Archives mensuelles : janvier 2016

Les carottes de glace

Question: comment les scientifiques arrivent-il à reconstituer la composition de l’atmosphère terrestre ainsi que sa température lors du dernier million d’années ?

La discipline qui s’intéresse à cette question s’appelle la paléoclimatologie et comporte de très nombreuses méthodes pour y répondre. L’une d’entre elle consiste à analyser la glace des profondeurs du Groenland et de l’Antarctique en extrayant des carottes de glace.

carotte_lapin En astrophysique on dit que regarder loin dans l’espace revient à regarder loin dans le temps à cause de la vitesse finie de la lumière. En glaciologie, c’est un peu différent : c’est en regardant plus profondément dans la glace que l’on regarde plus loin dans le temps… En effet, au fil des ans, la neige qui tombe se dépose sur la neige plus ancienne qui se transforme alors en glace en emprisonnant de nombreux gaz de l’atmosphère. L’analyse de ces gaz permet ainsi de remonter le temps en déduisant la composition de l’atmosphère au moment où les petites bulles d’air ont été emprisonnées.

cnrs_carotteProjet Aurora Basin North, Antarctique, décembre 2013-janvier 2014. À partir d’un forage de 115 mètres, Jérôme Chappellaz (à droite) et David Etheridge effectuent un prélèvement d’air dans le névé, cet amas de neige qui tend à se durcir et qui se trouve à l’origine d’un glacier. (source).

Le carottage

On fait des carottages depuis les années 50 grâce au glaciologue français Claude Lorius qui a eu cette idée en regardant un glaçon fondre dans son verre whisky lors d’une mission en Antarctique… Pour faire un carottage, il « suffit » de faire un trou dans la glace avec une foreuse et d’en extraire une « carotte » de glace d’une dizaine de centimètres de diamètre. Cette carotte est découpée en tronçons plus ou moins longs pour la transporter dans un frigo vers un laboratoire de glaciologie pour analyse des gaz qu’elle contient. Facile à dire comme ça, mais c’est tout un art de faire des carottes et de les stocker correctement.

Le laboratoire national américain des carottes de glace (NICL) est un centre pour entreposer, nettoyer et étudier les carottes de glaces. NSF Source: http://icecores.org

Le plus grand carottage actuel fait 3,2 kilomètres de profondeur en Antarctique, ce qui correspond à 740 000 ans de données, soit 8 cycles glaciaires ! Il a été réalisé dans le cadre du projet européen EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica), et permettra de recouper les données d’autres forages de profondeurs similaires au Groenland (projets GRIP et GISP2).

Une tête de perceuse pour réaliser les carottages. NSF Source : http://icecores.org

Déduire la température du passé

Pour retrouver la température qu’il faisait lors de la formation de la glace de la carotte, on utilise ce qu’on appelle un thermomètre isotopique mais ce dernier n’a pas grand-chose à voir avec un thermomètre au sens commun…

Cette méthode exploite le fait que plus il fait froid et moins l’eau possède des atomes lourds. On apprend à l’école que l’eau est constituée de 2 atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène (H2O). C’est vrai mais les atomes peuvent être plus ou moins lourds, c’est ce qu’on appelle les isotopes d’un atome, car ces derniers peuvent comporter plus ou moins de neutrons dans leur noyau. Bref, l’oxygène de l’eau peut posséder 8 ou 10 neutrons et l’hydrogène 0 ou 1 neutron.  Donc, plus il fait froid et moins l’eau possède d’oxygène et d’hydrogène « lourd » (oxygène-18 et deutérium). En mesurant la teneur de ces différents isotopes dans la glace, le chercheur arrive ainsi à retrouver précisément la température qu’il faisait lorsque l’eau a gelé.

018-TempConcentration en oxygène-18 selon la température de surface (source : Jean Jouzel 1987)

Cependant, on utilise aussi un thermomètre  «classique » pour mesurer la température le long du trou de forage. Ce profil de température permet aux chercheurs de calibrer le thermomètre isotopique car ce dernier possède une erreur. Comme la température le long du forage doit évoluer de la même manière que la température de l’époque, on peut corriger la mesure du thermomètre isotopique mais pour cela il faut résoudre un problème inverse. En effet, les chercheurs possèdent un assez bon modèle qui explique comment la chaleur se propage dans la glace et donc comment la température va se répartir dans le temps à travers la glace. Le souci est qu’ici on connaît le résultat de ce modèle (la température dans la glace aujourd’hui après des milliers d’années dans chaque couche du forage) mais on ne connaît pas la donnée d’origine (la température initiale dans chaque couche de glace). Pour résoudre de tels problèmes inverses, les glaciologues doivent donc travailler avec des mathématiciens, des chercheurs en traitement du signal et des automaticiens qui sont familiers de ce genre de problèmes. Et ce qui est merveilleux, c’est que ça marche et que ce genre de corrections est même indispensable pour obtenir une bonne précision. De cette manière, les paléo-climatologues ont pu calculer avec une bonne estimation la température qu’il faisait sur Terre lors des derniers 800 000 ans.

Reconstruire l’atmosphère d’antan

Maintenant que vous savez comment les chercheurs déduisent la température du passé grâce aux carottes de glace, voyons comment on peut également retracer l’évolution des différents gaz constituant l’atmosphère terrestre, toujours avec les carottes. Tout d’abord, il faut bien comprendre comment la neige se dépose sur les anciennes couches et comment cette dernière se tasse et se transforme en glace.

Entre la neige fraiche qui tombe et la glace où les bulles de gaz sont emprisonnées, il y a une zone de transition appelée « névé ». Cette couche fait entre 50 mètres (au Groenland) et 120 mètres (en Antarctique) et dans cette couche, les bulles de gaz peuvent se déplacer soit par convection dans sa partie haute (due aux différences de températures et aux vents de surface), soit par diffusion dans sa partie basse (les molécules de gaz les plus lourdes migrent vers le froid en bas et les plus légères vers le chaud en haut), voir la figure ci-dessous.

neve_profilProfil d’un névé qui se situe entre la neige fraiche qui s’accumule à la surface et la glace en profondeur. (Source: Sowers 1992).

Les chercheurs sont donc une fois de plus amenés à résoudre un problème inverse car ils mesurent aujourd’hui la concentration des gaz dans la glace et doivent déduire quelle était la concentration des différents gaz à la date où la neige est tombée, en considérant toute la période de névé pendant laquelle les gaz ont pu se déplacer. Le problème est très compliqué car le gaz contenu dans une bulle emprisonnée peut donc provenir de différentes époques… C’est effectivement un vrai casse-tête et il existe plusieurs modèles pour rendre compte de tous ces phénomènes plus ou moins compliqués. De plus, les chercheurs s’intéressent à de nombreux gaz pour reconstruire le climat (le méthane, le CO2, l’oxygène, les CFC, etc.) et les modèles doivent donc aussi incorporer de la chimie et sont donc d’autant plus compliqués, surtout pour les inverser et les résoudre dans un temps raisonnable.

Encore une chose, pour corriger et ajuster tous les calculs, les glaciologues peuvent avoir recours à des contraintes chronologiques pour forcer une certaine couche de glace à une certaine période comme lors des grandes éruptions volcaniques ou lors de phénomènes astronomiques influençant le climat. Par exemple, il existe un pic de Bérilium-10 à environ 41 000 ans car à cette époque, la Terre a connu un très faible champ magnétique et ce phénomène a eu pour effet de laisser passer de nombreux isotopes venus du cosmos sur Terre comme le bérilium-10. On retrouve ce pic dans les différentes carottes de glace et c’est comme cela que les chercheurs « forcent » leur modèle pour obtenir cet âge à la profondeur correspondante (740 m dans le forage EPICA en Antarctique par exemple).

Les autres méthodes de la paléoclimatologie

Les carottes de glace ne sont pas l’unique méthode pour reconstituer le climat du passé. Les chercheurs ont aussi recours à la dendroclimatologie (analyse des arbres et plus particulièrement de leurs cernes), à la sclérochronologie (analyse des coraux et coquillages) ainsi que l’analyse de tous les fossiles de faune et de flore et des sédiments qui donnent de précieux indicateurs du climat. Toutes ces méthodes peuvent ensuite être comparées et combinées pour permettre de reconstituer le scénario le plus probable de notre climat passé.

All_palaeotempsReconstitution de la température moyenne sur Terre pendant les 500 derniers millions d’années. Les données jusqu’à 800 000 ans viennent des carottes de glace. Source Wikipedia.

La métallurgie et les alliages

Voici un sujet qui m’est étranger et c’est la raison pour laquelle je l’aborde dans mon blog : j’ai envie d’en savoir plus !

Les métaux

La métallurgie est avant tout une science : celle qui s’intéresse aux métaux et à ses alliages. Un métal est défini physiquement comme un matériau possédant des liaisons atomiques métalliques, c’est-à-dire que les différents atomes échangent plus d’un électron pour rester soudés. Au total, le tableau périodique des éléments contient 91 métaux sur 118 éléments connus, autant dire que les métaux sont omniprésents puisqu’ils représentent plus des trois quarts des éléments connus. En général, les métaux sont extraits de roches issues de la croûte terrestre : le minerai (d’où le nom de métal). Metallurgie-junker2

Tous les métaux sont très différents, certains sont radioactifs et dangereux comme l’uranium, et d’autres sont omniprésents dans notre corps comme le fer. Ils possèdent tous des propriétés chimiques et mécaniques distinctes qui leur confèrent des avantages et des inconvénients selon les applications industrielles (poids, solidité, élasticité, corrosion, etc.). Prenons quelques exemples de métaux:

  • L’argent est le meilleur conducteur électrique et thermique.
  • Le fer est très abondant sur Terre et s’aimante en présence d’un champ magnétique (ferromagnétisme).
  • L’osmium est l’élément naturel le plus dense sur Terre avec 22 tonnes pour un mètre cube (3 fois plus dense que du fer).
  • Le Tungstène est le métal ayant le plus grand module de Young, c’est-à-dire que c’est le métal le moins élastique.
  • Le mercure est le seul métal liquide à température et pression ambiante.
  • Le Nickel est très peu sensible à la corrosion et à l’oxydation.
  • L’or est un métal jaune, brillant et malléable, ce qui le prête bien à la bijouterie.

C’est à cause de leurs grandes disparités que l’homme a naturellement été tenté de « mélanger » les métaux ensemble pour fabriquer des alliages répondant mieux à ses exigences techniques.

Les alliages

Pour qu’il y ait alliage, les différents métaux de la composition doivent être miscibles entre eux, c’est-à-dire qu’en les chauffant à une température précise, ils se mélangent parfaitement de manière à obtenir un nouveau matériau homogène sans pouvoir distinguer les différentes espèces qui le composent. En général, les éléments ne sont pas complètement miscibles et doivent donc respecter certaines proportions à ne pas dépasser (limite de solubilité).

On trouve de nombreux alliages pour quasiment tous les métaux mais il existe trois grandes familles d’alliage à cause de leur abondance sur Terre et donc de leur prix raisonnable:

  • les alliages à base de fer (fonte, acier, inox)
  • les alliages à base de cuivre (bronze/arain, laiton, billon)
  • les alliages à base d’aluminium

chevalP1-10A Le cheval du trésor de Neuvy-en-Sullias. Un des plus beaux bronzes de la Gaule romaine, Ier siècle av. J.-C. – Ier siècle ap. J.-C. Alliage cuivreux coulé selon le procédé de la fonte à la cire perdue. (source : JF BRADU).

Au niveau physique, les atomes des différents métaux peuvent se « mélanger » plus ou moins bien selon la température, la nature des atomes et leur arrangement. Pendant longtemps, l’homme a naturellement trouvé des alliages de manière empirique et aujourd’hui notre meilleure compréhension de la matière nous permet de « penser » à des alliages selon nos besoins.

Il existe des alliages homogènes dans lequel l’élément d’addition peut soit remplacer un atome du métal de base (substitution), soit s’intercaler dans le réseau atomique (insertion). Quand il y a substitution, les atomes doivent avoir une taille semblable. Si les atomes des différents métaux sont de taille équivalente à 15 % près, il y a miscibilité totale, et, si les atomes diffèrent de 15 % à 30 % en taille, il y a miscibilité partielle. Au-delà, les métaux ne sont pas miscibles par substitution. En revanche, il peut y avoir une insertion d’un atome de petite taille dans un réseau d’atomes plus gros comme c’est le cas pour les aciers où des atomes de carbone ayant un rayon de 70 picomètres sont insérés dans un réseau d’atomes de fer ayant chacun un rayon de 140 picomètres, soit le double. Cette insertion fonctionne uniquement si la quantité d’éléments ajoutés est relativement faible par rapport au métal de base et dépend du schéma d’organisation des atomes, sinon la miscibilité est impossible.

fer_carbone_CFC_3Acier: Insertion d’atomes de carbone (en noir) dans une structure cubique à face centrée de fer (en rouge) (source : iutenligne).

Les aciers

Un des alliages les plus utilisé dans l’industrie aujourd’hui est l‘acier mais c’est un alliage relativement récent car découvert véritablement à la fin du 18ème siècle (contrairement à la fonte et le bronze qui sont connus depuis plus de 2000 ans). L’acier est un alliage très inégal car il est constitué de fer avec seulement 0,02% à 2% de carbone (au-delà de 2%, c’est de la fonte). Il existe aujourd’hui plusieurs centaines d’aciers différents selon la teneur en carbone et l’addition d’autres métaux dans l’alliage. Les procédés de fabrication sont extrêmement complexes avec des recettes de cuisine bien spéciales. Dans une voiture, on trouve plus de 40 types d’aciers différents (voir cet article intéressant sur l’acier).

Quelques types d’aciers:

  • acier inoxydable (inox) : fer contenant moins de 1,2% de carbone avec plus de 10,5% de chrome. D’aspect brillant, il résiste bien à la corrosion, il ne rouille pas. Il en existe une vingtaine de différents car on ajoute aussi généralement du nickel ou du manganèse (d’où l’expression « nickel-chrome« ). En cryogénie, on utilise généralement de l’acier inoxydable 304L (0,02% de carbone, 18% de chrome et 10% de nickel) qui résiste très bien aux très basses températures (< -200 °C).
  • acier galvanisé : ici on vient recouvrir l’acier d’une couche de zinc pour le protéger contre la corrosion. Ce dépôt fait entre 50 et 100 microns selon les applications et la durée de vie souhaitée. En milieu rural, un dépôt de 100 microns permet une protection pour 100 ans !
  • acier trempé : l’homme a découvert qu’en chauffant l’acier à haute température (autour de 900 °C pendant environ 30 minutes) et en le trempant dans l’eau froide soudainement, on améliore par la suite ses propriétés mécaniques en le rendant plus dur (mais plus fragile).

Durée_de_vie_de_la_galvanisation Durée de vie de la galvanisation selon l’épaisseur de zinc (source : wikipédia)

La bijouterie

L’alliage est de rigueur en bijouterie ! Si vous aviez des bijoux en or pur, ils se déformeraient trop, un coup de dent modéré laissant une empreinte dans l’or pur sans problème ! En France, un bijou est qualifié « en or » s’il possède au moins 75 % d’or, soit 18 carats (24 carats = 100%). Les joailliers ajoutent donc d’autres métaux pour des raisons mécaniques et esthétiques. Par exemple, on ajoute du cuivre pour faire de l’or rouge, du nickel pour l’or blanc, de l’argent et du cuivre pour l’or jaune ou rose selon les proportions. Avec de l’argent, c’est pratiquement toujours du cuivre qui est ajouté. On trouve aussi des bijoux en platine (plus cher encore que l’or), en bronze, en laiton, en cuivre ainsi qu’en vermeil (argent à 92,5% recouvert d’au moins 5 microns d’or à 75%).

350px-Ag-Au-Cu-colours-english.svg Différentes couleurs de l’or selon les proportions d’or, d’argent et de cuivre (source: wikipédia)

Des alliages high-tech

Il existe aujourd’hui des alliages de hautes technologies pour les applications de pointes comme l’aéronautique ou le spatial qui nécessitent des exigences en matière de solidité, de poids, d’élasticité et de durée de vie (mais pas trop en matière de prix). Ici, on parle généralement de titane, de tungstène et de cobalt.

Un des plus utilisés est le Ti 6Al-4V (alliage de titane avec 6% d’aluminium et 4% de vanadium) qui est très léger et robuste. De plus il peut fonctionner à haute température (300 °C) et est peu sensible à la corrosion. On le retrouve dans les pales de turbines, dans les structures d’avion et d’armes mais également dans des équipements de sport haut de gamme et dans des implants médicaux et dentaires. golfClub de golf en alliage Ti 6Al-4V (source : Tour spec golf)

On retrouve aussi des alliages sous forme de marque déposée par les entreprises qui les ont créés comme l’Invar® (64% de fer et 36% de Nickel) qui présente une étonnante propriété de dilatation thermique : l’Invar® ne se déforme presque pas quand sa température change (10 fois moins que du fer) et est donc utilisé abondamment en horlogerie ainsi que pour fabriquer des appareils de mesure. L’Invar® est également utilisé pour fabriquer les membranes des cuves des méthaniers transportant du gaz naturel liquéfié à -164 °C pour éviter leur déformation avec la température.

1024px-LNG_BONNYMéthanier possédant une membrane interne en Invar®.

Signalons aussi des alliages à base de tungstène qui sont très intéressants car très denses (19 tonnes par mètre cube) et résistants aux très hautes températures (point de fusion du tungstène à 3422 °C) comme le Densimet® (tungstene+nickel+fer), l’Inermet® (tungstene+nickel+cuivre) ou le Denal® (tungstene+nickel+acier+cobalt) qui possèdent une densité d’environ 17 tonnes par mètre cube et qui sont utilisés pour réaliser des blindages ou des systèmes de collimation pour les rayons X ou gamma dans les centres de radiothérapie.

Combien ca coûte ?

Coté prix, un kilo d’or vaut environ 20 000 euros contre 250 euros pour 1 kilo d’argent, 4,5 euros pour un kilo de cuivre et 4,5 centimes pour un kilo de fer ! Mais il y a des métaux beaucoup plus cher que l’or : un kilo de rhodium (métal parfois appliqué sur les bijoux en argent pour les rendre anti-corrosifs) coûte 300 000 euros !! Quant aux alliages, le prix dépend bien évidemment des métaux qui les composent mais surtout de la complexité du travail à accomplir pour l’obtenir. L’acier coûte ainsi 40 centimes le kilo, soit 10 fois plus cher que le fer qui est son constituant à 98%, et l’inox s’échange à 2 euros le kilo pour 90% de fer à 4,5 centimes par kilo (50 fois plus cher). Pas étonnant quand on voit la complexité d’une acierie…