Au sommet de l’Everest, à 8848 m d’altitude, la température descend à -42,5 °C (ph. Rupert Taylor-Price, via Flickr CC BY 2.0)

On pourrait croire en effet que plus on se rapproche du Soleil, plus il réchauffe l’air. Mais ce n’est pas si simple. Comme l’explique ­Sébastien Léas, de Météo-France, le lien entre température et altitude change dans les quatre couches de l’atmosphère : “Chacune possède des températures différentes selon sa composition chimique et ses caractéristiques.”

Les 12 premiers kilomètres de l’atmosphère (la tropo­sphère) sont chauffés par la chaleur de la Terre. Or, si l’air chaud s’élève, sa diffusion est con­trée par un mécanis­me plus puissant : la diminution de la pression atmosphérique avec l’altitude. Cette loi fondamentale de la thermody­namique veut que la température d’un gaz baisse avec sa pression. Ainsi fait-il – 42,5 °C au sommet de l’Everest, à 8 848 m !

Dans la stratosphère (entre 12 et 50 km d’altitude), la température augmente avec l’altitude : l’action des UV sur les molécules de dioxygène produit de l’ozone qui libère de la chaleur. En haut de la stratosphère, la température atteint 0 °C.

La température baisse ou augmente en fonction de la couche atmosphérique traversée

Dans la mésosphère (jusqu’à 80 km), pauvre en particules d’air, la température se remet à décroître avec l’altitude jusqu’à – 73 °C, en vertu du même principe thermodynamique que dans la troposphère.

Enfin, dans la thermo­sphère (jusqu’à 620 km), elle remonte en flèche, de 300 °C à 1 600 °C selon l’activité du Soleil. Cette hausse, dans une couche où l’air est très rare et la densité de matière faible, est due à l’absorption des UV de très courtes longueurs d’onde (entre 100 et 200 nm) par les molécules de dioxygène. Ce qui a pour effet d’agiter ces molécules et d’élever la température de cette couche.

K. J.

Le tube de 9 cm dans lequel les électrons ont été accélérés (Image : Roy Kaltschmidt)

Des chercheurs américains viennent de pulvériser le record mondial d’accélération de particules, des électrons, à l’aide d’un accélérateur « de poche » de 9 cm de long. En chiffres, cette accélération est de l’ordre de 10^²² G, G étant le sigle officiel de l’accélération mesurée par rapport à un solide en chute libre à la surface de la Terre, un G vaut 9,8 m/s². Si on compare, le corps humain ne supporte pas plus de 46 G d’accélération, un ballon de foot atteint rarement les 300 G et la balle du plus puissant révolver (un Parabellum) reçoit 190 000 G. Mais l’expérience menée au Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) sert surtout à démontrer la puissance de ce nouveau type d’accélérateur de particules compact, dits à laser-plasma, face aux immenses accélérateurs « traditionnels » comme le Large Hadrons Collider (LHC) du CERN.

C’est donc dans un tube de 9 cm de long qu’un nuage d’électrons a reçu une poussée fulgurante délivrée par un laser « pétawatt » (10^¹⁵ watts) le plus puissant construit à ce jour, en activité depuis seulement un an. Durant ce court trajet, les électrons ont été accélérés jusqu’à une valeur d’énergie de 4,25 GeV, soit 4,25 milliards d’électronvolts. En d’autres termes, les électrons ont acquis de la vitesse 1000 fois plus vite que dans un accélérateur de type LHC, un peu comme un nouveau modèle de F1 qui atteindrait les 100 km/h mille fois plus vite que les modèles concurrents.

L’accélérateur de particules « de poche » le plus puissant au monde

En gardant la métaphore de la F1, cela ne signifie pas que le nouveau bolide va au final dépasser en vitesse les autres car tout en les grillant au démarrage il peut ensuite se faire coiffer au poteau : ce n’est donc pas un record de vitesse mais bien un record d’accélération (qui mesure le taux d’augmentation de la vitesse par seconde). Cette accélération se compte en énergie, des électronvolts, et non pas en vitesse car aucune particule de matière ne peut atteindre la limite absolue de la vitesse de la lumière (c = 299 792 km/s),dixit la théorie de la relativité d’Einstein depuis plus d’un siècle. Si toutes les particules sont forcées de plafonner, à environ 99,99999 % de c, l’accélération qui leur est transmise se transforme en énergie « de masse », non plafonnée.

Simulation informatique du champ d’accélération dans le plasma (LBNL)

Accélérer une particule revient finalement à augmenter sa force d’impact ou inertie plutôt que sa vitesse réelle. Or dans les grands accélérateurs, l’accélération des particules persiste sur une distance supérieure à 9 cm : les anneaux du LHC font 27 km ! La particule a le temps d’acquérir une vitesse-énergie des centaines de fois supérieure à l’électron du tube des chercheurs de Berkeley – dès le printemps prochain les particules du LHC frôleront les 7 TeV d’énergie, soit 7 000 milliards d’électronvolts, presque 2000 fois plus qu’à Berkeley (les tests sont en cours).

Les ingénieurs et techniciens du LHC préparent l’accélérateur de nouvelle génération (LHC/CERN)

Néanmoins, cette subtilité entre record d’accélération et record de vitesse ne gâche en rien l’intérêt de ces nouveaux accélérateurs de poche, car en physique des particules l’accélération est aussi utile que la vitesse : ça servirait à fabriquer des lasers à électrons pouvant projeter des faisceaux de rayons X voire gamma – du jamais vu : un nouveau laser extraordinaire et… redoutable. Sans parler des applications innovantes en médecine, pour la radiothérapie contre le cancer, en chimie et en biologie.

Román Ikonicoff

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