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Le chlore 36, un nouvel outil pour l’évaluation de la dynamique du carbone des sols

12 octobre 2023 by osuadmin

Le carbone organique du sol est un élément clé de la santé des sols du fait de son rôle sur leur structure, leur fertilité et sur l’atténuation des émissions anthropiques annuelles de CO₂, le carbone organique du sol étant l’un des plus grands réservoirs de carbone terrestre que l’homme peut gérer.
Or un élément important pour évaluer la capacité du sol à stocker du carbone est son âge, qui peut être évalué par modélisation ou expérimentalement à l’aide d’isotopes du carbone. Mais les résultats obtenus pas les différentes méthodes ne sont pas cohérents et présentent même des différences très importantes. Par exemple la méthode bien connue qu’est la datation au carbon-14 fournit des âges du carbone des sols supérieurs d’un facteur 6 à 10 à ceux estimés par la modélisation et par l’utilisation des isotopes stables du carbone.

Une méthode totalement indépendante est donc nécessaire. Nous proposons une méthode alternative et indépendante basée sur la mesure du ³⁶Cl dans les sols. Le ³⁶Cl est un radionucléide produit naturellement dans l’atmosphère sous l’effet du rayonnement cosmique mais il est également produit de façon anthropique par l’industrie nucléaire. Sa production a augmenté de trois ordres de grandeur lors des essais de bombes nucléaires dans les années 50-70. Dans les sols, une partie du chlore, dont le ³⁶Cl, est retenue par la matière organique du sol sous forme de molécules organochlorées.

Ainsi, nous montrons que l’arrivée massive de ³⁶Cl dans les sols lors des essais nucléaires et son stockage dans les sols peuvent être utilisés afin d’évaluer l’âge du carbone organique des sols. En effet, nous avons mesurés les stocks de ³⁶Cl retenus dans les différentes couches d’un sol forestier échantillonné dans l’une des stations du site atelier de l’Observatoire Pérenne de l’Environnement (OPE) en Meuse/Haute-Marne. Le Cl et ³⁶Cl des sols ont été extrait par un protocole d’hydropyrolyse mis au point au CEREGE. Les mesures de Cl et de ³⁶Cl ont été faites avec une grande précision à l’instrument national ASTER qui est un accélérateur spectromètre de masse.Ces données sont comparées aux flux entrants (pluie, végétation) et sortants (drainage) en ³⁶Cl (Figure 1) et permettent de déterminer le temps de rétention du ³⁶Cl dans les sols. Nos résultats montrent que ce temps augmente avec la profondeur avec des durées allant de 20 ans en surface à 322 ans à 60 cm de profondeur. Ces durées de rétention du ³⁶Cl dans les sols sont comparables aux âges moyens estimés par les approches basées sur la modélisation ou les isotopes stables du carbone. Ce travail suggère donc que la durée de rétention du ³⁶Cl dans un sol peut être utilisé comme un indicateur de l’âge du carbone organique du sol.

Utilisé pour estimer la durée de rétention de ³⁶Cl dans le sol. A gauche : Les différentes boites représentent les couches du sol, et la taille est proportionnelle aux stocks de ³⁶Cl mesurés dans différentes couches du sol. Les flèches représentent les flux entre ces différentes couches. Au sein de chaque couche, une petite fraction du flux de ³⁶Cl est fixée dans la matière organique de la couche. Cette fraction est estimée à 5 % du flux en surface et décroit exponentiellement avec la profondeur. À cette décroissance des quantités retenues, correspond une augmentation de la durée de rétention avec la profondeur (figure de droite).

La plus importante éruption solaire jamais connue…

20 octobre 2023 by osuadmin

Un pic de radiocarbone atmosphérique sans précédent a été mesuré dans les cernes d’arbres subfossiles découverts dans les Alpes françaises (région de Gap) datés d’il y a 14300 ans.
Cette augmentation brutale du radiocarbone dans l’atmosphère a été probablement causée par une éruption solaire exceptionnelle, la plus grande jamais identifiée.
Des éruptions solaires similaires seraient aujourd’hui catastrophiques pour notre société moderne, anéantissant les systèmes satellitaires et les réseaux électriques, détruisant les télécommunications et engendrant des dégâts aux coûts exorbitants.
Pour le futur, il est crucial de comprendre ces phénomènes solaires pour mieux nous préparer et tenter d’atténuer leurs effets sur nos sociétés dépendantes des infrastructures technologiques avancées.

**Illustration artistique d’événements survenant sur le soleil et modifiant les conditions dans l’espace proche de la Terre.** Crédit : NASA

Les variations de l’activité solaire peuvent avoir un impact sur le climat de la terre, mais elles peuvent aussi engendrer de graves risques technologiques. En libérant d’importantes quantités de particules et d’ondes électromagnétiques, les éruptions solaires peuvent détruire les réseaux d’électricité, de télécommunication et notamment les satellites de navigation GPS, paralysant ainsi les transports aériens, maritimes et terrestres.

Les mesures systématiques de l’activité solaire ont commencé au début du XVII^e siècle, avec l’observation des taches solaires à l’aide de lunettes astronomiques. Dès le XIX^e siècle, les astronomes ont montré que l’activité solaire fluctue selon des cycles de 11 ans et que son intensité peut connaître des baisses durant plusieurs décennies, comme le minimum de Maunder (1645-1715). Au cours du siècle dernier, les enregistrements des taches solaires ont été complétés par d’autres données provenant d’observatoires terrestres, de sondes spatiales et de satellites. Cependant, ces enregistrements instrumentaux à court terme sont insuffisants pour documenter et comprendre le comportement du soleil et prévoir son activité future. Les isotopes cosmogéniques tels que le carbone-14 (¹⁴C) dans les cernes d’arbres et le béryllium-10 (¹⁰Be) dans les glaces polaires sont produits dans la haute atmosphère par le rayonnement cosmique modulé par l’activité solaire. Ces isotopes sont en fait les meilleurs indicateurs pour reconstituer l’activité solaire avant la période des mesures instrumentales.

Cette nouvelle étude, impliquant trois équipes de recherches, se base sur l’analyse de la teneur en ¹⁴C d’arbres subfossiles découverts dans les Alpes françaises du sud. Depuis 25 ans, l’IMBE réalise des campagnes de terrain régulières le long des rivières et torrents de la région de Gap et a rassemblé à Aix en Provence une collection exceptionnelle de troncs subfossiles parfaitement préservés. Leur étude dendrochronologique a permis de bâtir des chronologies flottantes couvrant les 15000 dernières années. Parmi elles, la chronologie du torrent du Drouzet couvre la période 14400-13700 cal BP (années calendaires avant le présent, celui-ci étant défini en 1950 de notre ère). La mesure de la teneur en ¹⁴C des cernes de croissance annuels de cette chronologie a été réalisée grâce au spectromètre AixMICADAS de l’unité radiocarbone du CEREGE. Cette unité inaugurée en 2016 produit des résultats précis et fiables, ce qui a été confirmé en 2020 et en 2023 dans le cadre d’intercomparaisons internationales spécifiques sur la datation du bois.

Les chercheurs ont découvert un pic de ¹⁴C remarquable qui a eu lieu au sein d’une seule année entre 14300 et 14299 ans cal BP. En comparant ces résultats avec les enregistrements de ¹⁰Be dans les carottes de glace du Groenland grâce à des calculs de modélisation du cycle du carbone effectués au CEREGE et à une analyse statistique sophistiquée réalisée à l’Université de Leeds au Royaume-Uni, les chercheurs attribuent cette anomalie de ¹⁴C à une éruption solaire d’une ampleur exceptionnelle, la plus importante jamais enregistrée. De plus, une autre anomalie avec une durée plus longue est détectée entre 14000 et 13900 ans cal. BP. Elle peut être attribuée à un phénomène solaire de type Maunder lié à la modulation des particules cosmiques galactiques par le champ héliomagnétique.

Les recherches antérieures avaient permis de détecter neuf anomalies du ¹⁴C probablement liées à des éruptions solaires majeures durant les 15000 dernières années. Parmi elles, les plus importantes datent de 774 de notre ère ainsi que de 660, 5259 et 7176 avant notre ère. L’événement solaire de 14300 cal BP découvert par cette nouvelle étude est d’intensité nettement supérieure. Il est 10 à 100 fois plus intense que les tempêtes solaires connues pour la période instrumentale, comme le célèbre événement de Carrington en 1859 qui a provoqué des perturbations majeures dans les réseaux de télégraphe et des aurores boréales jusqu’à des latitudes proches de l’équateur, ou encore celui de mars 1989 qui avait plongé la province de Québec au Canada dans le chaos pendant plusieurs heures.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension de l’histoire de l’activité solaire et de ses impacts sur la Terre. Elle illustre également le rôle crucial que jouent les archives naturelles telles que les cernes d’arbres dans la recherche scientifique moderne. Les implications de ces résultats pour notre compréhension du climat et notre capacité à prévoir les événements solaires futurs sont fascinantes et suscitent un intérêt croissant dans la communauté scientifique et le grand public.

Les recherches sur le radiocarbone au CEREGE d’Aix-en-Provence (UMR Aix-Marseille Université, CNRS, IRD, INRAE, Collège de France) sont soutenues par le Collège de France et l’Agence Nationale de la Recherche (EQUIPEX ASTER-CEREGE, projets ANR CARBOTRYDH et MARCARA).

Surveillez les champs magnétiques stellaires : ils sont changeants

19 octobre 2023 by osuadmin

Le cycle d’activité solaire de 11 ans est un phénomène bien connu, au cours duquel l’intensité du champ magnétique du Soleil varie et ses polarités s’inversent. Au cours des 30 dernières années, les astronomes ont identifié un comportement similaire pour plusieurs étoiles semblables au Soleil. Mais jusqu’à présent, aucune inversion de polarités magnétiques n’a été observée pour leurs homologues plus froides, les étoiles naines rouges.

Une équipe internationale incluant des scientifiques du CNRS (voir encadré) vient de montrer que le champ magnétique de la naine rouge extrêmement active AD Leonis pourrait s’approcher d’un renversement de polarités. Ces données ont été obtenues à l’aide des instruments ESPaDOnS¹ et SPIRou² au Télescope Canada-France-Hawaii (TCFH) ainsi que NARVAL³ au Télescope Bernard Lyot (TBL).

AD Leonis est une étoile naine rouge notoirement active, qui possède un champ magnétique environ 1000 fois plus intense que celui du Soleil. Bien que des indices de cycles d’activité existent, on ne sait pas encore si les naines rouges peuvent présenter des cycles magnétiques.

AD Leonis a été observée depuis 2006 avec les instruments ESPaDOnS et NARVAL, et depuis 2019 avec SPIRou. L’étude menée par Stefano Bellotti, doctorant à l’IRAP, montre que non seulement l’intensité du champ magnétique diminue continûment sur cette période, mais également que les pôles magnétiques de l’étoile ont commencé à basculer. Bien qu’une inversion de polarités n’ait pas eu lieu pendant les observations SPIRou, ces résultats indiquent que les naines rouges comme AD Leonis pourraient subir des cycles magnétiques, comme le Soleil.

Ce résultat permet donc de mieux comprendre la génération du champ magnétique des étoiles plus froides que le Soleil. En outre, l’étude du champ magnétique des naines rouges ‒ cibles privilégiées pour la détection d’exoplanètes rocheuses semblables à la Terre ‒ est essentielle pour comprendre l’environnement spatial dans lequel les exoplanètes rocheuses orbitent.

**Le système optique du spectrographe SPIRou dans la salle blanche de l’IRAP/OMP à Toulouse.** Crédit : S. Chastanet – Service communication OMP.

1. Le spectropolarimètre stellaire de nouvelle génération ESPaDOnS est un projet financé dans le cadre d'un partenariat entre la France (CNRS/INSU, Ministère de la Recherche, LATT - Observatoire Midi Pyrénées, Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique - Observatoire de Paris), le Canada (NSERC), le Télescope Canada-France-Hawaii et l'ESA (ESTEC/RSSD).

2. SPIRou est à la fois un spectropolarimètre et un velocimètre de haute précision fonctionnant dans le proche IR (0.98-2.35µm). SPIRou est un projet international, géré par un consortium réparti sur France, Canada, Suisse, Taiwan, Portugal, Brésil et Hawaii. Coté français 4 laboratoires sont impliqués au niveau technique : IRAP (Toulouse), IPAG (Grenoble), OHP/LAM (Marseille) et LESIA (Meudon).

3. Comme son jumeau ESPaDOnS, NARVAL est spectropolarimètre stellaire, développé au sein de l’Observatoire Midi-Pyrénées (OMP – CNES/CNRS/Météo France/IRD/UT3 Paul Sabatier), par les équipes scientifiques et techniques de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap/OMP – CNRS / CNES / UT3 Paul Sabatier), du Télescope Bernard Lyot (TBL) et les services communs de l’OMP.

Revue fortement à la baisse, la masse de la Voie lactée questionne la cosmologie

27 septembre 2023 by osuadmin

La masse totale de la Voie Lactée est estimée à seulement 2,06 X 1011 masses solaires. Elle est donc réévaluée à la baisse, avec un facteur quatre à cinq fois moindre que des estimations antérieures qui la donnaient à 1012 masses solaires.

Cette nouvelle valeur a été obtenue grâce aux données du troisième catalogue du satellite Gaia paru en 2022, qui contient la totalité des trois composantes spatiales et des trois composantes de vitesses pour 1,8 milliards d’étoiles au sein de la Voie lactée.

La soutenable légèreté de la Voie lactée

Tirant partie de ces données, les chercheurs ont pu construire la courbe de rotation² la plus précise jamais observée pour une galaxie spirale, en l’occurrence, la nôtre, et en déduire sa masse³. Avant Gaia, aucune courbe de rotation robuste n’avait pu être obtenue pour notre galaxie, à la différence de celles des galaxies spirales externes. Cela s’explique par notre position au sein de la Voie lactée, empêchant de distinguer précisément les mouvements et la distance des étoiles constituant son disque.

Dans l’étude qui parait le 27 septembre 2023 dans la revue Astronomy & Astrophysics, la courbe de rotation de notre galaxie se révèle atypique : elle n’est pas plate, à la différence de toutes celles mesurées pour les autres grandes galaxies spirales. Bien au contraire, au-delà du disque externe de la Galaxie, cette courbe se met à décroitre rapidement. En outre, cette décroissance de vitesse suit la prédiction dite « Képlérienne »⁴.

Un tourbillon provoqué dans la cosmologie

Obtenir pour la Voie lactée une courbe de rotation en décroissance Képlérienne nécessite de replacer l’objet dans un contexte cosmologique.

En effet, l’une des grandes découvertes de l’astronomie moderne fut d’établir que les mouvements autour des grands disques des galaxies spirales étaient bien plus rapides que ceux attendus par une décroissance Képlérienne. Dans les années 1970, les astronomes Vera Rubin, à partir d’observations du gaz ionisé, et Albert Bosma (aujourd’hui chercheur émérite au LAM), grâce au gaz neutre, avaient montré que la vitesse de rotation des galaxies spirales restait constante, bien au-delà de leur disque optique. La conséquence directe de cette découverte avait été de proposer l’existence d’une matière sombre, additionnelle à la matière observable, se distribuant dans un halo entourant les disques des galaxies spirales et constituant la plus grande partie de la masse des galaxies. Sans cette matière sombre, les courbes de rotation devaient suivre une décroissance dite « Képlérienne », indiquant l’absence de matière à l’extérieur du disque optique.

C’est donc bien le cas de la Voie lactée. Comme la matière ordinaire (étoiles et gaz froid) est généralement estimée à un peu plus de 0,6 X 1011 masses solaires, la fraction de matière ordinaire représente un tiers de celle de la matière sombre, la masse de cette dernière étant seulement deux fois plus importante que celle de la matière ordinaire. Ce résultat constitue donc une révolution en cosmologie, puisque jusqu’à présent, il était convenu que la matière sombre, devait être au moins six fois plus abondante que la matière ordinaire.

Deux tentatives d’explication

Si la quasi-totalité des autres grandes galaxies spirales ne présentent pas de courbe de rotation avec une décroissance Képlérienne, pourquoi la nôtre serait-elle différente ?

La première possibilité pourrait venir du fait que la Voie Lactée est une galaxie ayant connu peu de perturbations liées aux collisions violentes entre galaxies, la dernière ayant eu lieu il y a environ 9 milliards d’années, contre une moyenne de 6 milliards d’années pour les galaxies spirales. Dans tous les cas, cela indique que la courbe de rotation obtenue pour la Voie Lactée est particulièrement précise, n’étant pas affectée par les résidus d’une si ancienne collision.

La seconde possibilité vient de la différence méthodologique entre la courbe de rotation obtenue à partir des données livrées en six dimensions par le satellite Gaia, et les mesures faites en gaz neutre pour la plupart des autres galaxies.

Ce travail ouvre la voie vers une réévaluation des courbes de rotation des grandes galaxies spirales et de leur contenu en matière ordinaire et sombre.

2. La courbe de rotation d’une galaxie représente la vitesse de rotation en fonction du rayon, comme le montre la figure.

3. Plus un corps est massif, plus les objets qui gravitent autour ont une vitesse élevée pour éviter leurs chutes.

4. Les satellites en orbite ont des vitesses qui suivent les lois de l’attraction universelle, dites "lois de Kepler". Plus un satellite est éloigné de son corps principal, plus sa vitesse de rotation est faible, car son éloignement implique une moindre force d’attraction gravitationnelle. Cette diminution de la vitesse est appelée « Képlérienne », et elle est observée par exemple, pour les planètes de notre système solaire.

Météorite du 10 septembre : 4 jours après la chute, les mesures par spectrométrie gamma sont déjà en cours !

15 septembre 2023 by osuadmin

Le fragment de 300g de la météorite tombée dans le Cher le 10 septembre qui avait été confié au Muséum national d’Histoire naturelle pour analyse est depuis le 14 septembre dans l’un des spectromètres gamma (Figure 1) du Département de Physique Nucléaire et de Biophysique de l’Université Comenius (Bratislava, Slovaquie). L’équipe de l’Université Comenius est l’une des premières au monde ayant mis au point ce type de mesures dans les météorites et a une expérience de plus de trente ans dans leur interprétation.

Ces analyses ont pour objectif de mesurer les concentrations de certains noyaux radioactifs en détectant leurs désintégrations. En effet, de tels noyaux se désintègrent en émettant des photons de haute énergie (dits gamma) dont la longueur d’onde est caractéristique et qui peuvent être détectés. Or, le nombre de désintégrations par unité de temps (donc le nombre de gamma émis) est proportionnel à la concentration du noyau qui se désintègre. En mesurant les rayons gamma émis par la météorite, on peut donc déterminer les concentrations de certains éléments radioactifs.

Les noyaux qui nous intéressent sont ceux qui sont très instables c’est à dire, typiquement, ceux dont la concentration diminue d’un facteur deux en quelques jours à quelques années, une véritable course contre la montre ! De tels noyaux sont présents dans la météorite parce qu’ils y ont été « fabriqués » par les rayons cosmiques (des protons et autres particules de très haute énergie) qui irradiaient l’astéroïde qui la contenait tout au long de son voyage interplanétaire. Ces particules réagissent avec la matière en « cassant » des noyaux atomiques et en y produisant ainsi des noyaux plus petits. On appelle ces réactions nucléaires des réactions de spallation. Parmi les noyaux ainsi produits, certains sont radioactifs et ils vont se désintégrer, à tout moment de manière proportionnelle à leur concentration. Au bout d’un certain temps, un équilibre finit par s’établir pour les noyaux très instables : le nombre de désintégrations devient égal au nombre de productions par spallation. L’abondance d’un tel noyau ne dépend plus de la durée de l’irradiation, mais seulement de la dose de radiation qui pénètre jusqu’à l’échantillon, c’est à dire de sa position initiale dans l’astéroïde et de la taille de l’astéroïde. On comprend bien (Figure 2) que plus la future météorite était proche de la surface de l’astéroïde, plus la dose reçue à tout moment a été importante. En revanche, à profondeur égale, la dose reçue était moins importante si l’astéroïde était plus gros, car les rayons provenant de l’autre côté de l’astéroïde étaient arrêtés par l’épaisseur de matière qu’ils avaient à traverser.

Mesurer dans une météorite l’abondance des noyaux radioactifs très instables qui y ont été produits par le rayonnement cosmique pendant son voyage interplanétaire à l’intérieur de l’astéroïde permet donc d’évaluer la taille de ce dernier avant son entrée dans l’atmosphère et de mieux comprendre comment il s’est fragmenté, ce qui est également très utile pour la modélisation du vol sombre.

Notons que les réactions de spallation induites par les rayons cosmiques produisent également des noyaux stables. Ceux-ci sont difficile à mesurer car ils sont « noyés » dans la masse des noyaux de même nature préexistants, sauf si ceux-ci étaient très peu abondants. C’est le cas des gaz rares. Ceux-ci sont peu abondants dans les roches et la quantité additionnelle produite par les rayons cosmiques devient significative. On peut donc la mesurer. Comme ces noyaux sont stables, ils s’accumulent dans le temps. Leur abondance dans la météorite dépend donc non seulement des conditions dans lesquelles elle a été irradiée (ce qui peut être déterminé à partir des noyaux instables), mais aussi de la durée de l’irradiation. Ajoutée à celle des noyaux instables, la mesure des gaz rares permet donc d’évaluer la durée du trajet interplanétaire de l’astéroïde à partir du moment où un impact l’a extrait de son corps parent. Bien entendu, les gaz rares seront également analysés dans la météorite du 10 septembre, mais comme ces derniers sont stables, il n’y a pas la même urgence à effectuer ces mesures !

Dans le cas présent la course contre la montre a débuté dès l’arrivée de la météorite sur Terre. La découverte très rapidement après sa chute et la remise d’un fragment pour analyses au MNHN a permis de commencer les mesures par spectrométrie gamma en un temps record (probablement même un record du monde !, une information à confirmer). Merci à Ludovic Ferrière (Musée d’Histoire naturelle de Vienne, Autriche) qui a sauté dans le premier avion pour pouvoir récupérer le fragment et l’acheminer au plus vite jusqu’à Bratislava en passant par Vienne où quelques observations ont été faites en route. Les paris sont lancés sur le type exact de météorite, une chondrite ordinaire de type H5 ?, les analyses à venir confirmeront (ou non)…

L’érosion des sols amplifiée par les activités humaines

14 septembre 2023 by osuadmin

L’érosion des sols constitue une menace mondiale majeure touchant des milliards de personnes, en particulier dans les régions en développement. Alors que la crise environnementale s’aggrave, cette menace systémique pourrait encore augmenter, accentuant les vulnérabilités socio-économiques et environnementales de nombreux pays. Les activités humaines n’altèrent peut-être pas les mécanismes fondamentaux de l’érosion, mais elles en modifient significativement la vitesse, la fréquence et l’intensité. Dans ce contexte, la région de Brasília et la savane du Cerrado offrent un laboratoire naturel essentiel, non seulement en raison de la nécessité urgente de préserver cet écosystème fragile, mais aussi en raison des tensions entre la conservation de la nature et le développement humain.

Cette étude vise à mesurer les taux de processus naturels, notamment la dénudation et l’abaissement de la surface, qui façonnent l’évolution du paysage au centre du Brésil sur une longue période (103-106 ans), et à les comparer aux taux d’érosion accélérée par l’homme près de la capitale Brasília, au cours des dernières décennies. Pour ce faire, une approche multidisciplinaire combinant des nucléides cosmogéniques produits in situ (10Be et 21Ne) et atmosphériques (10Be), des radionucléides environnementaux à courte durée de vie (210Pb, 137Cs) ainsi que des modèles de perte de sol par érosion hydrique (RUSLE) a été mise en place. Cette approche a permis de comparer des zones naturelles (plateau couvert de Cerrado dans le parc national de Brasília) avec des terres altérées par les activités humaines (plateau déboisé en dehors du parc).

À travers une étude novatrice dans la région de Brasília, cette recherche démontre comment des activités agricoles récentes perturbent les processus géomorphologiques naturels, lentement établis au cours des dernières dizaines à centaine de milliers d’années, provoquant des taux d’érosion 160 fois plus élevés et mettant en péril la durabilité de la ressource sol. Bien que les estimations aient une certaine limitation spatiale, elles devraient contribuer à façonner des politiques de conservation efficaces pour le Cerrado brésilien et à renforcer la prise de conscience environnementale nécessaire en réponse à la crise actuelle.

Source : https://www.insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/lerosion-des-sols-amplifiee-par-les-activites-humaines