Que se passe-t-il au dessus de la Sibérie ? Rien de bien rassurant …

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Lorsque j’ai voyagé il y a deux mois entre Madrid et Tokyo-Narita (13h30 de vol) l’avion a suivi une trajectoire en apparence rectiligne (dans les faits curviligne) entre son point de départ et son point d’arrivée en se dirigeant d’abord vers le nord pour survoler l’Allemagne, le Danemark puis le sud de la Finlande et enfin l’interminable Sibérie en passant au dessus d’Arkangelsk, de Norilsk, puis au sud de Yakutsk, au dessus de Khabarovsk et pour survoler enfin la Mer du Japon. L’aéronef dont l’altitude de croisière est de 13000 mètres passe brièvement au nord du cercle polaire entre la Mer Blanche et Yakutsk dans la région de Norilsk. Le voyage débute à 12h30 heures, heure locale, à Madrid et au delà de la Finlande c’est l’obscurité totale jusqu’à la réapparition d’une pâle lueur en direction de l’est pour atterrir à Narita vers 10 heures du matin.

J’étais assis près d’un hublot du côté bâbord de la cabine, donc exposé au nord, et j’ai pu saisir ce bref moment où la Terre porte une ombre vers l’ouest alors que le Soleil n’est pas encore au dessus de l’horizon. Mais ce n’est pas ce qui est intéressant dans ce cliché riche d’enseignements. Ce qui est frappant est la couche claire située très haut au dessus de l’horizon, couche éclairée par le Soleil et prenant une couleur légèrement rose probablement du fait que l’horizon à l’est est rouge en raison du lever du Soleil en raison du phénomène physique appelé diffusion de Rayleigh (lien). En considérant un angle de vision de l’appareil de photo, un Fuji X10, de 30 degrés, une appréciation de la courbure de la Terre très approximative que j’ai négligé peut-être à tort et tenant compte de l’altitude de vol de 13000 mètres, la ligne d’horizon doit se trouver à environ 400 km de l’avion (voir les liens en fin de billet). L’angle de l’ombre portée par la Terre par rapport à la ligne d’horizon (en première approximation une ligne et non une courbe compte tenu des fluctuations nuageuses de basse altitude) est égal à environ 30 degrés. Il est donc possible de déduire l’altitude de cette bande claire qui est totalement invisible si on se penche vers le hublot et que l’on regarde vers le haut : le ciel était toujours complètement noir.

Après un calcul simple en utilisant un double décimètre posé sur l’écran de mon ordinateur j’ai trouvé que cette bande claire se trouvait à une altitude médiane d’environ 70 kilomètres et son épaisseur, puisqu’on la voit par la tranche, est difficile à apprécier compte tenu de la courbure de la Terre et donc de la courbure de cette couche si celle-ci est uniformément répartie. De plus cette épaisseur semble plus importante au fur et à mesure qu’on s’approche en direction de l’est encore une fois en raison de la diffusion de Rayleigh des rayons solaire. Il s’agit d’un phénomène de diffusion de la lumière solaire et c’est ce détail qui prouve que cette couche claire bien visible est constituée de micro-cristaux de glace qui réfléchissent la lumière du Soleil dans toutes les directions provoquant un épaississement apparent de la couche dont il est question dans la direction du lever du Soleil. Si cette couche n’existait pas il n’y aurait pas ce phénomène de réflexion solaire ni de diffusion qui s’accroit dans la direction de l’est.

Pourquoi donc arrive-t-on à voir cette accumulation de cristaux de glace ? Tout simplement parce que sa perception visuelle se fait par la tranche : il faut donc une accumulation de cette matière probablement très ténue diffusant la lumière solaire sur des dizaines de kilomètres pour qu’elle soit vraiment visible et seulement visible depuis un avion volant à 13000 mètres d’altitude. Je doute que les astronautes de la station spatiale soient capables de la voir.

Cette perception visuelle rendue possible de par la position de l’observateur en altitude apporte une preuve qu’il existe donc bien à environ 70 kilomètres d’altitude des cristaux de glace qui se forment mais comment cela est-il possible ? Il y a très peu de molécules d’eau à une telle altitude et pour que celles-ci s’agrègent et forment un micro-cristal de glace la présence d’un « noyau de nucléation » est nécessaire. Ce noyau de nucléation, terme plutôt réservé aux chimistes quand ils étudient la formation de colloïdes, est dans ce cas un ion chargé positivement ou négativement, peu importe, qui va attirer par attraction électrostatique ces molécules d’eau. Les molécules d’eau présentent naturellement une différence, certes faible mais bien réelle, de charge électrique négative entre l’oxygène et les atomes d’hydrogène de charge positive. Par exemple un ion N3+ aura toutes les chances d’attirer une molécule d’eau. La question qui surgit alors est l’origine de tels ions très chargés. Il s’agit tout simplement du résultat du bombardement des hautes couches de l’atmosphère, bien au dessus de cette altitude de 70 kilomètres, par des rayons cosmiques très énergétiques provenant de la galaxie.

Normalement le bombardement cosmique est dévié par le champ magnétique solaire. Or, il se trouve qu’en ce moment même le Soleil est entré dans une phase de sommeil magnétique avec plus de 270 jours consécutifs pratiquement sans aucune tache solaire, le « marqueur » de cette activité magnétique. Il s’agit d’un record depuis l’avènement de l’ère spatiale. Il faut remonter en 1913 pour retrouver de telles conditions. Mais qui peut bien se soucier de la présence d’un tel phénomène … Tout le monde car ces conditions existent tout autour de la planète et pas seulement près des pôles compte tenu de la faiblesse actuelle du champ magnétique solaire. Cette couche de glace va contribuer au refroidissement du climat en réfléchissant une partie du rayonnement solaire vers l’espace et comme il faudra attendre l’année 2100 pour qu’à nouveau le Soleil retrouve une activité magnétique normale, selon de nombreux astrophysiciens, alors il y a vraiment beaucoup de souci à se faire.

Ainsi l’observation fortuite d’un phénomène visuel inattendu dans le ciel sibérien peut expliquer, malgré toutes les approximations faites dans son interprétation, beaucoup de choses. Je répète encore que je ne suis pas un spécialiste mais j’ai eu la chance de regarder par le hublot de l’avion au bon moment et au bon endroit et comme je suis encore curieux à mon âge j’ai voulu trouver une explication rationnelle à ce phénomène inattendu que j’observais. Mes lecteurs plus férus que moi dans le domaine de la physique de l’atmosphère peuvent infirmer ou confirmer mon interprétation, je suis ouvert à toute explication détaillée.

Référence pour le calcul de la distance de l’horizon : https://fr.wikipedia.org/wiki/Courbure_terrestre https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering . Lire aussi les derniers rapports de Spaceweather.com

Nouvelles du ciel

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Comme chaque automne je me rends à Tokyo et au retour le long vol d’une durée de 14h30 de Tokyo à Madrid est quelque peu éprouvant. Pas beaucoup d’occupations à bord, je ne regarde pas les imbécillités filmographiques d’une médiocrité désespérante. Je me suis donc plongé dans la lecture du dernier essai d’Emmanuel Todd « Où en sommes nous ? » bien que n’ayant pas encore lu le gros pavé du même auteur « Origine des systèmes familiaux » mais j’ai découvert quantités de faits que j’ignorais totalement.

Et j’ai aussi regardé le ciel un peu déçu de ne pas voir d’aurores boréales comme au printemps dernier lors de mon voyage aller en direction de Tokyo car le ciel était encore très clair. Et comme je m’intéresse au climat il est enrichissant d’observer le ciel d’une altitude de 11000 mètres avec une température extérieure de moins 65 degrés C. Le ciel devrait être parfaitement exempt de nuages pour voir éventuellement quelques étoiles et constellations. Ce n’était pas le cas car la nuit polaire n’était pas du tout totale, ayant décollé de Tokyo vers 12h30. Dans une région située au sud-ouest de Iakoutsk survolant la plaine traversée par la Léna j’ai saisi cette photo du ciel :

On distingue vaguement un enchevêtrement de rivières gelées au sol, probablement des affluents de ce fleuve immense. Puis l’horizon d’un bleu profond. Mais ce qui m’a intrigué était la présence d’une couche nuageuse très ténue à une altitude bien supérieure à celle atteinte par l’aéronef. Est-ce déjà l’apparition de ces noyaux de condensations provoqués par les rayons cosmiques qu’a mentionné Svensmark dans ses travaux puisque l’activité magnétique du Soleil est en train de s’effondrer ? Je ne dispose d’aucun élément de réponse mais je pencherais volontiers pour cette dernière hypothèse et si c’est le cas alors il n’y a aucune raison pour qu’une telle couche de cristaux de glace à très haute altitude, peut-être à 20000 mètres voire plus, n’existe pas partout autour de la Terre. Auquel cas le climat pourrait bien se refroidir plus rapidement que ne le prévoient les géophysiciens.

Note à l’intention de mes lecteurs. Je risque de ne pas pouvoir me connecter à internet à partir de ce vendredi 9 novembre et pendant une semaine.

La magie de l’eau …

Ce billet n’a pas la prétention d’être un cours de physique. Il rassemble en une prose compréhensible pour tous divers éléments recueillis dans la littérature scientifique qui permettent de comprendre pourquoi la Terre n’est pas une planète morte. D’abord la seule source d’énergie sous forme de chaleur dont dispose la Terre provient du Soleil et pourtant les divers gaz constituant la mince couche de l’atmosphère entourant la Terre sont essentiellement transparents aux rayons infra-rouge mis à part la vapeur d’eau. L’oxygène piège quant à elle les rayons ultra-violets dans les hautes couches de l’atmosphère, mais c’est une autre histoire. Alors puisque l’atmosphère est transparent aux rayons infra-rouge, me direz-vous, qu’est-ce qui réchauffe l’atmosphère terrestre ? La réponse est évidente et limpide : ce sont tout simplement les océans qui recouvrent plus de 70 % de la surface de la Terre !

Ah bon, et comment ? L’atmosphère contient entre 0,4 et 4 % de vapeur d’eau, soit de 10 à 100 fois plus que de gaz carbonique selon les zones du globe où on se trouve. Or l’eau est un composé chimique particulier qui requiert une formidable quantité d’énergie pour « changer d’état » (ou de phase) et c’est là que réside le secret de la Terre, secret jalousement unique dans notre système solaire.

Reprenons notre raisonnement : le Soleil chauffe directement les océans qui paraissent parfaitement noirs vus de l’espace mais aussi du huitième pont d’un gros navire, et c’est vrai. Les océans ne sont pas bleus, ils paraissent bleus parce qu’ils réfléchissent la couleur bleue de l’atmosphère. Les océans sont donc de formidables pièges pour l’énergie provenant du Soleil sous forme de chaleur, le destin final des rayons infra-rouges solaires.

Mais d’une façon ou d’une autre les océans doivent de débarrasser de toute cette chaleur car ils auraient fini par bouillir un jour … et c’est là qu’intervient le côté magique de l’eau.

En effet il faut beaucoup d’énergie pour vaporiser un litre d’eau : 2,25 millions de joules ou encore 9400 kiloCalories ou encore 610 Wh, trois unités physiques différentes pour l’énergie. Quand la vapeur d’eau s’élève dans l’atmosphère elle va avoir tendance à se condenser en gouttelettes qui vont former des nuages puisque, comme chacun a pu le constater, l’air devient plus frais au fur et à mesure qu’on gravit une montagne et c’est vrai aussi au niveau de l’Equateur, j’en ai moi-même fait l’expérience dans l’île d’Hiva-Oa aux Marquises. Au cours de ce deuxième « changement de phase » toute l’énergie en quelque sorte dépensée par l’océan pour vaporiser cette eau est intégralement restituée à l’atmosphère en vertu du premier principe de la thermodynamique. L’atmosphère, par voie de conséquence, se réchauffe quand des nuages se forment à partir de vapeur d’eau. Les nuages sont en réalité des aérosols constitués de petites gouttelettes d’eau et si pour une raison ou pour une autre, l’atmosphère n’étant jamais parfaitement immobile, ces nuages rencontrent des couches atmosphériques plus froides, alors ces gouttelettes se transforment en glace et là encore ce troisième « changement d’état » de l’eau, cette fois de liquide vers solide, restitue de l’énergie à l’atmosphère, certes beaucoup moins mais malgré tout à hauteur de 15 % de la quantité d’énergie restituée par le changement de phase de gaz vers liquide. Et encore une fois l’atmosphère se réchauffe !

Au final ce sont les océans qui chauffent l’atmosphère et non pas le Soleil comme on aurait tendance à le croire. Certes cette observation est contre-intuitive mais c’est pourtant la réalité et ce n’est possible que grâce à la vapeur d’eau …

Il reste un petit point de la magie de l’eau qu’il ne faut pas oublier de mentionner : la glace. Dans les hautes couches de l’atmosphère – en gros au delà de 5000 mètres d’altitude – les micro-cristaux de glace font office de miroir et réfléchissent le rayonnement infra-rouge en provenance du Soleil mais si la glace était plus lourde que l’eau liquide, que se passerait-il ? Il n’y aurait tout simplement pas de vie évoluée sur la Terre ! En effet les océans seraient gelés en permanence à l’exception d’une fine couche d’eau à leur surface : les océans ne seraient plus noirs mais blancs et ils réfléchiraient parfaitement le rayonnement infra-rouge solaire, l’atmosphère serait irrémédiablement froid et la Terre serait une planète inhospitalière … Voilà en très bref les bienfaits de la magie de l’eau.

Illustration : un nuage « vertical » surmonté de cristaux de glace pris en photo depuis le balcon de mon modeste logement il y a quelques jours