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two fish
Quand il fait froid, les lacs, les canaux et les rivières peuvent également geler et de recouvrir d’une importante couche de glace.

Ceci nous amène à la question : comment les poissons survivent-ils l’hiver, sans geler ?

C’est la question que personne ne se pose mais qui permet d’introduire une des (nombreuses) particularités de l’eau par rapport à pratiquement tous les autres liquides.
De façon générale, la densité d’un liquide varie avec la température. Généralement, la densité maximale est atteinte au point de fusion. Pour l’eau et une poignée d’autres liquides, ce n’est pas le cas. La densité maximale de l’eau est ainsi atteinte à +3,98 °C.

Dans un lac où les couches d’eau sont empilées par densité, le fond (le plus dense) est à 3,98 °C. En hiver, l’eau à 0 °C, moins dense, se retrouve à la surface et gèle, formant une couche de glace recouvrant le lac.

De plus, et ceci est vrai pour tous les liquides, quand un matériau passe à l’état de solide, il libère une importante quantité de chaleur appelée chaleur latente (c’est ce qui est mis à profit dans les chaufferettes de poche). Cette chaleur part dans l’eau et empêche toute la rivière de geler d’un seul coup. C’est aussi ça qui permet au lac gelé de rester globalement entre 0 et 3,98 °C durant plusieurs mois alors que l’air peut descendre jusqu’à −10 ou −20 °C.

Les poissons, eux, survivent en restant au fond de la rivière, là où il fait 3,98 °C.

En été, il se produit l’opposé : le fond le plus dense est toujours à 3,98 °C, mais les couches au dessus sont alors plus chaudes (également moins denses). Là également, les poissons vont préférer rester au fond de la rivière où la température est stable.
Les poissons disposent donc tout au long de l’année, au fond du lac, une région où la température est constance et évidemment toujours liquide.

La nature est bien faite, non ?

photo de Anita Hart

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

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a filament light bulb
La lumière c’est ce que l’on voit et sans elle il ferait complètement noir. En physique, il s’agit d’un objet d’étude particulièrement intéressant : classiquement il peut être vu comme un phénomène ondulatoire ou comme une particule. La lumière constitue une forme d’énergie se trouvant en déplacement entre une source qui la produit et un récepteur qui va l’absorber.

Dans cet article, c’est l’émission qui nous intéresse, et on va voir comment de la lumière peut être produite. Vous verrez que, à cause de sa nature, il y a beaucoup de façons de la produire : étant une forme particulière d’énergie, il suffit d’une simple conversion à partir d’une autre forme d’énergie pour l’obtenir.

Pour commencer, il y a deux façons de produire de la lumière : l’incandescence et la luminescence. La luminescence regroupe beaucoup de « sous-méthodes » différentes, bien que le phénomène de fond reste identique.

L’incandescence

C’est sûrement la méthode de production de lumière la plus connue (et la plus ancienne) : une bougie, une torche, une lampe à filament de tungstène produisent de la lumière par incandescence. Il s’agit d’une émission de lumière due à la température du corps qui l’émet.
Le corps humain, par exemple, à une température de 37 °C, produit de la lumière par incandescence, mais cette lumière étant dans l’infrarouge, l’œil nu ne peut pas la voir. Une caméra thermique en revanche s’en charge très bien.

Dans le cas d’une flamme, la température atteinte est bien plus importante (jusqu’à 1 200 °C pour une bougie) et la lumière émise possède alors une énergie bien plus importante. Cette lumière là se trouve dans le domaine du visible : c’est la raison pour laquelle une bougie nous éclaire.

Physiquement, il s’agit de la loi de Wien : tout corps dit « noir » émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les fréquences, mais la fréquence qui prédomine est définie par sa température.
Un acier chauffé au rouge (900 °C), une flamme jaune d’une bougie (1 200 °C) ou une étoile bleue (10 000 °C) ont des rayonnements respectifs de plus en plus énergétiques car la température est de plus en plus importante.

La luminescence

L’incandescence constitue une forme particulière d’émission de la lumière, due à la température.
Tous les phénomènes qui suivent, en revanche, sont des variantes de l’émission par luminescence qui ne provient pas d’un échauffement ; on les appelle parfois des « lumière froides ». Il s’agit à chaque fois de l’émission d’un photon par un électron de la matière possédant un excédant d’énergie par rapport à son état le plus stable. Ce qui change dans les différents cas, c’est simplement l’origine de cet excédant d’énergie.

La fluorescence

La fluorescence est responsable de l’effet observé d’un marqueur « fluo » : l’encre du feutre semble émettre de la lumière !
En pratique, le rayonnement ultraviolet présent dans la lumière naturelle est un rayonnement à haute énergie qui excite les électrons de certaines molécules, dont ceux de la pyranine utilisée dans les marqueurs fluo. C’est lorsque ces électrons se désexcitent qu’ils perdent leur excédant d’énergie sous la forme d’un photon de lumière.

Un effet identique est observé sur vos chaussettes blanches quand vous marchez sous de la lumière noire : la lumière noire (qui n’est autre que de l’UV) excite les pigments blanchissants présents dans vos vêtements et c’est lorsque ces pigments se désexcitent qu’un rayonnement lumineux est émis.
Même chose pour les vases et les verres en ouraline) : ce sont de vieux objets datant du début du XXe siècle constitué d’un verre dans lequel on a incorporé des sels d’uranium. Ici ce sont ces sels qui ont un effet fluorescent sous une lumière UV. Avant que les dangers de l’uranium sur la santé n’étaient avérés, la vaisselle en ouraline était très prisée et jolie.

La thermoluminescence

Bien qu’il soit question de température ici, ce n’est pas la même chose que l’incandescence. Ici un faible échauffement suffit à émettre un rayonnement plus énergétique que la source de chaleur elle-même : les électrons sont à un niveau d’énergie intermédiaire acquise au fil du temps par un échauffement. La chaleur les fait monter de niveaux d’énergie d’où ils redescendent en émettant une lumière.

L’énergie acquise au fil du temps provient de chaleur naturelle (magma, échauffement radioactif…) ou artificielle (poteries cuites par les civilisations préhistoriques). Comme c’est le temps qui détermine la quantité d’énergie que le matériau contient à un instant donné, la mesure de la thermoluminescence permet de déterminer l’âge de l’objet depuis son dernier refroidissement. L’énergie acquise lors de cet échauffement met ensuite jusqu’à des milliers d’années pour être évacuée totalement et c’est l’énergie restante que l’on mesure alors.
La méthode de datation des objets préhistoriques par thermoluminescence comme les poteries cuites utilise cette méthode là où le carbone 14 ne suffit plus.

La chimioluminescence

L’énergie d’excitation des électrons est livrée ici des suites d’une réaction chimique. En se réarrangeant au sein de nouvelles molécules, les atomes gagnent en stabilité en évacuant une partie de leur énergie. Cette énergie est généralement émise sous forme de chaleur (vibration des atomes, et donc frottements) mais peut parfois être libérée sous la forme de lumière.
C’est ce qui se passe dans les sticks lumineux : au départ on dispose de deux produit séparés, dont l’un est dans une ampoule scellée. En brisant l’ampoule, les deux produits entrent en contact et réagissent avec une émission de lumière. La réaction étant lente et progressive, l’émission de lumière est elle aussi étalée dans le temps. Un de ces bâtonnets lumineux peut ainsi rester actif pendant près de 8 heures.

La bioluminescence

C’est une forme de chimioluminescence, qui se produit dans les êtres vivants, comme les lucioles, certaines méduses ou quelques formes de plancton. Dans ce cas là, c’est l’être vivant qui contrôle la production de réactif chimique et leur mise en contact dans le but de produire de la lumière.

La phosphorescence

La phosphorescence (souvent confondue avec la fluorescence) est également une forme de luminescence étalée dans le temps. La différence avec la chimioluminescence, c’est que cette dernière distribue l’énergie de départ progressivement et la ré-émission est instantanée, alors qu’ici c’est l’inverse : l’absorption est instantanée mais l’émission est progressive.
Ceci est rendu possible grâce à une particularité quantique des composés phosphorescents : au lieu de passer directement d’un état excité à leur état de repos, les électrons passent par un état intermédiaire (dit « état triplet »), dans lequel ils vont persister quelques temps (jusqu’à plusieurs heures).
Les objets phosphorescent sont donc les objets qui brillent dans le noir après être exposé longuement à une source de lumière.

La radioluminescence

C’est la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive. Ce n’est pas la thermoluminescence car l’énergie n’est pas accumulée lentement, mais réémise tout de suite. L’énergie primaire est émise sur une longue période (1600 ans pour le radium) et est captée par un composé fluorescente qui va à son tour réémettre cette énergie sous la forme de lumière.
La décomposition radioactive étant un processus qui s’étale sur une longueur période, la lumière est produite en continu durant des dizaines voire des centaines d’années. Les vieilles montres du début du XXe siècle, et dont les aiguilles brillent dans le noir utilisent la radioluminescence produite par le radium. Ils continueront de briller durant des millénaires, mais avec une intensité toutefois de moins en moins forte.
En soi, les objets tirant partie de la radio-luminescence sont des réacteurs nucléaires miniatures.

La cathodoluminescence

L’émission de lumière par fluorescence par choc avec un électron énergétique. La source d’énergie est une particule hautement énergétique. Cette particule transmet une partie de l’énergie cinétique à un électron qui va alors se désexciter en libérant un photon.
C’est ce qui se passe lors des phénomènes des aurores polaires, dans les télé à écran cathodique ou ce qui est mis à profit dans les microscopes électroniques à balayage. Dans ces derniers, des électrons sont envoyés sur la surface à examiner et l’appareil capte la lumière reçue en retour.

La triboluminescence

Il s’agit de produire de la lumière par la force (non non, pas question de Jedi ici) : c’est l’émission lumineuse par la rupture de la maille d’une structure cristalline dans un corps. Ça se nomme la triboluminescence. Lorsque l’on soumet un cristal triboluminescent à une force suffisante, certaines liaisons cristallines sont rompues. L’énergie de ces liaisons ainsi brisées se retrouve émise sous la forme d’un photon.

L’électroluminescence

C’est la méthode mise à profit dans les LED : les électrons de la matière sont excités par l’application d’une tension électrique. La désexcitation se fait là aussi en émettant un photon.
Dans le cas des laser, on pousse le concept plus loin encore : un processus appelé l’émission stimulée permet à un atome excité d’émettre un photon parfaitement identique à un photon qui passe près de lui, sans absorber ce photon. On se retrouve alors avec deux photons identiques. Appliqué en cascade, cette méthode permet de produire un grand nombre de photons identiques (en direction, en longueur d’onde, en phase…) et donc de produire un faisceau « parfait » de lumière.

Ressources

Image d’entête de Kev-Shine

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

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On a tous plus ou moins déjà essayé de respirer de l’hélium pour avoir une voix aiguë, façon Donald Duck et s’en amuser. Mais savez-vous pourquoi l’hélium a cet effet là ?

L’hélium est un gaz sept fois moins dense que l’air : c’est pour cela qu’un ballon d’hélium flotte dans l’air. Une autre des conséquences de cette densité beaucoup plus faible, c’est la vitesse de propagation du son dans ce gaz.
Dans l’air — principalement un mélange de deux gaz diatomiques — le son se propage à la vitesse de $340\text{ m/s}$. Dans l’hélium, cette vitesse monte à $978\text{ m/s}$ : le son se déplace trois fois plus vite dans l’hélium que dans l’air.

En temps normal, quand les cordes vocales vibrent pour émettre un son, la vibration est transmise à l’air qui se trouve dans le larynx. La hauteur du son émis ne dépend que des cordes vocales, donc de la voix de la personne. Le son émis par les cordes vocales est celui que l’on entend :

son émis dans l’air
↑ le son sort de la bouche avec la même fréquence qu’il avait quand il est émis par les cordes vocales.

Si maintenant le larynx (où se trouvent les cordes vocales) et la bouche sont remplis d’hélium, le son passe d’un milieu où il se propage vite à un milieu où il se propage beaucoup plus lentement : l’air ambiant. À la sortie de la bouche, l’onde sonore est ralentie. Chaque « crête » de l’onde se rapproche de celle qui la précède et la distance entre elles diminue. En d’autres termes, la fréquence du son augmente et le son paraît plus aigu :

son émis dans l’hélium
↑ le passage du son de l’hélium à l’air provoque un ralentissement de l’onde sonore et une augmentation de la fréquence.

À l’émission, donc, le son émis est identique que l’on se trouve dans l’air ou dans l’hélium. C’est le passage de l’onde sonore d’un milieu (hélium) à un autre (air) qui provoque le changement de la hauteur du son.

Si on respirait de l’hélium dans une pièce remplie d’hélium, le son reçu et le son émis auraient la même hauteur et on entendrait un son tout à fait normal.

Maintenant, il existe également des gaz beaucoup plus denses que l’air. Le son s’y propage bien plus lentement et l’effet sur la voix est alors l’inverse et devient beaucoup plus grave. L’un de ces gaz est l’hexafluorure de soufre, et le résultat obtenu est plutôt spectaculaire.

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