Chronique

Le vent n'est pas une bête de nuit

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «J’observe depuis longtemps un phénomène qui m’intrigue. À la belle saison, lors de journées de forts vents, il me semble que ça se calme souvent autour de l’heure du souper. Comme on dit : le vent est tombé. Y a-t-il une explication à tout ça ou n’est-ce qu’une vue de l’esprit? Et est-ce que c’est la même chose partout où seulement sur le bord du fleuve?» demande Ginette Leclerc, de Saint-Laurent-de-l’île-d’Orléans.

Voilà une impression que j’ai toujours eue, moi aussi. Alors je suis allé potasser dans les données météorologiques d’Environnement Canada pour en avoir le cœur net, ce qui a permis de prouver deux choses d’un seul coup : 1) un jour, il faudra bien que j’apprenne à passer à côté d’une job de moine sans m’arrêter, mais ce n’est pas parti pour arriver bientôt; et 2) non, cette histoire de vent qui tombe en soirée n’est pas une «vue de l’esprit». En tout cas, à l’aéroport Jean-Lesage, pendant le mois de juin dernier (et jusqu’au début de la semaine dernière), les vents ont soufflé en moyenne à 14,6 km/h en après-midi (de 12h à 16h). Pendant la nuit (de minuit à 4h), cette moyenne est tombée à seulement 6,3 km/h.

Évidemment, les données d’un seul mois forment un très (trop) petit échantillon qui ne veut pas dire grand-chose en climatologie, mais juin dernier n’a pas été une anomalie : la tendance au ralentissement des vents la nuit est bien réelle, confirme le météorologue Simon Legault, d’Environnement Canada. Le jour, explique-t-il, le Soleil chauffe beaucoup le sol et l’air immédiatement au-dessus. Plus chaud, celui-ci se met alors à monter, ce qui cause «un brassage de l’air de surface [juste au dessus du sol, ndlr] avec l’air situé au-dessus. Et plus la convection [l’air chaud qui monte, ndlr] est importante, plus on mélange profondément l’atmosphère», dit M. Legault — jusqu’à 1 ou 2 km les journées où la convection est la plus efficace.

Or, poursuit le météorologue, si on mélange l’air, on mélange forcément les vents aussi, «et on sait qu’en altitude, les vents sont souvent plus forts qu’au sol parce qu’il y a moins friction, alors l’air circule plus rapidement. En rabattant ces vents-là, plus forts, ça augmente la force des vents plus bas. D’ailleurs, quand il y a une rafale qui souffle, c’est souvent à cause de ces vents-là qui viennent de plus haut».

En soirée, cependant, le sol n’est plus chauffé par le Soleil et la convection s’affaiblit rapidement. Les vents plus forts qui soufflent là-haut ne sont plus rabattus vers le bas, et ils n’augmentent plus la force des «vents de surface». Il reste bien sûr encore de l’air qui se déplace juste au-dessus du plancher des vaches, explique M. Legault, mais ce vent-là est surtout produit par des différences de pression atmosphérique : l’air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Il peut, à l’occasion, arriver que ce vent-là soit plus fort que celui de la journée — le 7 juin dernier, par exemple, il soufflait à 16 km/h à minuit et 1h alors que les vents moyens ne furent que de 13 à 15 km/h à midi et 13h —, mais la règle générale reste que le vent est plus puissant le jour que la nuit.

«Une journée type, c’est une augmentation de la force du vent au matin, puis on atteint un plateau, et ça redescend en soirée», dit M. Legault.

Comme l’a remarqué la perspicace Mme Leclerc, c’est surtout en été que le phénomène agit. En hiver, la différence jour-nuit dans la force des vents est beaucoup moins marquée. Pendant le mois de janvier dernier, par exemple, les vents d’après-midi (12h-16h) mesurées à l’aéroport Jean-Lesage furent de 14,1 km/h en moyenne, contre presque 11 km/h pendant la nuit (0h-4h). Encore une fois, il faut souligner ici qu’un échantillon d’un mois est climatologiquement insignifiant en lui-même mais, de nouveau, janvier dernier n’a pas été une aberration statistique. Alors on peut s’en servir pour illustrer le phénomène.

Deux choses différentes se passent en hiver, dit M. Legault. La première, c’est que la convection est nettement moins forte qu’en été : le Soleil chauffe le sol beaucoup moins fort et moins longtemps, et la neige renvoie une grande partie du rayonnement solaire vers l’espace. La température de l’air près du sol s’élevant moins pendant le jour, la convection est plus faible et les vents forts qui soufflent en altitude sont moins bien rabattus. Résultats : la différence jour-nuit est plus faible.

La seconde, poursuit le météorologue, c’est qu’en hiver les différences entre les zones de haute et de basse pression sont plus marquées qu’en été. Et des écarts de pression plus grands donnent des vents plus forts, alors «même si on mélange moins profondément l’atmosphère en hiver, on peut rencontrer des vents aussi forts que ceux qui seront apportés au sol par convection», dit M. Legault.

C’est ce qu’illustre le mois de janvier dernier, quand on le compare avec juin. Le jour, les vents moyens restent à peu près de la même force (entre 14 et 15 km/h) parce que la convection plus faible en hiver est compensée par les gradients de pression plus prononcés. Mais la nuit, alors qu’il n’y a jamais (ou presque) de convection, ces gradients de pression ne viennent rien «compenser», ils ne font qu’augmenter la force des vents — 11 km/h en janvier, comparé à 6 km/h en juin.

Enfin, pour répondre à la deuxième question de Mme Leclerc, mentionnons s’il est besoin que tout ceci implique que cette tendance vaut pour le bord du fleuve comme pour l’intérieur des terres.

Chronique

La gravité artificielle n'est pas pour demain

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «Mon petit-fils de 12 ans me demande pourquoi la Station spatiale internationale (SSI) n’est pas construite en rond et ne tourne pas sur elle-même pour générer un peu de gravité, comme on le voit dans les films de science-fiction? Et je dois dire que je me pose moi aussi la même question…» demande Pierre Gagné, de Gatineau.

Pour utiliser les termes exacts, on ne peut pas «générer» de gravité autrement qu’avec une énorme masse comme celle d’une planète. Ce dont parle M. Gagné, c’est plutôt de ce que les physiciens appellent force centrifuge, soit cette force qui fait que tout objet en rotation tend à s’éloigner du centre. On peut facilement se figurer de quoi il s’agit en songeant à ce qui se passe quand on prend un tournant en auto : on sent très bien qu’une force déporte tout ce qui est dans la voiture vers l’extérieur de la courbe. On peut aussi s’imaginer un seau rempli d’eau que l’on ferait tourner à bout de bras autour de soi. Si la vitesse de rotation est assez grande, le seau sera incliné à l’horizontale mais l’eau ne s’écoulera nulle part : la force centrifuge la maintiendra fermement au fond du seau.

C’est cette force qui, dans les films de science-fiction, crée un succédané de gravité dans les stations spatiales. En construisant une station en forme d’anneau et en la faisant tourner sur elle-même, cela peut donner l’impression aux occupants qu’ils sont «attirés» par la paroi externe de la station, comme nous sommes attirés par le sol terrestre.

Maintenant, si le principe est simple et facile à représenter dans un film, c’est une tout autre paire de manche que de le mettre en pratique dans la «vraie vie», principalement pour des questions de taille.

La partie habitable de la SSI est une sorte de cylindre droit d’une cinquantaine de mètres de long. Si on l’avait assemblé cette partie en anneau afin de le faire tourner, nous aurions eu une station de 50 mètres de circonférence et de 8 mètres de rayon, à peu près. La question aurait alors été : à quelle vitesse doit-on faire tourner un anneau de cette dimension pour que la force centrifuge soit égale à la gravité terrestre, où tout corps accélère vers le sol à 9,8 mètres par seconde carrée (donc pour chaque seconde de chute libre, la vitesse augmente de 9,8 m/s)?

Ceux qui en ont envie peuvent prendre connaissance du calcul (tout simple) dans l’encadré ci-contre. Ceux qui n’ont «pas la tête à ça» en ce moment n’ont qu’à savoir ceci : à 8 mètres du centre, la vitesse doit être de 8,9 m/s, ce qui signifie que notre hypothétique SSI ronde devrait faire une dizaine de tours sur elle-même par minute pour imiter la gravité terrestre.

C’est-là un rythme intenable pour des astronautes. Imaginez un peu la nausée qu’ils finiraient par avoir en regardant par la fenêtre la Terre qui ferait 10 tours à la minute! Et même dans une station sans fenêtre, ce ne serait pas beaucoup mieux. En effet, la force centrifuge varie selon la vitesse de rotation et le rayon, ce qui implique que le haut du corps (plus proche du centre de rotation que le bas) ne subirait pas la même accélération que le bas du corps, indiquait il y a quelques années le professeur d’astrophysique de l’université South Wales John Wales, dans un article de Popular Mechanics. Comme la taille normale d’un humain (autour de 1,60 à 1,80 m) représente une part significative du rayon de notre station imaginaire (8 m), les astronautes en sentiraient certainement les effets.

La seule manière d’éviter ce problème serait de construire une station beaucoup plus grosse : sa circonférence serait alors plus grande, si bien qu’elle n’aurait pas besoin de faire 10 tours par minute pour créer une force centrifuge acceptable. Ainsi, si l’on voulait que notre station circulaire ne doive faire qu’un seul tour par minute pour générer une force centrifuge de 9,8 m/s2, elle devrait avoir un rayon de… 895 mètres! D’un bout à l’autre, la structure mesurerait presque 2 km et un astronaute qui ferait son jogging dedans devrait courir plus de 5,5 km dans un sens pour en faire le tour!

Alors je vous laisse imaginer ce qu’il en coûterait d’assembler un pareil monstre dans l’espace…

Sources :

  • Ryan Anderson et al., «Can artificial gravity be created in space?», Ask an Astronomer, 2015, goo.gl/sCq1cF
  • Rachel Feltman, «Why Don’t We Have Artificial Gravity?», Popular Mechanics, 2013, goo.gl/oHroXg

Chronique

Toutes les couleurs du mariage princier

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «Au sujet du mariage du prince Harry et de Meghan Markle, je me demandais quelles sont les probabilités pour qu’ils donnent naissance à des enfants ayant la peau blanche ou noire, ou alors ayant les cheveux roux?» demande Colette Baribeau, de Trois-Rivières.

Le terme probabilités est on ne peut mieux choisi, ici, car il est impossible de prévoir avec une certitude absolue quels gènes exactement seront transmis par Mme Markle — pardon, la duchesse de Sussex — et son époux à chacun de leurs enfants, s’ils en ont un jour. Voyons pourquoi.

Le génome humain comporte environ 20 000 gènes, que nous portons tous en deux «copies», pour ainsi dire : l’une provient de la mère et l’autre, du père. Mais quand on fait un enfant, on ne transmet pas toutes les copies paternelles ou toutes les copies maternelles d’un bloc. Pour chaque ovule qu’une femme porte, pour chaque spermatozoïde qu’un homme produit, les gènes sont rebrassés par un mécanisme appelé enjambement chromosomal. Cela ne crée pas de nouveau matériel génétique, les gènes présents demeurent les mêmes, mais cela fait que chaque cellule reproductrice est un mélange aléatoire du père et de la mère, au point où l’on peut dire que chaque ovule, chaque spermatozoïde est unique. Alors avant d’avoir vu cet hypothétique bébé, la couleur de ses cheveux et de sa peau restera une affaire de probabilité.

Pour la calculer, cette probabilité, il faudrait connaître le génome du couple princier pour savoir quelles versions des gènes impliqués dans la pigmentation sont présentes, ce qui est totalement hors de la portée d’une chronique comme celle-ci. Mais on peut tout de même faire quelques hypothèses, explique le chercheur François Richard, spécialiste de la reproduction de l’Université Laval.

La couleur de la peau et des cheveux vient de deux pigments : la phéomélanine, qui va du jaune au rouge, et l’eumélanine, dont la couleur va du brun au noir. Et il faut savoir, dit M. Richard, que la première est ce que les biochimiste appellent un «précurseur» de la seconde : pour fabriquer de l’eumélanine, le corps prend la phéomélanine comme point de départ, puis la transforme.

Or les personnes rousses, comme le prince Harry, ont généralement une mutation sur un gène (le poétiquement nommé MC1R) les empêche de faire ce changement. «Les roux possèdent de la phéomélanine, mais ils sont incapables de la convertir en eumélanine», dit M. Richard. Cela leur donne à la fois les cheveux roux (phéomélanine rouge) et le teint pâle, car l’eumélanine est le pigment qui basane la peau.

En outre, cette mutation est dite récessive, ce qui signifie que pour être roux, les deux parents doivent passer la même version du gène MC1R. Si l’un des deux transmet la «version rousse» et l’autre, une «version brune», alors c’est cette dernière qui prévaudra. L’enfant aura alors les cheveux bruns, mais il sera porteur du «gène» de la rousseur et pourra le transmettre.

Cela signifie ceci : le prince Harry est roux, alors il a forcément deux copies «rousses» du gène MC1R, et c’est ce qu’il transmettra à d’éventuels enfants. La question est donc de savoir si la duchesse de Sussex est porteuse de la même mutation.

On sait que sa mère est Afro-Américaine et que son père est un Américain blanc qui a des racines allemandes, anglaises et irlandaises. Il n’est donc pas complètement impossible que Meghan Markle soit porteuse de la version rousse de MC1R. On peut imaginer que celle-ci aurait fait son chemin par les ancêtres irlandais de son père — ou même à la limite du côté de sa mère, si elle est elle-même métissée. «Mais les chances pour qu’elle soit porteuse sont plutôt minces», estime a priori M. Richard.

Si l’on devait mettre de l’argent là-dessus, les cheveux bruns seraient certainement le pari le plus sûr. Et dans la mesure où l’on aurait affaire à un bébé capable de produire de l’eumélanine, la couleur de sa peau serait alors une histoire un peu plus compliquée.

On connaît une douzaine de gènes et plus de 350 «loci» (des «endroits» sur le génome) qui influencent la couleur de la peau. Tous ne sont pas également importants, mais disons que cela ne rend pas les prédictions très simples — d’autant plus que les loci les plus déterminants ne sont pas tous les mêmes selon que l’on est d’ascendance européenne ou africaine. En fait, il existe même des cas connus de jumeaux non-identiques nés de couples «racialement mixtes» qui ont des teints de peau très différents.

Et à cela je peux ajouter, si cela peut servir, le cas de mes propres enfants puisque ma conjointe est métisse et a à peu près le même teint de peau que la duchesse de Sussex — sa mère vient d’Haïti, est elle-même un brin métissée et a marié un Français. Mon aîné a les cheveux bruns, la peau légèrement foncée (même s’il est essentiellement «blanc») et les yeux verts. Mon deuxième a une peau de blond, les cheveux châtains et les yeux bleus. Leur première petite sœur a le teint le plus foncé de la famille (hormis sa mère, bien sûr), de même que les cheveux et les yeux sombres. Et notre petite dernière a les cheveux très foncés et frisés, mais le teint très pâle et les yeux verts.

Ce qui, mine de rien, est une magnifique illustration — la plus magnifique en ce qui me concerne, mais il se peut que je sois lééégèrement biaisé sur ce point — de ce qu’on disait au départ : chaque ovule, chaque spermatozoïde est unique.

Autres sources :

- Fan Liu et al., «Genetics of skin color variation in Europeans: genome‐wide association studies with functional follow‐up», Human Genetics, 2015, goo.gl/9PA39J

- Nicolas G. Crawford et al., «Loci associated with skin pigmentation identified in African populations», Science, 2017, goo.gl/TxYpyq

Science

La surface des lacs est-elle vraiment «au niveau»?

SCIENCE AU QUOTIDIEN / «Lors d’un voyage au Nouveau-Brunswick l’an dernier, nous avons remonté le cours de la rivière Saint-Jean et roulé le long d’une portion où la rivière est endiguée par un barrage hydroélectrique. Et je me suis alors demandé : mais est-ce que nous remontons vraiment? Sur près de cinquante kilomètres, ce plan d’eau m’a semblé parfaitement au niveau, comme le serait un lac. Il y a pourtant un débit d'eau dans cette rivière, donc il doit y avoir une sorte de "pente" à la surface. Est-ce bien le cas? Et comment peut-on la déterminer?» demande Yvan Vézina, de Boischatel.

Que ce soit sur un réservoir hydroélectrique ou sur un lac, «s’il y a une charge et une décharge non-négligeables, alors il y aura une pente [à la surface du lac]», indique d’emblée Yves Secretan, spécialiste de l’hydrodynamique au Centre Eau, Terre et Environnement de l’INRS.

«Pour que l’eau s’écoule, elle doit vaincre le frottement du fond. Pour ça, ça prend de l’énergie, et cette énergie provient de la gravité et de la pente», explique-t-il. Alors il y avait forcément un dénivelé sur le réservoir hydroélectrique que M. Vézina a longé pendant ses vacances : autrement, il n’y aurait eu aucun écoulement et la rivière Saint-Jean se serait arrêtée là!

Évidemment, comme les lacs sont par définition des endroits où il n’y a pratiquement pas de courant, la pente à leur surface ne peut pas être autre chose qu’infinitésimale. On parle ici de millimètres, ou tout au plus de quelques centimètres par kilomètre de distance entre la charge et la décharge. Certains types de mesures GPS, si elles s’appuient sur une station fixe au sol pour compléter les signaux satellites, peuvent mesurer des différences aussi subtiles, explique un autre chercheur de Québec qui travaille souvent avec M. Secretan, Jean Morin, d’Environnement Canada. (Transparence totale : Jean est un ami personnel.) Les GPS seuls, cependant, n’indiquent l’altitude qu’à l’échelle du mètre, ce qui n’est pas assez précis.

Autrement, dit M. Morin, on peut mesurer la pente d’un lac simplement avec des stations de mesure du niveau de l’eau. «Si tu as une station en amont et une autre en aval, et que tu connais la distance entre les deux, ça te permet de calculer la pente», dit-il.

Fait intéressant, cette pente n’est pas forcément égale en tous points d’un lac, et elle varie d’une saison à l’autre. Essentiellement, plus le mouvement de l’eau rencontre de la résistance, plus l’inclinaison est forte parce que le courant a alors besoin d’une pente plus prononcée pour vaincre la friction. Comme le relief d’un lac n’est jamais égal partout, cela peut changer sa pente selon le secteur.

De la même manière, la pente d’un lac est généralement à son maximum en hiver parce que la friction des glaces s’ajoutent à celle du fond. Elle est à son plus bas au printemps et à la fin de l’automne, juste avant que les glaces reprennent. Et entre les deux, elle peut augmenter si la croissance des algues finit par «nuire» significativement à l’écoulement.

M. Morin a mené des travaux à ce sujet au début des années 90, au lac Saint-François, qui est une sorte d’élargissement du fleuve à la frontière Ontario-Québec dont le niveau est mesuré en plusieurs endroits. «Les variations annuelles moyennes de niveau au lac Saint-François établies sur 28 ans, entre 1963 et 1990, sont d’environ 10 cm à [Les Côteaux, en aval] alors qu’elles sont de 20 cm à Cornwall [au tout début du lac]», écrivait-il avec deux autres co-auteurs dans un rapport de 1994. Le fait que le niveau de l’eau fluctue davantage en amont qu’en aval montre clairement que la pente du lac change dans le courant d’une année.

Ainsi, entre Summerstown (juste un peu en aval de Cornwall) et Les Côteaux, soit la majeure partie du lac, la pente moyenne tourne autour de 0,8 centimètre par kilomètre en hiver (janvier à mars). Cela signifie concrètement qu’une embarcation qui part de Summerstown perd 0,8 cm d’altitude pour chaque kilomètre parcouru vers l’aval.

Mais cette pente tombe rapidement à 0,5 cm/km en avril, quand les glaces fondent, et demeure à ce niveau jusqu’en juin. Par la suite, la végétation aquatique ajoute une friction significative, et la pente remonte progressivement jusqu’à 0,7 cm/km en août et en septembre. Puis elle redescend entre 0,5 et 0,6 cm/km en novembre et décembre quand les algues meurent. Et le manège recommence quand la glace reprend.

Enfin, mentionnons que la pente et ses variations ne sont pas les mêmes dans tous les lacs, parce que les fonds de lac et la végétation ne sont pas pareils partout. Dans les parties amont et aval du lac Saint-François, par exemple, il n’y a pas assez d’algues pour faire une différence notable en été. Mais au lac Saint-Pierre, entre Sorel et Trois-Rivières, c’est l’inverse : l’effet des algues est particulièrement fort.

«La différence entre le lac Saint-Pierre et la partie "lacustre" du lac Saint-François peut être reliée à leur bathymétrie. Le lac Saint-Pierre est très peu profond (3-4 m), comparé à la partie "lacustre" du lac Saint-François (3-10 m) et ceci laisse supposer que les plantes aquatiques exercent leur influence sur une plus grande proportion de la colonne d'eau au lac Saint-Pierre ou encore, que le couvert de végétation aquatique est moins dense ou occupe relativement moins d'espace au lac Saint-François», avançaient M. Morin et ses collègues dans leur rapport de 1994.

Autre source :

- Jean Morin, Paul Boudreau et Michel Leclerc, Réhabilitation de l’écosystème du Saint-Laurent. Lac Saint-François : les bases de la modélisation hydrodynamique, INRS-ETE, 1994, goo.gl/KWF4JQ

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