Une place au soleil

10 03 2013

La plupart des plantes poussent depuis le sol vers le soleil. Au cours de leurs croissances elles déploient leurs feuilles afin de capter l’énergie du soleil nécessaire à leur développement. Cependant de nombreux obstacles peuvent empêcher une plante de profiter pleinement des rayons du soleil. C’est par exemple le cas si les plantes environnantes sont trop imposantes ou si le vent fait plier les tiges. Dans ce contexte, toutes les ruses sont bonnes pour  s’assurer une place au soleil. L’équipe du professeur Hangarter à l’université de l’Indiana aux Etats-Unis s’est intéressée à la croissance des belles de jour. En réalisant des vidéos accélérées, ils ont mis en évidence les surprenants mouvements de ces plantes :

On observe sur ces vidéos que la tige la plus avancée de la belle de jour réalise un mouvement de nutation. Ce mouvement permet à la plante de sonder l’espace avoisinant à la recherche d’un support. Dès lors que la tige trouve un tuteur, le mouvement de balancement qu’elle effectue lui permet de s’y accrocher et de poursuivre sa croissance vers le haut.

Source :

Plants in motion. (#)





Le gel d’un lac

20 01 2013

Le gel d’un lac en hiver est toujours une expérience amusante. Qui ne s’est jamais amusé à tester l’épaisseur de la couche de glace pour savoir si elle pouvait supporter son propre poids ?

Route de glace

Bien que le gel d’un lac soit un phénomène relativement courant sous nos latitudes, que savons nous à son propos ? Pourquoi la glace se forme t-elle en surface ? Se forme t-elle de manière homogène sur tout le lac ?

Afin de répondre à ces questions il faut commencer par s’intéresser aux propriétés étonnantes de l’eau. Nous savons que ce composé est à l’équilibre sous forme solide en dessous de 0°C à pression atmosphérique. Nous savons aussi que l’eau sous forme solide est 10% moins dense que sa forme liquide. Cette propriété propre à l’eau explique que la banquise flotte sur les océans ou que nos glaçons reste à la surface d’un verre d’eau. Enfin une autre propriété remarquable de l’eau liquide est d’avoir une densité maximale pour une température de 4°C. C’est-à-dire que pour des températures inférieures et supérieures, celle ci sera moins dense que de l’eau à 4°C. La dépendance de la densité de l’eau avec sa température est représentée plus en détail sur le graphique ci dessous.

Densité_température

Généralement dans un lac toute l’eau n’est pas à la même température. D’après la propriété précédente cela implique qu’il existe des zones de densité différentes. Ces zones vont s’organiser dans la profondeur du lac, les plus denses migrant vers le fond et les moins denses vers la surface.

En été, lorsque la température extérieure est supérieure à 4°C, l’eau la plus chaude est aussi la moins dense et remonte vers la surface. A l’inverse la plus froide (au minimum à 4°C) repose au fond. Cette stratification de la température de l’eau en fonction de la profondeur est une expérience courante pour les baigneurs dans un lac ou une piscine (quoique souvent trompeuse si on test la température de l’eau à la main avant d’y plonger !).

En revanche en hiver quand la température devient inférieure à 4°C, l’eau la plus chaude (au maximum à 4°C) est aussi la plus dense et migre vers le fond du lac. A l’inverse l’eau la plus froide (au minimum à 0°C) remonte vers la surface. En hiver il y a donc une inversion de la stratification de la température dans le lac. Le baigneur ne se fera donc plus surprendre en trempant au préalable la main dans le lac !

baignade lac gelé

Au contact d’un atmosphère extérieure sous les 0°C, l’eau en surface va pouvoir se transformer en glace. Le  fait que la glace se forme en surface provient donc de la dépendance de la densité de l’eau avec la température. De plus cette situation est rendue stable par le fait que l’eau solide est plus légère que celle liquide. C’est-à-dire qu’une fois la glace formée, celle-ci va rester en surface pour constituer une couche épaisse.

Il faut noter que la plupart des composés connus ont, contrairement à l’eau, une forme solide plus dense que leur forme liquide. Si on imaginait un lac d’un autre liquide (huile, alcool, etc..), la glace y coulerait et celui-ci se solidifierait par le fond. Dans ce cas la plupart de la vie aquatique aurait fini congelée au cours de l’évolution…

Mais quelle énergie faut t-il au juste pour geler un lac ? L’eau liquide a besoin de 4,18 joules par gramme d’eau pour se refroidir de 1°C et de 334 joules par gramme pour se solidifier. Pour refroidir de 20°C à 4°C le lac Léman il faut donc environ 6×10 18 Joules, ce qui correspond à la consommation électrique annuelle de la Norvège ! Et afin de geler une couche de 10 cm de glace sur tout la surface du même lac il faut fournir à une eau à 0°C pas moins de 2×10 16 Joules.

Cette immense quantité d’énergie est délivrée à l’atmosphère extérieure qui est en contact avec la surface du lac. Le transfert de cette énergie n’étant pas instantané, on peut comprendre qu’un certain temps soit nécessaire pour geler le lac. Il faut savoir que le taux d’énergie échangée entre l’atmosphère et le lac est proportionnel à sa surface ainsi qu’à leur différence de température respective. Plus la différence de température est importante, plus le lac refroidira et gèlera rapidement. Aussi plus le lac aura une grande surface par rapport à son volume, plus le transfert d’énergie permettra de geler rapidement tout le lac. Une petite flaque dans la rue se glacera facilement lors d’une nuit froide alors qu’il faut plusieurs semaines défilées de grand froid pour faire prendre le lac Léman.

Ce rapport entre la surface d’échange d’énergie pour refroidir un volume d’eau nous permet aussi de déterminer les zones du lac les plus sensibles au gel. Aux bords du lac la profondeur y est plus faible qu’au centre, pour une même surface il correspond donc un volume d’eau sous-jacent plus faible. A condition que ces deux zones soient soumises aux mêmes conditions climatiques, elles reçoivent une même quantité d’énergie par unité de surface. La zone au bord ayant un volume d’eau plus petit à refroidir, elle gèlera en premier. Les lacs gelés prennent d’abord sur les rives et ensuite au centre, d’où le suspens en essayant de les traverser.

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Les photographies précédentes ont été réalisées par le photographe Chip Phillips sur le lac Abraham dans l’Alberta. Ces colonnes de tâches blanches prises dans la couche de glace d’un lac sont dues à des plantes aquatiques. Dans la journée ces plantes relarguent du méthane, créant ainsi une bulle de gaz qui reste bloquée sous la surface de la glace et se trouve emprisonnée la nuit par la croissance de la couche de glace.

Sources :

Pourquoi la glace se forme t-elle d’abord en surface ? (#)

Science of the seasons. (#)

Lake Ice. (#)

Chip Phillips Photography. (#)





Mer gaufrée

27 12 2012

Lorsque une vague arrive parallèlement au rivage, celle ci se réfléchie dans la même direction. L’amplitude de la vague réfléchie dépend de la pente du fond marin à proximité du rivage. Lorsqu’une vague arrive obliquement au rivage, sa réflexion est envoyée dans une direction différente de celle incidente. La superposition des vagues incidentes et réfléchies produit une « mer gaufrée ». La géométrie du rivage et du fond marin de la Pointe des Baleine sur l’île de Ré rend cet effet particulièrement visible.

Mer gaufrée île Ré

Mer gaufrée. Pointe Des Baleines, Ile de Ré, France

Ce phénomène rend ce site tout à fait remarquable, si ce n’est pour les surfeurs !

Source : Wikipédia – Vague. (#)





Les flocons de neige

26 12 2012

Flocon styliséCette représentation stylisée nous évoque immédiatement un flocon de neige. Mais comment savons nous au juste que les flocons possèdent cette forme ?

L’observation d’un flocon de neige est rendue difficile de part sa petite taille  et sa fonte rapide au contact d’une surface chaude. A l’oeil nu il faut être extrêmement attentif afin de distinguer la géométrie d’un flocon de neige. C’est l’emploi du microscope qui va nous permettre de découvrir réellement la forme d’un flocon de neige.

Le premier scientifique a réaliser cette observation est l’anglais Robert Hooke. Celui-ci a passé plusieurs années à ajuster des lentilles optiques afin de mettre au point un microscope performant. En 1665 il publie Micrographia où il résume ses observations du monde microscopique tel que les cellules de plantes, les yeux de mouche et la forme sexagénaire des flocons de neige.

Il a ensuite fallu attendre 1885 pour que Wilson A. Bentley prenne les premiers clichés de flocon de neige. Ce fermier dans le Vermont remarqua immédiatement l’immense diversité des flocons de neige. Fasciné par cette variété il ne cessa de les photographier pour obtenir à la fin de sa vie plus de 5000 clichés.

First Snowflake Photos

Wilson A. Bentley Snowflakes

Sur ces clichés on remarque d’abord que le flocon de neige n’est pas un objet sphérique. Il présente une structure qui s’apparent à une fine dentelle. Malgré l’incroyable diversité de forme, il existe un dénominateur commun à tous ces flocons : la présence de six branches.

Comment pouvons nous comprendre ces observations ?

Si le flocon n’est pas sphérique c’est qu’il ne provient pas directement de la solidification d’une unique goutte d’eau. En réalité il se construit par conglomération de particules de glace lors de sa chute dans l’atmosphère terrestre.

A l’origine d’un flocon se trouve une minuscule goutte d’eau d’un rayon d’environ 10 µm. Bien que l’eau se transforme en glace à 0°C, ces gouttelettes d’eau congèlent à des températures bien inférieures à 0°C. En effet, il faut attendre que par hasard les molécules d’eau de cette goutte se retrouvent arrangées comme sur un réseau de glace pour que la transition liquide-solide se fasse. Eventuellement de fines particules solides facilitent ce processus.

Une fois ce coeur de glace formé, il va rencontrer les molécules d’eau sous forme vapeur en suspension dans l’atmosphère et les fixer à sa surface. Ainsi le flocon de neige croît jusqu’à atteindre une taille millimétrique. Et si les flocons de neige possèdent toujours six branches c’est que l’eau sous forme solide s’arrange selon une structure cristalline hexagonale comme on peut le voir sur le schéma suivant.

structure hexagonale glace

La première gouttelette d’eau va donc cristalliser sous la forme d’un hexagone et présenter six faces pour la croissance des branches.

Ensuite la croissance de ces branches dépend de l’humidité et de la température des régions de l’atmosphère traversées. Cela explique pourquoi chaque flocon de neige est unique : sa géométrie dépend de son vécu. En ceci un flocon de neige est un véritable messager du ciel qui nous raconte son histoire.

Flocon neige

Sources :

Snowcrystal.com. (#)

Robert in space – Les Flocons. (#)

Wikipédia – Snowflake. (#)





Les tourbillons de Naruto

10 12 2012

Dans le détroit de Naruto au Japon, des tourbillons géants se forment deux fois par jour. Leurs dimensions peuvent atteindre 20 mètres de diamètre et 1,7 m de profondeur. De telles caractéristiques en font parmi les tourbillons marins les plus impressionnant au monde.

Tourbillon Naruto

Les tourbillons de Naruto résultent de l’interaction entre les marées de l’océan Pacifique et celles de la mer intérieure de Seto qui se rencontrent à cet endroit. Le phénomène de marée fait varier la hauteur du niveau d’eau de chaque mer ou océan au cours de la journée. Cette variation dépend de la position de la Lune et du Soleil relativement à la Terre mais aussi de la configuration de l’océan (taille, forme des côtes, etc…). Il se trouve que les marées de l’océan Pacifique et de la mer intérieure du Seto ne sont pas synchronisées. Selon l’heure de la journée le niveau entre les deux eaux peut différer jusqu’à 1,5 m. Cette différence de hauteur va s’atténuer en entrainant un fort courant d’eau. L’intensité de ce courant est accrue par l’étroitesse du détroit de Naruto et peut ainsi atteindre 20 km/h. Ceci fait de ce courant un des quatre plus fort courant marin au monde. Il nous reste à comprendre pourquoi ce courant permet la création de tourbillons.

Pour qu’il y ait naissance d’un tourbillon il faut que deux zones du fluide se déplacent à des vitesses suffisamment différentes. Dans un écoulement rapide cela arrive très facilement et c’est pourquoi le détroit de Naruto est particulièrement adapté pour observer de grands tourbillons. Par exemple la simple présence d’un obstacle vient contrarier l’écoulement du fluide proche de lui. Ce fluide se retrouve ralenti par rapport à celui plus loin de l’obstacle et cette situation donne naissance à un tourbillon. Ceci peut être visualisé sur le cliché suivant où un écoulement d’eau (allant de la gauche vers la droite) rencontre une marche descendante. Le fluide en mouvement rencontre sous la marche un fluide au repos. Cette différence de vitesse « enroule » le fluide comme permet de le montrer le colorant noir.

Vortex shedding off a back-facing step in laminar flow

Dans le cas du détroit de Naruto, c’est probablement la proximité de la côte qui créée un obstacle à l’écoulement et la formation de grandes structures tourbillonnaires.

Les tourbillons de Naruto fascine le monde depuis déjà longtemps. Le maître de l’estampe japonaise du 19ème siècle , Utagawa Hiroshige, les a représentés dans sa série des Cent vues d’Edo qui regroupe les paysages incontournables du Japon de l’époque.

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Source :

Wikipédia – Le tourbillon de Naruto. (#)

Andrew Carter – Perception of design. (#)

Wikipédia – Utagawa Hiroshige. (#)





Les caustiques

1 12 2012

Photographie des motifs présents au fond d’une piscine réalisée par Grégory Massal.

Ces motifs lumineux ne vous font t-il pas penser aux vacances d’été ? Si oui, c’est certainement qu’on les observe généralement au fond des piscines les jours ensoleillés.

L’image précédente montre des zones extrêmement lumineuses et d’autres plus sombres. On peut se demander comment la lumière du soleil, qui éclaire la surface de la piscine de manière homogène, peut se retrouver aussi mal répartie en son fond ?

L’air et l’eau sont deux milieux d’indice optique différent. Par conséquent, les rayons lumineux qui traversent cette interface vont voir leur direction modifiée, c’est le phénomène de réfraction de la lumière.  Le changement de direction des rayons lumineux dépend des indices optiques des milieux et de leurs angles d’incidence. Si la surface de l’eau est plate, tous les rayons lumineux sont déviés de la même manière et le fond de la piscine reste éclairé de manière homogène. En revanche si cette dernière est ondulée, l’angle d’incidence des rayons lumineux change selon la pente locale de la surface. Ils vont donc être plus ou moins déviés selon leur lieu d’incidence à la surface de la piscine.

Des chercheurs de l’université de Vancouver se sont intéressés au cas idéal où la surface de l’eau présente des vagues sinusoïdales. Le schéma ci dessous représente le chemin des rayons lumineux arrivant verticalement.

Schéma 1 : Focalisation de la lumière par la présence de vague en surface

On remarque sur ce schéma que les bosses des vagues dévient les rayons du soleil vers un même point. Il y a focalisation de la lumière d’où la formation de zones claires. A l’inverse les creux des vagues font diverger les rayons de lumière, d’où l’existence de zones sombres. La focalisation des rayons lumineux par  la surface ondulée de l’eau explique la présence de motifs lumineux au fond des piscines. Ce phénomène s’observe aussi à l’arrière d’un verre d’eau éclairé latéralement comme le montre la photo suivante.

caustique verre eau

Il faut tout de même se demander dans quelle limite l’explication précédente est valable. Les chercheurs canadiens ont illustré les cas limites sur les figures ci dessous. A gauche on observe le cas où les vagues sont de trop faibles amplitudes. Cela entraîne une faible déviation des rayons lumineux sans réelle incidence sur la répartition de la luminosité.  A l’inverse le schéma de droite montre un cas où les déviations sont très importantes. La focalisation des rayons lumineux est telle qu’ils vont se recroiser avant d’atteindre le fond. Dans ce cas aussi la luminosité sur le sol de la piscine sera constante et aucune tâche lumineuse ne pourra être observée.

Schéma 2 : Cas où aucun motif lumineux n’apparait au fond de l’eau

Dans le cas d’une piscine, les vagues ont une amplitude a de quelques centimètres et sont espacées d’une distance λ d’une vingtaine de centimètres. Si les rayons lumineux sont verticaux, l’angle maximum de déviation après la traversée de l’interface air-eau est donné par la relation :

Ainsi les rayons les plus dévies vont se croiser à une profondeur h d’environ :

Cette profondeur étant légèrement plus grande que celle de la plupart des piscines, cela explique le fait que la lumière soit focalisée sur certaines zones comme le montre le premier schéma et que des motifs lumineux soient visibles au fond des piscines. Voilà une raison de plus d’apprécier de piquer une tête dans l’eau d’une piscine.

Source :

L. Whitehead, J. Huizinga, and M. Mossman. Why do stars twinkle, and do they twinkle on Mars ? (#)
Wikipédia – Les caustiques. (#)




Les nuages lenticulaires

27 10 2012

Cet objet non identifié dans le ciel à l’arrière de la montagne est un nuage lenticulaire.

Un nuage résulte de la montée d’une masse d’air chaud dans un environnement plus froid. La vapeur d’eau contenu dans l’air se condense alors en fines gouttelettes qui forment le nuage. Cependant la montée d’air chaud est un phénomène turbulent et se fait de manière désordonné. La plupart du temps les nuages ont des formes irrégulières et très variées.  Dans ce contexte, la forme bien dessinée et l’aspect lisse des nuages lenticulaires sont très étonnants. Demandons nous comment peuvent se former les nuages lenticulaires.

Ces nuages sont souvent présent à proximité d’une montagne. Il arrive même qu’ils la surplombent. L’image suivante en montre un exemple avec le mont Fuji protégé par son chapeau nuageux.

On remarque aussi que les nuages lenticulaires s’observent uniquement les jours où le vent souffle de manière intense dans une direction donné. Ces deux indices nous poussent à étudier l’interaction entre un vent fort et constant et un obstacle comme une montagne.

Lorsque une masse d’air rencontre une montagne elle est contrainte de se soulever (Situation A sur la figure 1). Généralement la densité de l’air décroît avec l’altitude dans l’atmosphère. La masse d’air soulevée se retrouve dans un milieu moins dense et retombe  sous l’effet de son poids après le passage de la montagne. Cette chute se fait jusqu’à une faible altitude où l’air est en comparaison plus dense. La masse d’air remonte alors sous l’effet de la poussée d’Archimède (situation B sur la figure 1). Ce phénomène de montée descente se répète plusieurs fois avant de s’atténuer.

Fig. 1 : Interaction du vent avec une montagne

Pour résumer, la présence d’une montagne soulève une masse d’air dense vers une altitude où la densité de l’air est inférieure. La masse d’air soulevée suit des oscillations haut/bas avant de retrouver son altitude d’équilibre où la densité de l’air est égale à celle de la masse d’air déplacée.

Lors de ces oscillations haut/bas, la masse d’air peut être refroidie jusqu’à atteindre son point de saturation en vapeur d’eau. Ceci entraine la formation d’un nuage (au niveau des points A et B sur la figure 1). C’est le fait que ces nuages se forment dans un écoulement d’air sinusoïdal qui explique leur aspect si particulier.

L’explication précédente montre que dans les bonnes conditions, des nuages lenticulaires peuvent se former au dessus d’une montagne et en amont de celle ci. Ce phénomène est clairement visible sur la photo suivante.

On remarque également sur cette image que les nuages lenticulaires peuvent apparaître à différentes altitudes. Ils forment ainsi une véritable pile d’assiettes renversées.

Si l’observation de ces nuages lenticulaires est si rare c’est que pour que les oscillations d’une masse d’air à l’arrière d’une montagne soient stables, il doit y avoir un accord entre la vitesse du vent et la topologie de la montagne. On pourra apercevoir des nuages lenticulaires uniquement les jours où le vent souffle dans la bonne direction avec la bonne intensité et où les conditions d’humidité permettent la formation de nuages. Ainsi le spectacle fournit par ces nuages reste exceptionnel.

Source :

Wikipédia – Altocumulus lenticularis. (#)

Wikipédia – Onde Orographique. (#)

Ciel des hommes. (#)

Nuages lenticulaires. (#)