Science et technologie : Le truc de Newton

Science et technologie : Le truc de Newton
Une caractéristique fondamentale de la science c’est le lien étroit qui l’unit à la
technologie. La science cherche les règles du monde matériel et la technologie
utilise ces règles pour créer des outils (ex. le radar Doppler), des techniques (ex.
le traitement d’image par ordinateur) et des procédés de fabrication (ex. la
fabrication des circuits intégrés).
En retour, ces outils, ces techniques et ces procédés permettent à la science de
faire de nouvelles observations et de nouvelles expériences qui conduisent à la
découverte de nouvelles règles. La technologie utilise ces nouvelles règles pour
créer de nouveaux outils, de nouvelles techniques et de nouveaux procédés qui
permettent à la science... Ainsi, la science fait avancer la technologie et la
technologie fait avancer la science.

Voici deux exemples, touchant aux risques naturels, de la collaboration science-
technologie.

Le filament de tungstène d’une ampoule électrique émet de la lumière, mais il est difficile
de contrôler la couleur de cette lumière, sa direction et son organisation. En étudiant la
façon dont la matière émet la lumière, Einstein a découvert une règle qui a permis,
beaucoup plus tard, de construire des sources de lumière où ce contrôle est possible, les
lasers. On trouve la distance à une cible avec précision en mesurant le temps mis par une
impulsion lumineuse, émise par un laser, pour toucher la cible et revenir. Un ordinateur
peut ainsi tracer la carte topographique de toute une région à partir des données fournies
par un laser monté à bord d’un avion. On utilise ces cartes précises pour établir les
prévisions d’inondation.

Prévisions d’inondation (en bleu) par élévation du niveau de la mer pour la ville de
Charlottetown à l’Île-du-Prince-Édouard.

En étudiant le mouvement des objets, Newton a découvert un truc pour empêcher
un objet sans aucun support de s’écraser sur le sol. Pour bombarder les Anglais
depuis l’Allemagne, l’ingénieur von Braun a mis au point les fusées V2. Les
ingénieurs américains (sous la direction de von Braun) et soviétiques ont utilisé
des lanceurs issus des V2 et le truc de Newton pour mettre des satellites en orbite
autour de la Terre. Ces satellites permettent aujourd’hui aux météorologues
d’observer de haut la formation des ouragans, de suivre leurs déplacements et de
prévenir les gens du danger.

La figure suivante montre la trajectoire de l’ouragan Katrina qui a dévasté la
Nouvelle-Orléans le 29 août 2005. Les images proviennent du traitement par
ordinateur des données obtenues (à plusieurs longueurs d’onde différentes) par
un détecteur de rayonnement infrarouge à très haute résolution monté à bord du
satellite NOAA-17. On peut voir comment l’ouragan a augmenté d’intensité au-
dessus de l’eau chaude du golfe du Mexique (image 3).

Voici en terminant une animation d’un satellite géostationnaire.

Science et technologie : la circulation de l’air

Les satellites permettent d’observer les grands mouvements qui ont lieu dans la
fine pellicule d’air qui entoure la planète, l’atmosphère. Nous allons observer cette
circulation générale sans trop nous poser de questions sur son origine. Sa
connaissance apporte un éclairage nouveau à certains risques naturels.

L’image montre les nuages sur toute la planète à 6:00 (heure locale) le 1er août
2001.

L’image suivante reprend la précédente, mais on a superposé les nuages à
12:00 (les nuages de 6:00 sont noirs et ceux de 12:00 verts). Si vous vous
demandez comment on peut voir les nuages de la partie de la Terre dans la nuit,
la réponse est que le satellite ne s’intéresse pas à la lumière. Il capte le
rayonnement infrarouge que tous les objets émettent tout le temps.

                    Rayonnement IR d’un téléviseur

1. Sur la Terre, l’eau se trouve à la surface, mais les nuages de gouttelettes et de cristaux de
glace se trouvent en général à plus de 1 km d’altitude. Vous savez que l’air chaud et humide
qui sort de votre bouche forme de la buée quand il rencontre une surface plus froide. Ces
observations nous permettent de penser que les nuages marquent la présence d’endroits où
de l’air relativement chaud et humide part de la surface et monte dans l’atmosphère en se
refroidissant. Le long de la côte ouest de l’Amérique du Sud, l’air humide venant du Pacifique
se dirige vers l’intérieur des terres. Qu’est-ce qui force cet air à monter pour donner la bande
de nuages visible sur la carte ?

                                   L’air est forcé de monter quand il rencontre la
                                   chaîne de montagnes qui borde tout le côté
                                   ouest de l’Amérique du Sud, les Andes. La
                                   bande de nuages se matérialise à la bordure
                                   ouest de la chaîne.

2. Vous avez sûrement observé l’air qui monte au-dessus d’un grille-pain chaud
 ou la vapeur qui monte de l’asphalte brûlant après une averse d’été. Chauffer
 fortement la surface de la Terre est donc une autre façon de provoquer la
 montée d’air chaud et humide. L’endroit que le Soleil chauffe le plus est marqué
 par une longue bande de nuages qui fait le tour de la planète. Pourquoi,
 pendant l’été dans l’hémisphère Nord, la bande de nuages ne se trouve-t-elle
 pas sur l’Équateur ?

L’équateur n’est pas, en général,
l’endroit le plus fortement chauffé
par le Soleil. Pendant l’été de            band
l’hémisphère Nord, cet endroit se              e la
                                                      plus
                                                             chau         rayonnement le
déplace au nord de l’Équateur.                                    d   e
                                             Éq u                         plus direct
Cela est dû à l’inclinaison de l’axe             ateu
                                                     r
de rotation de la Terre qui fait que
l’endroit où le rayonnement solaire
est le plus direct (moins étalé) est
alors au nord de l’Équateur.                      axe

3. La bande de nuages de la question 2 marque la position de la « Zone de convergence
intertropicale » (ZCIT). On appelle cette région ainsi parce que la montée de l’air chaud
aspire l’air de surface qui converge vers la ZCIT depuis le nord et le sud. La ZCIT est à
l’origine de la saison des pluies (la « mousson d’été ») qui arrose copieusement le Sud-
Est asiatique et, notamment, le Bangladesh (jusqu’à 10 m d’eau en 3 mois). À cause de la
masse énorme de l’Asie, que le Soleil réchauffe beaucoup plus facilement que la mer, la
ZCIT passe au nord de l’Inde pendant notre été. De quel endroit provient l’eau que les
nuages déversent sur le Bangladesh ?

                                   L’image ci-contre permet de constater que la ZCIT
                                   aspire vers elle l’air du golfe d’Arabie (à l’ouest de
                                   l’Inde) et de l’océan Indien. L’évaporation de l’eau
                                   de mer charge cet air d’humidité et les vents de la
                                   mousson d’été le transportent au-dessus de l’Inde
                                   et du Bangladesh. Cela donne la grande masse
                                   nuageuse visible sur l’image et les pluies
                                   abondantes.

4. Si l’air s’élève à certains endroits, il doit nécessairement descendre à d’autres endroits et
revenir à son point de départ (sinon il se formerait des « trous » dans l’atmosphère).
C’est ce qui fait qu’on trouve de part et d’autre de la ZCIT, sauf là où des particularités
locales jouent (au-dessus de l’Indonésie, par exemple), des zones où l’air descend vers le
sol. Dans la ZCIT, la pluie a déchargé l’air d’une grande quantité d’eau et l’air qui descend
est donc relativement sec. On ne trouve donc pas beaucoup de nuages dans ces zones
latérales. Le fait d’avoir de l’air qui descend et se réchauffe a d’ailleurs l’effet de dissiper les
nuages. Comme on ne peut pas avoir de pluie sans nuages, l’existence de ces bandes a
des conséquences dramatiques. Lesquelles ? Trouvez un exemple de ces conséquences
en Afrique.

S’il n’y a pas de pluie, on a une sécheresse. Si la situation ne change pas
pendant l’hiver, alors que la ZCIT se déplace plus au sud, on aura une région
désertique. C’est le cas de l’immense désert de l’Afrique du Nord, le Sahara, qui
reste toute l’année dans une zone dégagée.

5. Les boucles formées par l’air qui monte et par l’air qui descend ne se limitent pas
aux régions tropicales de la planète. On en trouve à beaucoup d’autres endroits.
L’Antarctique est un désert froid qui reçoit très peu de précipitations parce qu’une
zone d’air descendant se trouve au-dessus de lui. Trouvez sur la carte de la page
73 la région où cet air a monté. Comment faites-vous pour la trouver?

                                       Antarctique

 Il faut chercher une région nuageuse voisine de l’Antarctique, puisque les
 nuages marquent les régions d’air ascendant. On note qu’une ceinture de
 nuages, au-dessus de la mer, entoure l’Antarctique. C’est donc là que l’air
 monte. Notez la présence d’un manque dans l’image satellite près de
 l’Antarctique.

Circulation de l’air autour de l’Antarctique en février 2002.
Animation de la NASA. On voit de nombreux systèmes
comme ceux que nous décrirons à la prochaine question.
On note aussi l’effet des Andes décrit plus tôt.
http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a002300/a002394/

6. La région du globe où nous vivons est marquée par des tempêtes de neige ou
de verglas qui naissent de la rencontre entre l’air chaud venant des régions
tropicales et l’air froid venant des pôles. Ces masses d’air cherchent à se
mélanger, mais cela ne va pas sans peine à cause de deux choses : l’air froid, de
masse volumique plus grande, se glisse sous l’air chaud (principe d’Archimède) ;
les mouvements de l’air se font en tournoyant (effet Coriolis : voir Comprendre la
rotation des ouragans).
Le dessin montre une tempête qui naît d’une telle rencontre : les nuages se
forment parce que l’air chaud et humide est forcé de monter.

La photo montre une tempête à un stade un peu plus avancé que celle du dessin précédent
(Photo du projet WW2010, University of Illinois). Dessinez le front sur la photo ; le front est la
surface de contact entre l’air froid et l’air chaud. Comment connaissez-vous sa position ?

                                                        AIR FROID                  AIR CHAUD

D’après la figure précédente, on doit se fier aux nuages pour « voir » le front. On
remarque deux bandes de nuages qui marquent la position du front froid (en bleu)
et du front chaud (en rouge).
Note : La tempête de verglas de 1998 n’était pas de ce type, mais le principe était
semblable. La masse d’air froid était immobile et une masse d’air chaud et humide
venant du sud montait dessus et formait les nuages. La pluie traversait ainsi une
couche d’air froid juste assez épaisse pour qu’elle ne tombe ni en eau ni en neige.

Source

7. Si vous pratiquez des activités de plein air, vous savez que le vent dans la
région de Montréal-Laval a une direction dominante. Observez le
déplacement des nuages entre 6:00 et 12:00 et dessinez une flèche montrant
la direction générale du vent.

Les nuages de 6:00 apparaissent à
l’ouest et un peu au sud sous les nuages
de midi. Le vent vient donc de l’ouest-
sud-ouest. C’est la direction des vents
dominants