Catégorie : Science

Nouvelle étude du noyau terrestre // New study of the Earth’s core

drapeau-francaisOn peut lire sur le site web Tokyo Tech News que des scientifiques de l’Institut des Sciences de la Terre et de la Vie (ELSI) de l’Institut de Technologie de Tokyo ont fait part, dans la revue Nature du 22 février 2017, de leurs surprenantes découvertes sur le noyau terrestre. L’étude s’attarde sur la source d’énergie qui alimente le champ magnétique terrestre, les facteurs qui régissent le refroidissement du noyau et sa composition chimique, ainsi que les conditions qui existaient pendant la formation de la Terre.

Le noyau terrestre consiste principalement en une énorme boule de métal liquide à 3000 km sous sa surface de la Terre, en dessous du manteau. À une telle profondeur, le noyau et le manteau sont soumis à des pressions et à des températures extrêmement élevées. De plus, les recherches ont montré que le lent déplacement de matière en fusion à très haute température – à raison de plusieurs centimètres par an – provoque un transfert de la chaleur du noyau vers la surface, ce qui a entraîné un refroidissement très progressif du noyau au cours des temps géologiques. Le degré de refroidissement du noyau terrestre depuis sa formation est l’objet de débats intenses parmi les scientifiques.
En 2013, un chercheur japonais a indiqué que le noyau terrestre a peut-être refroidi de 1000°C depuis sa formation il y a 4,5 milliards d’années. Cet important refroidissement serait nécessaire pour maintenir le champ géomagnétique, à moins qu’il existe une autre source d’énergie encore inconnue. Ces résultats ont constitué une grande surprise pour la communauté scientifique qui étudie les profondeurs de notre planète. .
Le refroidissement du noyau et les sources d’énergie nécessaires au champ géomagnétique ne furent pas les seuls obstacles rencontrés par l’équipe de l’Institut de Technologie de Tokyo. Une autre question encore non résolue était l’incertitude quant à la composition chimique du noyau. Selon l’auteur principal de l’étude, le noyau est, certes, principalement composé de fer et de nickel, mais il contient également environ 10% d’alliages légers comme le silicium, l’oxygène, le soufre, le carbone, l’hydrogène et d’autres composés. On pense que de nombreux alliages sont simultanément présents, mais nous ne connaissons pas la proportion de chaque élément.
Dans le cadre des dernières expériences effectuées dans un laboratoire de l’ELSI, les scientifiques ont utilisé des diamants taillés avec précision et en ont soumis de minuscules échantillons aux pressions qui existent au niveau du noyau terrestre. Les très hautes températures qui règnent à l’intérieur de la Terre ont été créées en chauffant les échantillons avec un rayon laser. En effectuant des expériences avec une gamme de compositions d’alliages dans diverses conditions, les chercheurs ont tenté d’identifier le comportement propre à différentes combinaisons d’alliages correspondant à l’environnement qui existe au niveau du noyau terrestre.
Le travail avec les alliages a commencé à donner des résultats intéressants lorsque les scientifiques ont commencé à utiliser plus d’un alliage. Dans les nouvelles expériences, ils ont décidé de combiner deux alliages différents contenant du silicium et de l’oxygène qui, selon eux, ont de très fortes chances d’exister dans le noyau.
Les chercheurs ont été surpris de constater, en examinant les échantillons dans un microscope électronique, que les petites quantités de silicium et d’oxygène présentes dans l’échantillon de départ s’étaient combinées pour former des cristaux de dioxyde de silicium avec la même composition que le quartz minéral que l’on rencontre à la surface de la Terre.
Ce résultat est important pour la compréhension de l’énergie et de l’évolution du noyau. Les calculs des chercheurs ont montré que la cristallisation des cristaux de dioxyde de silicium au niveau du noyau était susceptible de fournir une immense nouvelle source d’énergie pour alimenter le champ magnétique terrestre.
L’équipe scientifique a également exploré les implications de ces résultats pour la formation de la Terre et les conditions du début du système solaire. La cristallisation modifie la composition du noyau en éliminant progressivement le silicium et l’oxygène qui y sont dissous. Finalement, le processus de cristallisation s’arrêtera lorsque le noyau aura épuisé son ancien stock de silicium ou d’oxygène. Même si le silicium est présent, les cristaux de dioxyde de silicium ne peuvent pas se former sans la présence d’un peu d’oxygène. Cela donne des indices sur la concentration initiale d’oxygène et de silicium dans le noyau, parce que seuls quelques rapports silicium / oxygène sont compatibles avec ce modèle.
Sources: Tokyo Tech News & The Watchers.

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drapeau-anglaisThe Tokyo Tech News website informs us that scientists at the Earth-Life Science Institute (ELSI) at the Tokyo Institute of Technology reported in Nature (22 February 2017) their unexpected discoveries about the Earth’s core. The findings include insights into the source of energy driving the Earth’s magnetic field, factors governing the cooling of the core and its chemical composition, and conditions that existed during the formation of the Earth.

The Earth’s core consists mostly of a huge ball of liquid metal lying at 3 000 km beneath its surface, surrounded by the mantle. At such great depths, both the core and mantle are subject to extremely high pressures and temperatures. Furthermore, research indicates that the slow flow of hot buoyant rocks -moving several centimetres per year – carries heat away from the core to the surface, resulting in a very gradual cooling of the core over geological time. However, the degree to which the Earth’s core has cooled since its formation is an area of intense debate amongst Earth scientists.

In 2013, a Japanese researcher reported that the Earth’s core may have cooled by as much as 1000°C since its formation 4.5 billion years ago. This large amount of cooling would be necessary to sustain the geomagnetic field, unless there was another as yet undiscovered source of energy. These results were a major surprise to the deep Earth community.

Core cooling and energy sources for the geomagnetic field were not the only difficult issues faced by the team at the Tokyo Institute of Technology. Another unresolved matter was uncertainty about the chemical composition of the core. According to the lead author of the study, the core is mostly iron and some nickel, but also contains about 10% of light alloys such as silicon, oxygen, sulphur, carbon, hydrogen, and other compounds. We think that many alloys are simultaneously present, but we don’t know the proportion of each element.

Now, in this latest research carried out in a lab at ELSI, the scientists used precision cut diamonds to squeeze tiny dust-sized samples to the same pressures that exist at the Earth’s core. The high temperatures at the interior of the Earth were created by heating the samples with a laser beam. By performing experiments with a range of probable alloy compositions under a variety of conditions, the researchers are trying to identify the unique behaviour of different alloy combinations that match the distinct environment that exists at the Earth’s core.

The search of alloys began to yield useful results when the scientists began mixing more than one alloy. In the new experiments, they decided to combine two different alloys containing silicon and oxygen, which they strongly believed exist in the core.

The researchers were surprised to find that when they examined the samples in an electron microscope, the small amounts of silicon and oxygen in the starting sample had combined together to form silicon dioxide crystals, the same composition as the mineral quartz found at the surface of the Earth.

This result proved important for understanding the energetics and evolution of the core. The researchers’calculations showed that crystallization of silicon dioxide crystals from the core could provide an immense new energy source for powering the Earth’s magnetic field.

The team has also explored the implications of these results for the formation of the Earth and conditions in the early Solar System. Crystallization changes the composition of the core by removing dissolved silicon and oxygen gradually over time. Eventually, the process of crystallization will stop when then core runs out of its ancient inventory of either silicon or oxygen. Even if silicon is present, silicon dioxide crystals can’t be made without also having some oxygen available. This gives clues about the original concentration of oxygen and silicon in the core, because only some silicon/oxygen ratios are compatible with this model.

Source: Tokyo Tech News & The Watchers.

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 Rappel de la structure interne de la Terre (Source: Wikipedia)

Le déficit de glace de mer en Antarctique // The loss of sea ice in Antarctica

drapeau-francaisComme je l’ai écrit à plusieurs reprises, la glace de mer autour du continent antarctique s’est réduite comme peau de chagrin ces derniers mois, atteignant un niveau de baisse record quelques années seulement après avoir atteint un niveau de hausse record.
En 38 ans d’observations depuis1979, les scientifiques n’ont jamais vu un niveau de glace de mer aussi bas à la fin du mois de février, période de l’année où la glace dans l’Antarctique est à son minimum annuel. Qui plus est, la zone recouverte de glace de mer semble ne pas avoir fini de se rétrécir. Le 28 février, elle n’était que de 2,131 millions de kilomètres carrés, selon des données en temps réel fournies par le National Snow and Ice Data Center. C’est beaucoup moins que le minimum précédent de 2,29 millions de kilomètres carrés le 27 février 1997. La différence – environ 159 000 kilomètres carrés – équivaut environ à la superficie de la Floride.
Les courbes ci-dessous comparent 2017 (la ligne bleu clair) aux quatre autres années où la glace de mer était au plus bas (1984, 1993, 1997 et 2011), d’après les données fournies par le National Snow and Ice Data Center.
Selon l’article du Washington Post, il est difficile de trouver la cause du déficit actuel en glace de mer. Comme mentionné précédemment, avant cette année, la glace de mer en Antarctique avait atteint une surface record en octobre 2014. C’est une des raisons pour lesquelles les climato-sceptiques faisaient référence à l’Antarctique pour justifier leur rejet du changement climatique.
Un climatologue explique qu’il faut prendre en compte les mois de septembre et octobre 2016 pour comprendre le comportement de la glace de mer en Antarctique cette année. A cette époque, le niveau de glace était relativement normal, avant de chuter brusquement en Novembre et Décembre. En deux mois, le continent est passé de conditions normales à une baisse record. On pense que la cause est une arrivée d’air chaud, en provenance du nord, dans de nombreuses parties de l’Antarctique. Toutefois, on ne sait pas ce qui a provoqué cette arrivée d’air chaud.
Des chercheurs du National Center for Atmospheric Research pensent qu’il faut regarder du côté des changements intervenus dans l’Océan Pacifique pour expliquer l’expansion inattendue de la glace de mer en Antarctique entre 2000 et 2014, une tendance qui était contraire aux prévisions des modèles climatiques. Ces scientifiques pensent que l’expansion de la glace a trouvé sa cause  dans la variabilité naturelle du Pacifique, un phénomène qui modifie l’atmosphère et affecte les vents qui se dirigent vers l’Antarctique. Cependant, il convient de noter que la variabilité en question – l’oscillation (multi)décennale du Pacifique – s’étale sur des décennies et il est donc difficile de savoir si une modification de ce cycle est responsable de la réduction de la glace de mer en Antarctique.
Nulle part dans l’article ne sont mentionnées les expressions « changement climatique » et « réchauffement climatique » ! Jusqu’à présent, il était rare que le changement climatique soit tenu pour responsable de la fonte des pôles et des glaciers par la presse outre-Atlantique. Il y a de fortes chances pour qu’il soit encore moins mentionné avec la nouvelle politique environnementale du gouvernement américain!

Source : The Washington Post.

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drapeau-anglaisAs I put it several times before, the sea ice ringing the Antarctic continent has fallen precipitously — reaching a record low just a few years after it reached a record high.

In 38 years of records dating back to 1979, the sea ice lows seen as of the end of February 2017 – a time of year when ice in Antarctica is at its annual minimum – are unprecedented. What is more, the area of ocean covered by sea ice still appears to be shrinking. On February 28th, there were just 2.131 million square kilometres of floating ice surrounding Antarctica, according to real time data provided by the National Snow and Ice Data Center. This is much less than the previous low of 2.29 million square kilometres on February 27th, 1997. The difference – about 159,000 square kilometres – amounts to an area nearly as large as Florida.

The curves here below show what 2017 (the light blue line) looks like compared with the other four lowest years in the record (1984, 1993, 1997 and 2011), based on data provided by the National Snow and Ice Data Center:

According to the article from the Washington Post, it is difficult to pinpoint the cause of the current low ice extent. As mentioned earlier, before this most recent crash, Antarctic sea ice reached a record high in October 2014. This is one reason why, until recently, climate change skeptics loved to point to Antarctic sea ice behaviour to justify their rejection of climate change.

A climate scientist explains that the story for Antarctic ice this year can’t be understood unless we look back to September and October, when ice levels were relatively normal but suddenly plunged in November and December. The continent went from really typical conditions to record low in a two-month period. The cause at that time was an incursion of warm air from the north into multiple parts of the Antarctic. What drove down the warm air, though, is a mystery.

An idea developed by the National Center for Atmospheric Research targets changes in the Pacific Ocean to explain the unexpected expansion of Antarctic sea ice between 2000 and 2014, a trend that ran contrary to climate model projections. This study suggests the expansion was a fluke of natural variability in the world’s largest ocean, which changed the atmosphere in ways that affected winds all the way down in the Antarctica. However, it should be noted that the cycle in question, the Interdecadal Pacific Oscillation, plays out over decades, making it hard to be sure yet whether a turn in this cycle will correspond to Antarctic ice shrinkage.

Nowhere in the article are climate change and global warming mentioned. They were not often held responsible for the melting of the poles and glaciers around the world. The odds are that they will be even less mentioned with the new American government environment policy!

Source: The Washington Post.

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 La ligne noire fait référence à l’étendue moyenne de glace entre 1981 et 2010 (Source : National Snow and Ice Data Center).

Du Kilauea (Hawaii) à Io, la lune de Jupiter // From Kilauea Volcano (Hawaii) to Io, Jupiter’s moon

drapeau-francaisAu début du mois de décembre 2016, des scientifiques de l’USGS et de la NASA se sont rendus sur le Kilauea pour tester un système de caméra portable fonctionnant comme pyromètre d’imagerie optique. La caméra haute vitesse mise au point pour ce travail est capable d’acquérir plus de 50 images par seconde dans trois longueurs d’onde (verte, rouge et proche infrarouge). Elle a  été calibrée en recueillant les images d’un four d’étalonnage à haute température.
Au cours de leur travail sur le terrain, les scientifiques de l’USGS et de la NASA ont recueilli des milliers d’images de la lave émise par les deux éruptions du Kilauea : les sorties de lave le long de la coulée 61g, et les projections en bordure du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u.
La température de la lave du Kilauea est bien connue ; elle atteint environ 1 171°C au sommet et autour de 1 140°C sur l’East Rift Zone. De ce fait, le volcan est l’endroit idéal pour calibrer la caméra avec les températures fiables des coulées actives et du lac de lave.
Les résultats de cette étude permettront de valider une méthode générique de traitement des données applicable à d’autres ensembles de données de télédétection par satellite, avion et sur terre. Le but ultime de cette recherche financée par la NASA est de concevoir un instrument capable de mesurer de façon fiable la température de la lave active sur Io, la lune de Jupiter, le seul autre objet de notre système solaire connu pour avoir un volcanisme actif à haute température.
Source: USGS / HVO.

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drapeau-anglaisIn early December 2016, USGS and NASA scientists visited Kilauea Volcano to experiment with a portable, ground-based camera system for use as an optical imaging pyrometer. The custom-built, high-speed camera can acquire images at more than 50 frames per second in three wavelengths (green, red, and near-infrared). It was calibrated by collecting images of a high-temperature calibration oven.

During their field work, the USGS and NASA scientists collected thousands of images of active lava from Kilauea’s two ongoing eruptions. This included breakouts along the 61g lava flow, as well as spattering lava along the edges of the Halema’uma’u lava lake.

The eruption temperature of Kilauea lava is well-known—up to about 1,171°C degrees at the summit and around 1,140°C on the East Rift Zone. Because of this, the volcano is the perfect place to determine how these camera data can be used to retrieve reliable temperatures from the hottest parts of active flows and lava lakes.

The results of this study will establish the validity of a generic data processing method that could be applied to other satellite, airborne, and ground-based remote sensing data sets. The ultimate goal of this NASA-funded research is to design an instrument capable of reliably measuring the temperature of active lava on Jupiter’s moon, Io, the only other object in our solar system known to have active, high-temperature volcanism.

Source: USGS / HVO.

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Lac de lave et coulées permettront de calibrer la caméra.

(Photos: C. Grandpey)

 

Du volcan Kilauea à la Planète Rouge // From Kilauea Volcano to the Red Planet

drapeau-francaisEn septembre 2016, la simulation d’une mission d’atterrissage sur la planète Mars a eu pour cadre le volcan Kilauea. L’expérience faisait partie du programme Biologic Analog Science Associated with Lava Terrains (BASALT).de la NASA.  Le programme BASALT se compose d’un groupe international de 65 scientifiques, ingénieurs, informaticiens et astronautes dont la mission est l’exploration humaine de Mars à l’aide de robots. L’un des principaux objectifs de BASALT est d’examiner comment les humains peuvent effectivement explorer la surface de Mars pour y détecter des signes de vie, et de comprendre l’histoire géologique de la Planète Rouge.
Le Kilauea offre des paysages qui ne sont pas vraiment ceux de la planète Mars, mais ils s’en rapprochent. La région du Mauna Ulu sur l’East Rift Zone a été choisie comme zone d’atterrissage et d’exploration de Mars.
L’équipe scientifique du programme BASALT a installé un poste de contrôle de la mission à l’intérieur du camp militaire du Kilauea. La transmission bidirectionnelle de la voix, des vidéos et des données a été établie entre ce centre de commandement et l’équipe sur le terrain composée de deux membres qui ont effectué des échantillonnages en simulant, dans le secteur du Mauna Ulu, les conditions d’une mission sur Mars. Par exemple, les communications ont été établies avec une latence de 15 minutes pour imiter les délais de transmission imposés par la grande distance entre la Terre et Mars.
Outre la simulation des conditions de mission sur Mars, le programme BASALT a également testé diverses plates-formes scientifiques mobiles, des dispositifs portatifs pour déterminer la température et la composition des roches, ainsi que des technologies de pointe pour la transmission et l’affichage des vidéos et des données.
Le HVO a cautionné le projet BASALT en acceptant d’installer des antennes relais sur le toit de sa tour d’observation du cratère de l’Halema’uma’u.
Les volcans hawaïens ont toujours occupé une place prépondérante dans la formation des astronautes américains. Dans les années 1960 et 1970, la NASA a utilisé divers sites du Kilauea et les hautes pentes du Mauna Kea pour enseigner la volcanologie aux astronautes des missions Apollo et pour les préparer aux missions lunaires.

Plus récemment, la NASA, en collaboration avec l’Université d’Hawaï, a conduit des expériences pour étudier la faisabilité de longs séjours sur Mars.
De 2008 à 2012, des missions ont testé sur le Mauna Kea les méthodes d’extraction de l’oxygène et de l’eau de la cendre volcanique. Depuis 2012, le programme Hawaiii Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) a organisé des missions d’isolement de longue durée dans lesquelles des équipes scientifiques ont passé jusqu’à un an à l’intérieur d’un dôme géodésique situé sur le Mauna Loa.
Avant le programme BASALT sur le Kilauea, l’équipe scientifique de la NASA a effectué une autre simulation d’atterrissage sur Mars en 2015 sur le site des Cratères de la Lune dans l’Idaho.
L’équipe scientifique du programme BASALT espère retourner à Hawaï en 2017 pour répéter la mission dans un autre secteur du Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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drapeau-anglaisA simulated Mars landing mission unfolded on Kilauea Volcano for two weeks in September 2016. The work was part of NASA’s Biologic Analog Science Associated with Lava Terrains (BASALT) program. BASALT consists of an international group of 65 scientists, engineers, computer scientists and astronauts dedicated to furthering the human-robotic exploration of Mars. One of the main objectives of the BASALT research program is to examine how humans can effectively explore the surface of Mars for life and to understand the geologic history of the Red Planet.

Kilauea Volcano offers landscapes that are not perfect analogs for Mars, but come quite close. The Mauna Ulu region on the east Rift Zone has been targeted as the Mars landing and exploration area.

The BASALT team also set up a Science Mission Control at Kilauea Military Camp. Two-way voice, video and data streaming was established between this command center and the field team, which consisted of two crew members who conducted field sampling under simulated Mars mission conditions around Mauna Ulu. These communications were delayed by up to 15 minutes to mimic transmission latencies due to the great distance between Earth and Mars.

In addition to simulating Mars mission conditions, the project also evaluated the use of various mobile science platforms, hand-held devices to determine temperature and composition of rocks, and cutting-edge video and data display technologies.

The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) supported the BASALT project by hosting communication relay antennae in its observation tower.

Hawaiian volcanoes have featured prominently in the training of American astronauts for decades. In the 1960s and 1970s, NASA used various locations on Kilauea and the high slopes of Mauna Kea to teach Apollo astronauts volcanology and prepare them for what they might encounter on the surface of the Moon.

More recently, NASA, along with the University of Hawaii, has conducted experiments to advance the feasibility of long-term human habitation on Mars.

From 2008 to 2012, international campaigns carried out on Mauna Kea tested methods of extracting oxygen and water from volcanic cinder. Since 2012, the Hawai‘i Space Exploration Analog and Simulation, or HI-SEAS, program has conducted long-duration isolation missions in which crews spend up to a year inside a geodesic dome located on the slope of Mauna Loa.

Prior to the BASALT program at Kilauea Volcano, the NASA team conducted another simulated Mars landing in 2015 at the Craters of the Moon National Monument in Idaho.

The BASALT team hopes to return to Hawaii in 2017 to repeat the mission in another area of Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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Vue du Mauna Ulu (Photo: C. Grandpey)