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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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Radiographier les volcans grâce aux muons
En imagerie géophysique, la tomographie par muons cosmiques permet de comprendre la dynamique du système hydrothermal des volcans.

Flux de muons cosmiques

Dans le modèle standard de la physique des particules, les muons sont des particules élémentaires chargées parfois appelées « électrons lourds ». Produits par la collision entre une particule cosmique et un atome de gaz de la haute atmosphère terrestre, leur durée de vie moyenne est de 2,2 microsecondes. Depuis le ciel, dix mille muons par mètre carré et par minute se déversent sur nous. Très énergétiques, ces particules ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent traverser plusieurs centaines de mètres de roche.

Installés en contrebas de l'objet d'étude, qui peut être une pyramide, un plateau karstique ou un volcan, les télescopes à muons détectent le flux de ces particules ayant traversé l'objet. Suivant la quantité de matière rencontrée, les flux provenant de différentes directions sont plus ou moins atténués. Mesurer cette atténuation permet de déduire la masse volumique des milieux, autrement dit leur densité. Avec plusieurs télescopes, cette tomographie muonique fournit des représentations en trois dimensions de l'intérieur des volcans.

Les six télescopes de la Soufrière

Sur le volcan de la Soufrière, large d'environ un kilomètre et situé au sud de l'île de Basse-Terre de Guadeloupe, six télescopes à muons sont aujourd'hui installés. La radiographie des entrailles de la structure géologique par cette technologie est développée depuis 2008, Le dernier télescope en date a été placé au nord du volcan, zone qui ne comportait pas encore de télescope à ce moment-là. La couverture angulaire permet ainsi une tomographie muonique en trois dimensions plus complète qu'auparavant, puisque le trou dans l'angle de vue nord est comblé.

Constitués de quatre plaques rectangulaires d'un mètre carré, les télescopes à muons ont besoin d'un temps d'exposition assez long pour accumuler des particules, de la même manière qu'un appareil photo ouvre son obturateur plus ou moins longtemps suivant le flux de lumière qu'il reçoit ou laisse passer. Sur le volcan de la Soufrière, leur résolution temporelle ne descend pas en-dessous d'une dizaine de jours pour former une image. Les informations qu'ils fournissent ne permettent donc pas en l'état de prévenir un événement soudain comme une éruption phréatique, mais se combinent avec des données issues d'autres techniques pour mieux comprendre ce qui se passe dans le volcan.

Mesurer l'activité hydrothermale du volcan

En analysant les contrastes de densité de matière et leurs variations au cours du temps, les télescopes apportent des informations sur la structure interne et la dynamique hydrothermale des volcans. Quel est le volume des réservoirs de vapeur ? Quelle énergie s'accumule dans les roches ? Quels effets ont les saisons des pluies sur l'état des nappes phréatiques autour du dôme ? À quels endroits la vapeur se forme et chasse l'eau liquide ? Comment évoluent les sources des fumerolles, ou les zones exposées à une activité phréatique ? Grâce l'étude du flux du muons, certaines certaines variations de 20% en trois semaines peuvent mettre en évidence des zones concernées par une arrivée brutale de vapeur.

Par exemple, à l'été 2014, les cinq télescopes de l'époque ont détecté la variation d'une masse de cinq cent mille tonnes de fluide. La tomographie muonique a permis l'observation en direct de la formation de poches de vapeur à l'intérieur du volcan, poches qui ont chassé l'eau liquide présente sous le cratère sud. Ces changements rapides à l'échelle géologique, c'est-à-dire en à peine quelques mois, ont pu être reliés à l'intensification du rejet de fumerolles par la Soufrière. Les données actuelles montrent que les mouvements de vapeur du volcan sont aujourd'hui très dynamiques sur son quart sud-est, un endroit donc exposé à une éventuelle activité phréatique. Depuis deux ou trois années, le nord-est du volcan est de plus en plus concerné, une intensification de l'activité hydrothermale dans cette zone qui se traduit par le dépérissement de la végétation du fait de l'extension des zones fumerolliennes vers le nord du volcan.

Détecter et comprendre les flux de particules

En plus de porter le nombre de télescopes muoniques à six, la qualité des instruments a été améliorée. Les matrices de détection ont divisé par deux la taille de leurs pixels, passant à une résolution de dix mètres. Avec quatre ordinateurs par télescope, l'informatique a un impact sur la consommation énergétique du système. Pour chaque télescope, le principal ordinateur de quarante watts a été remplacé par un ordinateur miniature de vingt-cinq watts. Diminuer la quantité de panneaux solaires nécessaire simplifie la quantité de matériel à installer et entretenir autour du télescope.

Afin de mieux analyser où se cache l'information pertinente dans les signaux, les algorithmes de traitement et les méthodes d'analyse des données évoluent également. Des modélisations visent à corriger l'influence de deux fluons de muons parasites. À cause des grands volumes d'atmosphère présents en contrebas des télescopes, placés au flanc du volcan, de rares muons produits en basse altitude remontent et pénètrent les télescopes par l'arrière, selon la même direction. De plus, des muons de très basse énergie peuvent dévier de leur trajectoire dès les premiers mètres du volcans, étant alors détectés par les télescopes sans avoir traversé la structure géologique. Ce flux de muons diffus ne fait varier les résultats que de quelques dix pour cents, sans même modifier les contrastes de densité qui intéressent les géophysiciens. Comme il est constant, les modélisations en cours de finalisation permettront de corriger cet effet a posteriori sur l'ensemble des données.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Dominique Gibert, géophysicien, de l'Observatoire des sciences de l'université de Rennes.

Publié le 29 juin 2017

En savoir plus

Des particules cosmiques pour ausculter les volcans, sur CNRS Le Journal

Un documentaire sur le projet Diaphane au volcan de la Soufrière, en Guadeloupe

Arthur Jeannot
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