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vue agrandie d’un flocon de neige
Quoi de plus apaisant qu’un paysage sous une couche de neige fraîche et immaculée ? Sa porosité et sa structure aérée confèrent à la neige des propriétés acoustiques et isolantes exceptionnelles, rendant n’importe quel décor enneigé si silencieux et si reposant.
Pourtant ce n’est pas de cela que je veux parler, mais plutôt des flocons individuels : vous avez probablement constaté qu’ils ont une forme d’étoiles à six branches et peut-être vous demandez-vous d’où ça vient.

Comme souvent pour comprendre ce qui se passe à l’échelle macroscopique, il faut plonger à l’échelle microscopique, et même nanoscopique, dans le cas présent : la forme des flocons de neige provient de la structure de la molécule d’eau.

La molécule d’eau, $H_2O$, est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène :

la molécule d’eau
La molécule d’eau, avec 2 hydrogènes, en blanc et un oxygène, en rouge (image).

La forme de « V » ou de « Λ » de la molécule est caractéristique : elle vient de la distribution des électrons au sein de la molécule, et c’est cela qui est indirectement à l’origine de la forme des flocons de neige.

Dans la formation de cette molécule et ses liaisons chimiques, les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène apportent respectivement deux et six électrons de valence (pour un total de huit). Les électrons, soumis à la répulsion électrique de leur charge d’une part et aux phénomènes quantiques de l’autre, vont s’organiser en quatre paires. Ces paires d’électrons vont à leur tour se positionner autour de la molécule de façon à ce qu’elles soient le plus distant possible les unes des autres.
La configuration qui minimise les répulsions est celle en forme de tétraèdre avec les atomes d’hydrogène d’un côté et les deux paires seules non-liantes de l’autre.

Le fait que les deux atomes d’hydrogène soient tous les deux du même côté va produire une région chargée positivement dans la molécule, et les électrons de l’autre côté vont produire un côté chargé négativement : la molécule d’eau dans son ensemble se comporte donc comme un tout petit aimant. On dit que la molécule d’eau est dipolaire.

Maintenant, les opposés s’attirent, non ? Donc le côté positif d’une molécule d’eau va avoir tendance à être attiré par le côté négatif d’une autre molécule, et donc à lier les molécules d’eau entre elles. Les liaisons de ce type là sont dites « liaison hydrogène ». Elles sont moins fortes que les liaisons chimiques dans la même molécule, mais elles suffisent ici pour donner toute la structure à la glace d’eau… et à nos flocons de neige !

Quand le réseau cristallin va prendre la forme avec un grand nombre de molécules, ces dernières s’organisent en formation hexagonale :

structure de la glace d’eau
Structure cristalline de l’eau (image)

Quand les gouttes d’eau d’un nuage se solidifient pour former des grêlons, cette structure n’est pas visible, mais quand c’est la neige qui se forme, c’est en fait de l’eau sous sa forme gazeuse qui se condense directement en cristaux solides, sans passer par la phase liquide : un noyau hexagonal se forme en premier (parfois autour d’une impureté) et les molécules d’eau viennent ensuite s’y fixer une par une. Le positionnement des molécules se fait alors en suivant la structure hexagonale, avec les branches qui « poussent » sur chaque côté de l’hexagone, d’où la forme en étoile à six branches.

Selon la température et les conditions météorologique (humidité, vent…), les flocons de neige peuvent être emmenés à se cogner, se briser, se coller… Ceci va déterminer la nature de la neige : neige humide, neige collante, poudreuse, donnant ainsi des flocons de taille et forme différente, même si on retrouve systématiquement la forme étoilée :

formes de différents flocons de neige
Différentes formes de flocons de neige, photographiées sous microscope. Toutes ces photos magnifiques ont été prises par Alexey Kljatov, et vous pouvez en consulter beaucoup d’autres sur Flickr.

Enfin, et dans des conditions météorologiques très particulières, le ciel et les nuages peuvent produire des cristaux hexagonaux, non pas de neige, mais de glace. On obtient alors de petites palettes de glace hexagonales et transparentes.

Quand la lumière du Soleil arrive sur la glace (toujours très pure dans les nuages), les effets de diffraction et de réflexion qui en résultent produisent des « photométéores », des phénomènes optiques atmosphériques. On trouve ainsi la parhélie, le cercle parhélique, la parasélène, l’arc circumzénithal, l’arc de cœur…

image de Alexey Kljatov

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paysage islandais
↑ Paysage en Islande, île formée grâce à la tectonique des plaques (source)

La Relativité Générale a 100 ans depuis quelques semaines. La physique quantique — celle qui permet les ordinateurs, les lasers et les Led — est à peine plus ancienne : les prémisses de cette théories ont été posées par Bohr en 1900.
On peut penser que ces deux grands modèles théoriques de la physique sont les seules chamboulements qui ont eu lieu en science au cours du siècle dernier. Et bien sachez que c’est faux : d’autres faits marquants qui nous semblent parfaitement acquis sont en réalité bien plus récents que ces deux là !

Dans cet article, remettons à leur place quelques dates qui ont marqué les sciences et constatons que tout ce qu’on apprends à l’école aujourd’hui est en réalité très récent !

L’âge de la Terre

Beaucoup de tentatives de détermination de l’âge de la Terre ont eu lieu : Ussher et Newton au XVIIe siècle dataient la naissance de la Terre à 4000 ans avant J.-C en se basant sur la bible. Les scientifiques Lamarck et Maillet au XVIIIe siècle avaient calculé que la Terre devait avoir entre 2 et 4 milliards d’années, d’après les couches géologiques et les courants océaniques. Kelvin, lui, donnait environ 100 millions d’années à notre planète, utilisant la récente discipline de la thermodynamique à laquelle il a lui-même grandement contribué.

La mesure de l’âge de la Terre à sa valeur admise aujourd’hui — 4,55 milliards d'années — est basée sur la datation radioactive de l’uranium sur des météorites. Cette valeur a été déterminée seulement en 1953 et est due à Clair Patterson. C’est la méthode la plus fiable pour déterminer l’âge de notre planète et celle du système solaire : utiliser les couches géologiques ne l’est pas car les premières couches ont été détruites la tectonique des plaques, et les courants océaniques actuels n’ont quant à eux pas toujours existé non plus.

En parlant de l’idée de la tectonique des plaques, celle-ci est également très récente.

La tectonique des plaques

Comment expliquer les formes complémentaires de l’Amérique du sud et de l’Afrique ? Et comment expliquer les similitudes géologiques de ces deux régions, et la découverte des mêmes fossiles de part et d’autre de l’atlantique ? Pour Wegener en 1915, c’était dû à la dérive des continents. Cette idée a longtemps été rejetée, faute de preuves (à l’époque on se contentait de dire qu’un « pont » naturel entre l’Afrique et l’Europe reliait l’Amérique, et que ce pont à disparu depuis).

Ce n’est qu’en 1960, après avoir cartographié les fonds de l’océan Atlantique, que Bruce Heezen et Marie Tharp ont découvert une preuve de l’expansion des océans et de la dérive des continents : la présence des rifts océaniques, où naissent le fond des océans. Deux années plus tard, Hess montra comment fonctionne le phénomène inverse : la subduction.

Il a fallu attendre 1967 pour voir apparaître une théorie complète sur des plaques continentales indépendantes les unes des autres. L’intuition d’une tectonique des plaques a donc à peine 100 ans et la théorie et les preuves qui vont avec, à peine moitié moins.

L’âge du Soleil et son fonctionnement

Le Soleil a le même âge que la Terre et que le reste du système solaire. Son fonctionnement n’est pourtant connu que depuis récemment. La cause ? La fusion nucléaire et la radioactivité qui n’étaient pas connus avant le début des années 1900 ! Les seules idées avant cela pour décrire son fonctionnement étaient la chimie : on pensait que le Soleil était fait de charbon et qu’il brûlait.
On sait aujourd’hui que ce modèle donnait à notre étoile qu’une espérance de vie de seulement quelques milliers d’années (ce qui était à l’époque conforme à la bible et donc plus ou moins accepté).

En 1860, Kelvin proposait un mécanisme de compression et décompression du Soleil pour expliquer la chaleur émise. Ce mécanisme connu sous le nom de mécanisme de Kelvin-Helmholtz donnait au Soleil un âge de 20 millions d’années.

Il a fallu attendre 1920 avec Perrin pour que l’hypothèse de la fusion nucléaire stellaire fasse son apparition, et plus longtemps encore pour expliquer son spectre d’émission (Payne en 1925), sa formation (Chandrasekhar en 1939) et la présence détectée de tous les métaux et éléments lourds dans le Soleil ainsi que la formation des systèmes planétaires (Burbidge & Co en 1957).

Pensez-y : on utilise les métaux depuis l’antiquité et la chimie moderne depuis plus de 250 ans. Mais avant 1957, la seule réponse possible à la question sur l’origine de ces métaux était « on les extrait du sol, dans les mines. », sans pouvoir expliquer comment ils se sont retrouvés dans le sol… Il a fallu attendre l’astrophysique moderne pour expliquer l’origine des atomes qui composent les objets, notre planète et même notre propre corps.

Les dinosaures

Les os de dinosaures sont connus depuis toujours. Les civilisations antiques les attribuaient à des restes de créatures mythologiques (dragons…). Il a fallu attendre le XIXe siècle et le début du classement des espèces vivantes selon leur caractéristiques pour que les dinosaures soient classés comme d’anciennes espèces de reptiles, aujourd’hui éteints. Leur âge n’était pas connu avec certitude (pour la simple raison que l’âge de la terre n’était pas connu non plus).

Le terme « dinosaure » a lui-même été inventé en 1842, par un paléontologue du nom de Richard Owen.

De plus, ce que l’on considère nous même comme des lézards géants recouverts d’écailles pourrait bien être un faux aperçu des dinosaures : de plus en plus, on pense qu’ils étaient recouverts de plumes ou de poils très colorés…

L’expansion de l’Univers & le Big-bang

Avant la publication de la théorie de la relativité par Einstein, l’idée d’un univers en expansion n’était pas du tout acceptée.
Depuis Newton, on se contentait d’un univers fixe, qui était toujours là et qui le sera toujours également. La raison était simple : un univers fixe était suffisant pour expliquer tout ce qu’on voyait. Il n’y avait pas besoin d’une complication supplémentaire dans les théories cosmologiques qui l’étaient déjà suffisamment.

En 1920, Lemaître montra que la relativité générale autorisait le fait que l’univers ne soit pas statique : qu’il puisse être en expansion, en contraction et qu’il puisse évoluer. En 1929, Hubble (le gars, pas le télescope) découvrit que les galaxies lointaines s’éloignaient tous de nous, notant au passage que la vitesse d’éloignement augmentait avec leur distance par rapport à nous.

La conclusion à ça est que l’univers était en expansion. Ceci signifiait aussi qu’à chaque instant dans le passé, l’univers était plus petit qu’il ne l’est dans le présent, et donc qu’à un moment, l’univers était aussi petit qu’un point. Ce point aurait soudainement explosé, créant la matière, l’énergie, l’espace-temps et évoluant en tout ce qu’on observe aujourd’hui. Cette explosion ponctuelle, c’est le Big-bang.

L’idée d’un Big-bang apparut seulement dans les années 1930, et le terme lui-même n’était pas né avant 1949.

L’accélération de l’expansion de l’Univers

Si l’univers est en expansion, on imaginait 3 cas possibles : dans la première, l’expansion est infinie, la force de gravité n’étant pas suffisante pour l’arrêter ; pour la seconde, l’expansion va un jour s’arrêter et s’inverser : on aura alors droit à une contraction de l’univers ; et enfin la troisième, l’expansion est infinie mais va tendre asymptotiquement vers un état d’équilibre, où plus rien ne bouge : les forces de gravité et les forces de répulsion du Big-bang étant parfaitement équilibrées.

Les mesures effectuées (par des groupes de recherches différents et opposés, qui plus est) pour connaître la vitesse et l’évolution de la vitesse de l’expansion a donné un résultat totalement inattendu mais identique pour chaque groupe de recherche : l’expansion est accélérée ! Ce n’a pas 20 ans, puisqu’elle date de 1998.

Aucun théorie n’explique encore cette accélération : pour le moment on donne le nom d’Énergie noire à quoi que ce soit qui puisse être responsable de ce phénomène.

Les particules subatomiques

Électron, proton, neutrons… ça vous dit quelque chose ?
Le modèle de l’atome date du début du XXe siècle et l’idée d’une matière composée de particules, bien que proposée depuis la Grèce antique, était largement débattu jusqu’au début du XXe siècle.

L’électron et le proton sont respectivement mis en évidence en 1897 et 1919. Pour le neutron, il faut attendre Chadwick en 1932… À peine 4 ans après que le physicien Max Born déclara « la physique, telle que nous la connaissons, sera terminée dans 6 mois », rejoignant Kelvin en 1900, disant que la physique était une science sans avenir, quelques années avant la naissance de la physique quantique et de la relativité.

Le classement phylogénétique

Il s’agit de la taxinomie : le classement et le répertoriage des espèces vivantes. Le classement phylogénétique remplace la classification dite classique. Cette dernière se base sur les ressemblances visibles entre les espèces, alors que le classement phylogénétique ne se base pas uniquement sur le visuelles, mais aussi sur des choses qui le sont beaucoup moins, comme des membres ou des organes atrophiés par l’évolution. La classification classique aurait ainsi classé les dauphins parmi les poissons, alors qu’on sait qu’il est en réalité plus proches de l’humain que du saumon.

La classification phylogénétique moderne date de 1950, quand Willi Hennig en a posé les fondements.

L’ADN

Si l’ADN — ou acide désoxyribonucléique — en tant que molécule a été identifiée et isolée en 1869 par Miescher, son rôle dans la génétique n’a été démontré qu’en 1952 par Hershey et Chase. L’idée de l’existence de gènes définissant les caractères phylogénétiques des espèces vivantes n’a été présentée, elle, qu’en 1913 par Mendel, et elle expliquait alors le principe de l’évolution de Darwin publié en 1858 et l’hérédité des caractères, idée qui n’avait à l’époque aucune base solide pour être acceptée ou acceptable.

La structure en double-hélice de l’ADN est plus récent de quarante ans : c’est en 1952 que celle-ci a été découverte et photographiée par radiographie à rayons X par Rosalind Franklin et publié un an plus tard par Watson et Crick.

Cette liste montre à peu près que rien ne doit être pris pour acquis : une grande partie du monde actuel repose sur des découvertes qui ne datent que du siècle dernier : bio-ingéniérie, informatique, exploration spatiale, qui ont tous eu des effets de bords qu’on retrouve dans la vie courante aujourd’hui : la découverte de la quantique permet l’informatique ; celle de la relativité permet le GPS ; la construction du LHC permet le Web ; la découverte de l’âge de la Terre a permis de sauver des millions de personnes du plomb ; la conquête spatiale autorise l’imagerie satellite et la prédiction des cyclones ou de sauver des vies

Qui sait quelles seront les découvertes scientifiques majeures du XXIe siècle ? Le boson de Higgs en est déjà une. Il y aura probablement des applications aussi.

Et concernant notre ignorance avant ces découvertes, je citerais Carl Sagan :

Avec un peu de chance nos descendants auront pour notre ignorance actuelle la même indulgence que nous à l’égard des Anciens qui ne savaient pas que la Terre tournait autour du Soleil.

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En ce Jour de l’An, on vous a probablement souhaité la bonne année un gogool de fois, mais je vous la souhaite ici une fois de plus quand même : bonne année à tout le monde !

Mais au fait, savez-vous vraiment ce qu’est une année ?

La durée de révolution de la Terre autour du Soleil ? Oui, mais comment ? Car la Terre ne passe pas toujours au même moment au même endroit ni au même endroit. Voyons tout ça.

On distingue plusieurs années : l’année civile, l’année solaire, l’année sidérale et l’année anomalistique (oui, ça devient de plus en plus compliqué, aussi je vais m’arrêter ici, car il y en a d’autres, comme l’année sothiaque, en référence à l’étoile Sirius ; draconitique, qui fait intervenir l’orbite de la Lune ou l’année scolaire qui n’a rien à voir).

L’année civile

C’est l’année des calendriers, qui commence le 1er janvier et se termine le 31 décembre.

un calendrier
(image)

Elle compte un nombre entier de jours, et ceci est important car du point de vu de la rotation et la révolution des astres, rien n’oblige la révolution d’être d’une durée égale à un nombre entier de rotations. Cette particularité est donc purement artificielle et mise là par simple commodité. Si l’année civile autorisait des fractions de jours, alors elle durerait 365 jours 5 heures 49 minutes et 12 secondes.

2016 a été une année bissextile, donc à 366 jours : le jour de plus que les autres années compensant les heures accumulées au cours des 4 dernières années.
Une année sur 4 est ainsi bissextile… ou pratiquement.

L’année solaire (ou année tropique)

Elle rend compte des saisons et de la position du Soleil dans le ciel : par exemple, une année solaire sépare exactement deux équinoxes de printemps, ou exactement deux solstices d’été.
L’année solaire est estimée (en 2000) à 365 jours 5 heures 48 minutes 45,25 secondes. C’est donc légèrement moins que l’année civile.

La raison à l’existence de cette année est que l’axe de rotation de la Terre oscille, comme, une toupie sur le point de s’arrêter. On appelle ça la précession, et on parle ici de la précession des équinoxes :

précession des équinoxes
La précession des équinoxes : l’axe de rotation de la Terre oscille. (image)

Le cycle de la précession des équinoxes pour la Terre est de 26 000 ans environ. Une autre conséquence de cette précession, en dehors de la durée de l’année solaire, est que le pôle nord géographique ne pointera pas toujours au même endroit dans le ciel. Actuellement pointant vers l’étoile polaire, d’ici quelques milliers d’années ça ne sera plus le cas. L’étoile la plus proche du nord en l’an 3 100 et jusqu’à l’an 5 300 sera γ Cephei.

L’année sidérale

Cette définition de l’année rend compte de la position du Soleil dans le ciel, sur le fond composé des autres étoiles. En effet, au cours de l’année, les constellations visibles dans le ciel varient selon l’heure de la nuit. Quand on retrouve les mêmes constellations au même endroit et à la même heure dans le ciel, alors il s’est passé une année sidérale.

Cette définition de l’année est encore différente en durée : elle dure (pour l’an 2000), 365 jours 6 heures 9 minutes 10 secondes (soit 20 minutes de plus de l’année tropique).
La différence ici ne provient que de sa définition : l’année tropique ne considère que la position du Soleil dans le ciel, alors que l’année sidérale (du latin « sider », étoiles) prend en compte les autres étoiles visibles. Il se trouve qu’à cause de la précession des équinoxes — là encore — il faut attendre quelques minutes de plus, pour que le Soleil rattrape la position des autres étoiles décalées à cause de la précession des équinoxes.

L’année anomalistique

Il s’agit de la durée entre deux passages de la Terre au périhélie.

L’orbite de la Terre autour du Soleil n’est pas un cercle parfait mais plutôt une légère ellipse. Il y a donc un point de l’orbite où la Terre est au plus proche du Soleil : c’est le périhélie (et également un point où il est au plus loin : l’aphélie).

Cette orbite elliptique se trouve être elle-même en rotation autour du Soleil : l’ellipse change d’orientation au fil des années, notamment à cause de l’influence gravitationnelle des autres planètes proches (comme Vénus) ou très massives (telle Jupiter) :

précession du périhélie
La précession du périhélie : l’orbite de la Terre se décale tous les ans). (image)

Il faut environ 112 000 ans pour que l’orbite fasse un tour complet.

L’année anomalistique dure 365 jours 6 h 13 min et 52,539 secondes, légèrement plus longue que l’année sidérale donc, le temps que la Terre rattrape le point de périgée qui s’est décalé (dans le même sens que la Terre) durant l’année précédente.

Conclusion


Notre définition du jour, ou de l’année provient toujours du cycle des astres. Historiquement, ça a toujours été les astronomes et les savants qui ont défini les calendriers et les horloges. Cependant, avec l’évolution de la science et de la connaissance, nos calendriers se sont précisés au fil des siècles et plusieurs définitions de « l’année » sont apparues.

Selon de quoi on parle, il convient donc de se mettre d’accord. Dans la vie courante, nous employons ainsi tout simplement le calendrier civil.

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