanuel Torquebiau, chercheur au CIRAD Montpellier et expert en écologie tropicale et agroforesterie.

En savoir plus

L'agriculture de demain, l'alliée du climat ?, sur Sciences en ligne

L'enjeu de la préservation des sols, sur Sciences en ligne

Les billets de blogue d'Emmanuel Torquebiau, sur The Conversation

L'agroforesterie et la recherche agronomique, sur Explorathèque

Arthur Jeannot
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