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Il y a beaucoup de vent ici aujourd’hui, ce qui m’emmène à me demander d’où vient tout ce vent, tout cet air ?

Le vent, c’est une circulation d’air dans l’atmosphère : quand on se trouve sur le trajet d’une masse d’air en déplacement, l’air s’écoule autour de nous et on ressent le vent.
Ces déplacements d’air proviennent d’un équilibrage de pression atmosphérique entre deux régions (parfois très distantes).

La pression atmosphérique c’est le poids de l’atmosphère : l’air étant attiré par la gravité terrestre. Quand une région se trouve être plus haute pression qu’une autre région, on mesure un différence de pression entre deux régions et l’air tend à s’écouler naturellement des régions à haute pression vers les zones à plus basses pressions.

La principale origine de la différence de pressions est la température. En fonction de la météo, du relief, de la végétation (ou son absence) et de la latitude, le Soleil chauffe l’air de façon différente. Certaines régions de l’atmosphère sont ainsi d’avantage chauffées que d’autres. Or, quand l’air est chauffé, il se dilate : il tend à occuper un volume plus grand et il repousse les masses d’air alentours : ceci constitue un premier déplacement d’air, donc une première source du vent

Par ailleurs, les différences de température provoquent une réorganisation verticale des couches de l’atmosphère : l’air chaud monte en haute altitude, aspirant l’air plus froid en dessous, comme sur cette démonstration avec de l’eau, où on distingue nettement des courants d’eau (similaire au vents dans l’air) :

Visualisation du mouvement naturel de masses de fluides à des températures différentes. (source)

Là aussi, du vent apparaît à cause de la circulation d’air.

Le vent pourrait se faire de façon rectiligne et rapide, pour aller directement des régions à haute pression vers les régions à basse pression, mais il doit faire face à un phénomène très important : la rotation de la Terre sur elle-même !

Cette rotation a deux conséquences sur le vent : la première est que le Soleil ne reste jamais au dessus du même point (le zénith varie au cours de la journée). Les régions chauffées varient donc en permanence, ce qui empêche l’atmosphère d’atteindre un équilibre en pression : il y a donc toujours des différences de température, et donc de pression, et donc du vent quelque part.

Le second effet, bien plus important ici, concerne la force de Coriolis. Cette accélération pousse les masses d’air en déplacement à amorcer un virage dans le sens inverse de la rotation terrestre. Techniquement parlant, il s’agit en fait de la Terre qui tourne sous la fluidité de l’atmosphère, et non réellement les masses d’air qui se mettent à tourner au dessus du sol sans raison apparente (c’est une question de référentiel d’observation en fait).

C’est elle qui est responsable de la forme en tourbillons des cyclones, des tempêtes et des anti-cyclones (régions à forte pression atmosphérique).

La conséquence de la force de Coriolis est alors que les vents sont déviés de leur courses, ce qui retarde la remise à l’équilibre de la pression atmosphérique au sein de l’atmosphère. Mieux, si les courants d’air sont déviés de toute part, cela accentuent localement les déséquilibres de pression et donc provoque d’autres courants d’air venus rééquilibrer tout ça.

Ceci complique pas mal la réorganisation des masses d’air au sein de l’atmosphère en provoquant des vents de forces et direction variables.

Il faut ajouter à cela le relief : quand les courants atmosphériques passent entre plusieurs chaînes de montagne, ils sont dirigés par le relief (en leur forçant parfois à faire des détours).

Il existe ainsi des régions où le vent souffle régulièrement dans le même sens avec une certaine force. C’est le cas par exemple du Mistral, qui est un vent du nord rencontré dans la vallée du Rhône au sud-ouest de la France : les masses d’air venant d’Europe du nord sont refroidies par l’altitude de la chaîne des Alpes, coulent dans la vallée et sont canalisées entre les Alpes et le Massif Central, jusqu’en mer Méditerranée.

Dans le sud et le sud-est de la France, on assiste à un effet similaire : les courants d’air venant du nord-ouest sont canalisés par les Pyrénées et le Massif Central, jusque vers la Méditerranée. Ce vent porte le nom de Tramontane.

Des vents locaux de ce type, accéléré par le relief sont présents un peu partout dans le monde.

On peut distinguer en plus de tout ça, les courants atmosphériques en haute altitude, comme le courant-jet (ou jet-stream en anglais), qui sont également la conséquences des déséquilibre thermiques au sein de l’air. Ces derniers sont beaucoup plus réguliers et constants. On les trouve dans l’hémisphère nord et dans l’hémisphère sud, symétriques par rapport à l’équateur.

Enfin, pour terminer, le vent étant produits à l’origine par le réchauffement des couches d’air par le Soleil, ce que nous appelons « énergie éolienne » est en réalité une énergie d’origine solaire (l’énergie du soleil est quant à elle une énergie de source nucléaire).

photo d’illustration de Gary Enderson

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des feux d’artifice
En ce 14 Juillet, jour de fête nationale française, on aura la joie (ou pas) d’assister à des feux d’artifices.

Les feux d’artifices sont des explosions pyrotechniques de toutes les couleurs. C’est là qu’intervient la science : comment fait-on les couleurs des feux d’artifices ?

Les feux d’artifices ont été inventés il y a plus de 1 000 ans an Chine, mais on ne les explique que depuis l’arrivée de la théorie de la physique quantique.

L’origine de la couleur est la même que la couleur bleue à la base d’une flamme de bougie, là où se fait la réaction chimique. C’est ici que la cire vaporisée et l’oxygène réagissent pour produire du $\text{CO}_2$ et de l’eau :

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↑ des bougies (photo de Gabriela Gordon

Cette réaction n’étant pas complète, il reste des micro-particules de suie, qui, chauffées, se mettent à rayonner de la même façon qu’un fer placé dans le feu devient rouge lumineux. La partie rouge-orangée d’une flamme correspond à un rayonnement de température seulement : on peut obtenir le même effet sans réaction chimique.

La couleur bleue de la base — la même que sur la flamme d’un gazinière ou d’un chalumeau — est de la même nature que celles des feux d’artifices : elle provient de la désexcitation des électrons lors de formation des produits de la combustion.
En effet, quand la réaction a lieue, les atomes passent d’un état de haute énergie (les réactifs) à un état de plus basse énergie (les produits) plus stables. La différence d’énergie est émise sous la forme de rayonnement lumineux, dont l’énergie correspond exactement à cette différence.

Si vous avez compris, vous savez donc que la vraie couleur de la combustion du gaz, de la cire de bougie ou même du bois, c’est le bleu. Le rouge-orangé ne correspondant qu’au rayonnement des particules de suie (dite rayonnement du corps noir).

Selon les éléments chimiques, la différence d’énergie n’est pas la même et l’énergie des rayons lumineux change aussi. Dit autrement : chaque élément chimique brûle en produisant ses propres couleurs.

Pour obtenir une couleur, il suffit donc de choisir le composé chimique approprié :

CouleurÉlément
VioletPotassium
BleuCuivre
VertBaryum
JauneSodium
OrangeCalcium
RougeStrontium
BlancMagnésium, aluminium
OrFer, carbone, soufre
ArgentTitane, aluminium

Pour aller plus loin, sachez que l’association entre une couleur et une molécule est ce qui permet aux astronomes de déterminer la composition chimique d’une étoile ou d’une planète à partir de la lumière qu’elle émet :

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Spectre de la lumière solaire. Les bandes sombres sont celles des éléments chimiques : D pour le sodium, E pour le fer, F pour l’hydrogène, etc. (source)

C’est aussi grâce à ça que l’on peut déterminer la composition d’un produit quelconque à l’aide d’un spectromètre. Chaque produit présente sa propre signature spectrale, son propre mélange de couleurs.

Références / Liens

photo d’en-tête de LHG Creative Photography

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Jupiter
À l’heure où la sonde Juno de la Nasa entame sa descente pour approcher la planète Jupiter, regardons quelques faits intéressants sur cette planète géante, la plus grosse du système solaire.

Sa taille

On ne peut pas parler de Jupiter sans évoquer sa taille. Jupiter est la plus grande et la plus massive planète du système solaire.
Son diamètre est dix fois celui de la Terre et son volume est tel qu’il pourrait contenir 1 321 Terre. Il y a des tempêtes et des cyclones sur Jupiter qui sont plus grandes que notre planète entière.

Jupiter est également la plus massive des planètes : elle est plus massive que toutes les planètes réunies, et même plus que tous les autres lunes, astéroïdes, comètes qu’on ajouterait à tout ça.
Jupiter a une masse qui est loin d’être aussi importante que celle de notre Soleil, mais elle est en revanche suffisante pour que le barycentre Jupiter-Soleil soit situé à l’extérieur du Soleil. Ceci signifie que même si Jupiter tourne autour du Soleil, le Soleil tourne aussi un peu autour de Jupiter (en réalité, les deux tournent autour de leur barycentre).

Sa rotation

Jupiter est la planète à la rotation la plus rapide : elle fait un tour sur elle-même en moins de 10 heures. Avec sa taille, cette rotation importante a un effet non négligeable sur la forme de la planète : elle est clairement aplatie aux pôles et bombées sur l’équateur. La matière à l’équateur voyage donc tellement vite que la force centrifuge déforme la planète.

Son influence gravitationnelle

Toutes les planètes ont une influence gravitationnelle sur les autres astres, mais Jupiter, à cause de sa masse si importante, influe beaucoup plus. On pense que Jupiter a protégé et continue de protéger la vie sur Terre, en attirant vers lui les comètes et astéroïdes qui auraient autrement pu endommager la Terre (et la vie) et le reste du système solaire interne.

L’influence de Jupiter est également ce qui aurait attiré la planète Neptune dans le système solaire. Les planètes se sont formées à partir de restes de poussière et de gaz qui n’ont pas formé le Soleil. Sauf que pour Neptune, on pense que la quantité de gaz disponible sur son orbite n’aurait jamais été suffisante pour former une planète en plus d’Uranus. Neptune se serait donc formée bien plus loin et finalement dévié par Jupiter pour s’approcher du Soleil.

Jupiter est en résonance orbitale avec toutes les autres planètes géantes : quand Jupiter fait cinq révolutions, Saturne en fait deux, et quand Uranus et Neptune font une révolution, Jupiter en fait respectivement 7 et 14. Cette régularité permet de stabiliser certaines orbites autour du Soleil et est responsable de la précision de cette mécanique céleste. Elle a aussi d’autres effets, par exemple sur les astéroïdes.

les lacunes de Kirkwood

La ceinture d’astéroïde s’étend entre les orbites de Mars et de Jupiter. Ceci est une région très vaste qui s’étend sur presque 2 fois la distance Terre-Soleil. La distribution des astéroïdes sur cette plage de possibilité pourrait être uniforme, mais il y a Jupiter et son influence gravitationnelle.
Du coup, la distribution des astéroïdes se fait selon un schéma particulier :

les lacunes de Kirkwood
Les lacunes de Kirkwood, zones vides de la ceinture d’astéroïdes (image)

On constate des zones « vides » dans la ceinture d’astéroïdes à des endroits bien précis. Ces zones correspondent aux orbites qui sont en résonance avec l’orbite de Jupiter et sont appelées lacunes de Kirkwood.

À chaque passage d’un astéroïde au plus près de Jupiter, il est très légèrement dévié de sa position d’équilibre sur l’orbite. L’astre passera alors tout le reste de l’orbite à essayer de se recentrer dessus en oscillant. Sur certaines orbites, la période orbitale est un multiple entier de la période d’oscillation : les deux phénomènes entrent donc en résonance. Du coup, la déviation de l’astéroïde est accentuée à chaque passage devant Jupiter jusqu’à ce que l’astéroïde est éjecté de son orbite.
À terme, il y a des régions entières où les astéroïdes ont été éjectés, et on voit apparaître des lacunes très précisément localisées sur la ceinture d’astéroïdes.

Pour le dire autrement, la présence de ces lacunes indique sur la présence d’une planète très massive, et leur observation permet de déterminer la position de l’orbite de cette planète.

Toutes les planètes ont une influence sur les autres, et Mars a naturellement aussi une influence gravitationnelle sur les astéroïdes, mais comme cette planète est bien plus petite, cette influence est invisible et négligeable devant celle de Jupiter.

Les astéroïdes Troyens

Parmi les astéroïdes déviés, certains sont totalement éjectés de la ceinture d’astéroïdes, et finissent ailleurs dans le système solaire. On peut les voir s’écraser sur une planète, ou simplement capturées dans leur force de gravité : une grande partie des ~70 lunes de Jupiter sont des débris rocheux de forme « patatoïde » qui seraient d’anciens astéroïdes.

D’autres astres se retrouvent sur la même orbite que la planète, généralement décalés d’un angle de 60° avec le Soleil, avant ou après avec la planète. On parlent alors d’astéroïdes troyens : Jupiter en dénombre pas loin de 6 000 (presque la totalité des astéroïdes troyens) et la Terre en possède un également.

astéroïdes troyens de Jupiter
Vue d’artiste des astéroïdes troyens de Jupiter (source : Nasa/JPL)

Ces astéroïdes troyens se trouvent en fait dans une région gravitationnellement stable, appelé « point de Lagrange » : l’attraction du Soleil et de la planète se stabilise et l’astéroïde reste où il est : il existe 5 points de Lagrange pour chaque doublet de corps célestes (nommés L1, L2, L3, L4 et L5) mais seuls les points L4 et L5 sont stables et ce sont eux qui accueillent les astéroïdes troyens.

Le tore de plasma d’Io

Jupiter, comme la Terre présente une magnétosphère : le cœur métallique (et donc conducteur) de la planète est en rotation et génère un champ magnétique. Celui de Jupiter est 14 fois plus puissant que celui de la Terre.
La magnétosphère est la région où cette influence magnétique est prépondérante sur les autres forces et influences : c’est elle qui dévie les particules chargées qui seraient autrement attirées par gravité vers la planète.

Une des lunes de Jupiter, Io, se trouve au milieu de cette magnétosphères, et cette configuration est responsable de plusieurs structures des plus spectaculaires du système solaire. L’une est le tore de plasma d’Io.
Le champ magnétique de Jupiter, en rotation de 10 h avec la planète tourne beaucoup plus vite que la lune Io. Il en résulte que ce champ magnétique arrache environ 1 tonne de matière ionisé de l’atmosphère d’Io chaque seconde. Une ceinture de ces ions apparaît alors autour de Jupiter, piégé dans la magnétosphère et en rotation avec elle.
Ces ions chargés voyagent à des vitesses indécentes de 45 000 km/h et quand ils repassent à proximité de l’Io, provoquent une énorme différence de potentiel électrique avec Jupiter, de l’ordre de 400 000 V. Cette différence de potentiel est alors responsable d’un déplacement de charges (d’ions) entre la lune et la planète. Ce flux chargé suit les lignes de champ magnétique jovien entre les deux astres, formant un courant électrique de plusieurs millions d’ampères dont la puissance émise est de l’ordre de 2,5 térawatt (soit environ toute la puissance électrique installée dans le monde) :

tore de plasma d’Io
Le tore de plasma est en rouge, et le flux d’ions entre Io et les pôles de Jupiter est matérialisé en vert (image)

La sonde Juno, qui va passer au plus près de Jupiter, va analyser, entre autre, cette magnétosphère. Les sondes précédentes avaient déjà fait des mesures d’un important champ magnétique, mais leurs instruments n’étaient pas prévus pour résister à l’importance de celle-ci.
On attend de Juno tout un tas d’informations qui nous en apprendra beaucoup sur Jupiter, le système solaire en général et également la Terre.

Image d’en-tête de la Nasa

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Parmi les expériences scientifiques qu’on peut faire à la maison, il y a celle d’un corn flakes qu’on place sur un bol d’eau et qu’on attire avec un aimant. La conclusion à ce phénomène est que la céréale contient du fer.
Bien-sûr, il y a du fer métallique dedans : on le montre assez simplement à l’aide d’un mixeur et d’un aimant :

du fer dans les céréales
↑ Mise en évidence du fer dans des corn flakes mixés (vidéo sur Youtube)

Si vous faites l’expérience vous-même, vous verrez : si votre aimant est assez puissant, ça marche très bien. Néanmoins, deux remarques peuvent être faites.

La première est que le fer dans cette nourriture est clairement du fer métallique : de la poudre de fer est ajoutée dans la nourriture. Mais dans la nature, les aliments riches en fer (amandes, haricots, cacao, foie…) ne sont pas attirés par un aimant. Le sang des vertébrés ne l’est pas non plus. La raison est que le fer n’est magnétique que sous sa forme métallique. Dissout, comme dans l’hémoglobine du sang, il n’est pas magnétisable (la raison est expliquée dans cet article, prenant le cas de l’hémoglobine sanguin).

La seconde remarque concerne l’usage du corn flakes. En effet, on peut refaire l’expérience avec d’autres matériaux : on constate alors assez vite que l’aimant attire également du papier, du polystyrène, du liège, du plastique. Or ces matériaux ne contienne pas du tout de fer, ni aucun autre composé magnétique.

Alors qu’est-ce qui se passe ?

L’objet à la surface de l’eau n’importe pas : on peut mettre n’importe quoi et ça marchera, car le responsable du phénomène est l’eau, qui est diamagnétique.
Un matériau diamagnétique, c’est un matériau qui, quand il est soumis à un aimant, développe son propre champ magnétique, opposé au premier.

Pour l’eau, ça se traduit par sa tendance à légèrement fuir l’aimant :

diamagnétisme de l’eau
Comme vous le voyez, il se forme un léger creux à la surface de l’eau, matérialisé par la déformation de l’image.
Avec cette propriété, n’importe quel objet placé sur l’eau donnera l’illusion d’être attiré par l’aimant, alors qu’en réalité il ne fait que tomber dans le creux à la surface de l’eau.

Cette propriété de diamagnétisme, poussé à l’extrême avec des champs magnétiques très intenses permet de faire léviter des gouttes d’eau : la force de répulsion de l’eau est alors plus forte que le poids de la goutte d’eau. Mieux encore, vu que l’eau compose l’essentiel des tissus vivants, on arrive à faire léviter de petits animaux comme des grenouilles !

L’eau n’est pas le seul matériau à être diamagnétique et à produire son propre champ magnétique quand il se trouve près d’un aimant : le carbone pyrolytique est le matériau le plus diamagnétique connu : il lévite au dessus d’un aimant !

Conclusion

Dans cette expérience, on sait que les céréales contiennent du fer et on attribue l’attraction de l’aimant à cette teneur en fer. Mais si on pousse l’expérience un peu plus loin, on s’aperçoit qu’il y a autre d’autres phénomènes en jeu : comment l’aimant peut-il attirer du papier ? du plastique ?

Dans ces cas là, l’usage d’un aimant ne permet pas de mettre en évidence du fer dans les céréales : une céréale n’en contenant pas serait également attirée. Il a donc fallu trouver une autre expérience : il s’agit de celle dans la vidéo au début de l’article, avec un mixeur.

Des explications contre-intuitives ou des expériences aux résultats surprenants ne sont pas rares en science : c’est ce qui fait la science.
En voici quelques autres : si les arbres puisent ses ressources dans le sol, pourquoi ne voit-on pas de creux au pied des arbres ? Si le thermomètre de Galilée contient des capsules en verre, comment se dilatent-elles ? Pourquoi le radiomètre de Crookes tourne-t-il dans le sens inverse de ce qu’on avait prévu ?

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une pièce d’une livre
La livre est une unité qui peut désigner :

  • une monnaie, en particulier celle du Royaume-Uni, la livre sterling, dont le symbole est £.
  • une masse dans le système impérial, environ équivalente à 453 grammes, dont le symbole est lb.

Dans les deux cas, les anglophones la désignent par le terme pound.
Ceci nous laisse comme question l’origine des symboles « lb » et « £ » pour une unité appelée pound là où elle est utilisée.

Déjà, pour la livre sterling, le symbole £ provient bien d’un L. Il s’agit du même L que dans le symbole lb.

L’origine de ce L (et même du b) se trouve dans le mot latin libra, qui désignait une unité de masse utilisée dans l’empire Romain. Cette unité a été importée en Angleterre, mais le terme libra a finie disparaître au profit de pound, dérivant de l’expression libra pondo qui signifie « le poids d’une livre ».

Par la suite, la monnaie anglaise a pris le nom de Livre par métonymie : une livre (la monnaie) était à l’époque le coût d’une livre (la masse) d’argent (le métal).

C’est pour cette raison que la livre sterling a aujourd’hui le symbole £, et porte le même nom qu’une unité de masse.

Et concernant le nom de « sterling », l’étymologie est obscure et n’a pas de rapport avec la science, je vous laisse donc lire ça sur Wikipédia.

Références :

Image de Sergio Barbieri

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