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La matière composant l'Univers: proportion des constituants de la tarte au sucre

Je suis un peu triste. Je viens de lire dans une édition spéciale du Scientific American consacrée aux frontières de la physiques que, de toute la matière constituant l'Univers, seulement 4 à 5% ont les mêmes constituants que ma tarte au sucre: protons, neutrons, électrons et photons (des photons lorsque je la regarde avec envie).

Tout le reste de cette "masse" ne ressemble en rien à ce que nous connaissons. Elle est constituée de matière sombre et d'énergie (mais oui, l'énergie et la masse c'est la même chose -> E=mc2).

Répartition de la masse selon les sources dans l'Univers

Même si vous êtes à la fine pointe de la vulgarisation de la physique et que vous savez ce qu'est un neutrino, qu'il a récemment été découvert que celui avait une masse et qu'ils sont très nombreux dans l'Univers, ils n'ajoutent qu'un maigre 1% à la masse totale. Pour ainsi dire une goutte d'eau.

Ça me fait une impression de grand vide.

Ordinateurs portables dans l'espace

Quelques photos prisent au National Smithsonian Air and Space Museum de Washington.

Voici l'ordinateur portable amené dans l'espace pour la mission Atlantis STS-56 en 1993.

Ordinateur portable de la mission Atlantis sts-56

On peut lire sur la fiche descriptive:

Payload and General Support Computer
Space Shuttle
Shuttle astronauts used this modifed version of a commercial laptop computer for a variety of tasks. NASA selected a computer made by Grid Systems, Inc., because of its metal case and rugged construction. The systems integration firm SAIC modified it for use in space. This laptop flew on Shuttle mission STS-56 in 1993.

A19980083000

Ce n'est pas le premier ordinateur portable que les astronautes américains ont amenés avec eux. En 1966, lors de la mission Gemini 8, un ordinateur d'IBM était à bord, tout comme un certain Neil A. Armstrong.

Ordinateur IBM de la mission Gemini 8

On peut lire sur la fiche descriptive:

Guidance Computer
Gemini 8
This computer flew on Gemini 8 in 1966. Built by IBM, it provided onboard calculations for pre-launch and reentry, as well as backup guidance for the launch vehicle during ascent.

A19680864000

L'ordinateur de 1966 prend environ 10 fois le volume de celui de 1993. Et il y a fort à parier que celui de 1993 est plus de 10 fois plus puissant que son ancêtre. 100 fois plus de puissance par unité de volume!

Vive la loi de Moore!

Listes d'attente constantes?

Depuis aussi longtemps que je me souvienne, le système de santé québécois vit un « problème » avec des listes d'attente, qu'elles se trouvent le long d'un corridor à l'urgence ou sur la liste des rendez-vous pour telle ou telle intervention médicale.

Statistique Canada racontait par exemple en janvier dernier que les listes d'attentes provoquaient un temps d'attente d'autour de quatre semaines pour des soins médicaux. La situation n'a pas changé depuis 2002.

Difficile de comprendre l'acharnement médiatique sur ces fameuses listes d'attente, comme quoi elles signaleraient un problème avec le système de santé comme le laissent sous-entendre lignes ouvertes, débats télévisés et bulletins de nouvelles.

Supposons qu'il manque de médecins (ou que davantage de malades nécessitent un traitement, ça revient au même). Dans ce cas imaginaire, le temps d'attente augmenterait de jour en jour, comme à la banque : si on retire une caissière ou on ajoute des clients, la file finit par s'allonger.

Or, dans le cas-exemple des soins de santé relaté plus haut, ce temps d'attente est resté pratiquement inchangé depuis 2002. Le nombre de médecins et le nombre de patients a donc atteint un équilibre - s'il manquait vraiment de médecins, on attendrait plus longtemps qu'en 2002.

Pour rattraper un retard de quatre semaines en quatre ans, il aurait suffi d'augmenter la quantité de travail des spécialistes des soins de santé d'à peine une semaine par année. Ce qui revient à majorer la charge des spécialistes de la santé d'un peu moins d'une heure de travail par semaine.

Je m'explique donc très mal l'emphase qui est mise sur les listes d'attente, particulièrement en campagne électorale. Pour éliminer les listes d'attente, aucun besoin de milliers de nouveaux médecins ni d'une étude suivie d'un rapport de 800 pages, ni d'une nouvelle manière de gérer,… suffit d'augmenter légèrement et temporairement la productivité des médecins déjà pratiquants.

De la distribution du code source dans les publications scientifiques

Une publication scientifique a comme finalité de faciliter la transmission du savoir et de permettre la reproductibilité des résultats.

Il y a, plus souvent qu'autrement, utilisation de logiciels et de code pour faire l'analyse, la manipulation, pour établir des relations bref, pour une foule de raisons. Or, la quasi-totalité des publications scientifiques expliquent le raisonnement et la méthodologie utilisées pour ces calculs mais ne fournissent jamais le code source qui en est à la base.

Ce code est en fait la réalisation de l'expérience, ce n'est pas seulement le raisonnement derrière celui-ci qui doit être publié, mais bien la manière de pouvoir le reproduire. En ne publiant pas le code source, il est plus ardu, plus long et plus coûteux de reproduire l'expérience. Chaque personne voulant la reprendre devra elle-même faire une implémentation des idées évoquées pour ensuite comparer les résultats. N'ayant pas accès au code source, toute différence entre les résultats devra être interprétée comme une remise en question de l'idée sous-tendant le code, alors qu'un accès au code source aurait permis de vérifier la présence d'une erreur dans l'implémentation.

De plus, la réalisation d'expérience soulève souvent des problèmes techniques et pointus devant être résolus mais dont la description dans un article le rendrait trop lourd, voire illisible. Les manières dont sont contournées ou résolues ces difficultés peut influencer les résultats, parfois de façon déterminante. Les techniques développées pourraient aussi par la suite être réutilisées dans d'autres contextes, la science a aussi une composante importante de technicalité que les artisants, les scientifiques, ont le devoir de cultiver.

Pourquoi donc, lorsque les articles sont publiés en format numérique, est-ce que les auteurs ne publient-ils par leur code sous un licence libre? Ceci permettrait à toute la communauté scientifique de pouvoir évaluer leur implémentation, de l'utiliser, de le modifier et de l'améliorer? N'est-ce pas le but même des publications scientifiques?

Petite histoire du puits de carbone

Dans le cadre de la petite histoire de l'atmosphère de la Terre, j'avais écris que le CO2 présent dans l'atmosphère avait été dissous dans l'océan. Les êtres vivants, en prenant le carbone présent dans le CO2, libéraient du O2. Voilà pour la récapitulation.

Les organismes vivant, en mourant, emprisonnaient une grande quantité de carbone (C) dans la lithosphère. Par exemple, pendant des millions d'années, la végétation s'est décomposée et s'est retrouvée par la suite dans la croûte terrestre. Or, que fait l'homme depuis un peu plus de 100 ans ? Il va puiser dans cette source de carbone, via les combustibles fossiles, et la consume ensuite, libérant de ce fait des quantités énormes de CO2 dans l'atmosphère. Ce que la nature a mis des millions d'années à produire, l'homme le détruit en moins de 200 ans.

Qu'arrive-t-il à la quantité fantastique de CO2 ainsi libérée ? Puisque l'océan a déjà absorbé pratiquement tout le CO2 (il ne reste que 3% de tout le CO2 présent sur la Terre sous forme de gaz dans l'atmosphère) de l'atmosphère primitive de la Terre, ne pourrait-il pas recommencer ?

Il y a 3 endroits où ce surplus de CO2 peut résider: dans l'atmosphère, dans l'océan et dans la biomasse.

Absorption du CO2 par l'océan

Dissollution directe du CO2

Pour ce qui est de l'océan, on y retrouve le CO2 dissous sous trois forme: CO2 dissous directement dans l'eau (acide carbonique), HCO2- (bicarbonate) et CO32- (carbonate). La majorité du CO2 présent dans l'océan est sous la forme de carbonate. Le pH des océans, a une valeur de 8,2, est étonnament alcalin. L'ajout de CO2 dans l'océan l'acidifie, ce qui réduit sa capacité à absorber le CO2 (la raison dépasse grandement le cadre de cette discussion). On ne peut simplement ajouter du CO2 dans l'atmosphère et attendre qu'il soit absorbé par l'océan. En fait, à cause de la contrainte sur l'alcalinité des océans, 50% du CO2 émit demeure dans l'atmosphère. On voit la menace sur l'équilibre qui existe présentement où seulement 3% du CO2 est dans l'atmosphère.

Mais comment se fait-il alors que l'océan ait réussi à absorber tout le CO2 de l'atmosphère primitif ? Excellente question Gaston. C'est là qu'intervient le fameux courant du fond des océans. La limitation sur le pH dont il était question dans le paragraphe précédent est une contrainte sur la couche supérieure de l'océan. Il est possible de voir l'océan comme une superposition de 3 réservoirs: la couche de surface (0-100m), la couche intermédiaire (100m à 1km) et l'océan profond (1km jusqu'au fond). L'eau demeure dans chacun des réservoirs en moyenne 18, 40 et 120 ans, respectivement. Autrement dit, une réponse de l'océan à un changement de concentration de CO2 dans l'atmosphère prend environ 200 ans. Il n'y a que la couche supérieure de l'océan qui entre en contact avec l'atmosphère et cette couche ne peut prendre que 6% de tout le CO2 émit par la combustion des combustibles fossiles. La somme de toutes les couches ont absorbé, depuis le début du XIXe siècle, autour de 25% de tout le CO2 émit. On peut apprécier l'importance qu'a le brassage de l'océan; le CO2 absorbé par la couche supérieure doit absolument passer dans l'océan profond si on veut que le surplus de CO2 libéré dans l'atmosphère ne nous étouffe pas.

Absorption du CO2 par le phytoplancton

Le phytoplancton est la base de la chaîne alimentaire, ce qui fait que le C qu'il produit se retrouve ensuite dans tous les échelons de la chaîne alimentaire et environ 90 % est éventuellement convertie en CO2 en solution dans l'eau (par la respiration et la décomposition dans la couche supérieure de l'océan). Le 10% restant (matières fécales, organismes décédés) est précipité au fond des océans. Cette proportion représente environ un huitième de ce qui est transporté par les échanges entres les couches d'eau dans l'océan profond.

Les mesures actuelles de CO2 atmosphériques indiquent que 50% des émissions demeurent dans l'atmosphère. L'absorption du CO2 par les océans en élimine 30%. Où passent donc les 20% restants ?

Absorption du CO2 par la biomasse de la Terre ou les « puits de carbone »

Rien n'explique où peuvent être allés ces 20 %, les scientifiques émettent des hypothèses et l'une de celle-là est l'accroissement de la biomasse de la Terre.

Par des modèles calculant la quantité de CO2 absorbée par les plantes lors de leur croissance, les scientifiques en sont venus à la conclusion que la vitesse d'absorption du CO2 par la végétation était un peu plus petite que celle des océans.

C'est là que serait passé le 20 % manquant: il y aurait eu un accroissement de la quantité de CO2 absorbé par la végétation des moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord. Une partie de cette augmentation pourrait être due à une conversion des terres agricoles en forêt dans les moyennes latitudes de l'hémispère nord, et une autre partie pourrait être attribuable à une plus grande activité de la photosynthèse de la forêt boréale, résultat du réchauffement climatique.

Cette accumulation de la biomasse par les plantes seraient ensuite déposée sur le sol. Ce sont les fameux « puits de carbone » !

Référence: Introduction to atmospheric chemistry, Daniel J. Jacob, Princeton University Press, ISBN 0-691-00185-5, p. 87-90

Petite histoire de l'atmosphère de la Terre

Évolution de l'atmosphère

Les éruptions volcaniques et le refroidissement de la croûte terrestre établirent, lorsque notre planète était dans son enfance, la composition initiale de ce que l'on retrouve à la surface de notre planète et dans son atmosphère. La surface de notre planète est composée d'un assemblage d'atomes provenant de 92 éléments chimiques.

Les observations des éruptions volcaniques nous donnent une idée de cette atmosphère primitive: H2O (~ 95%), CO2, N2 et du gaz sulfureux. Il n'y avait pas d'O2 et les plus vieux cailloux de la Terre ne contiennent pas non plus d'O2. Mais d'où vient cet oxygène que nous respirons ?

La vapeur d'eau de l'atmosphère primitif se condensa et forma les océans, le CO2 et les gaz sulfureux s'y dissolurent par la suite, laissant le N2 comme gaz principal. La présence d'eau liquide permis le genèse de la vie et certains de ces organismes, il y a environ 3,5 milliards d'années, développèrent la capacité de convertir le CO2 en carbone organique via la photosynthèse. Par ce processus, ils libérèrent du O2 qui s'accumula dans l'atmosphère jusqu'à atteindre le niveau que nous connaissons présentement, il y a 400 millions d'années.

Atmosphère de Mars, de Vénus et de la Terre

Il est instructif de comparer l'atmosphère de notre planète avec celles de ses voisines, Mars et Vénus, pour avoir un aperçu de ce qu'elle aurait pu être dans d'autres conditions.

On croit que les 3 planètes avaient initialement les mêmes composantes, mais aujourd'hui elles sont très différentes.

Vénus Terre Mars
Rayon (km) 6100 6400 3400
Masse de la planète (1023kg) 49 60 6,4
Accélération gravitationnelle (m/s2) 8,9 9,8 3,7
Température de surface (K) 730 290 220
Pression à la surface (Pa) 9,1 x 106 1.0 x 105 7 x 102
Composition de l'atmosphère (%)
CO2 96 0,04 95
N2 3,4 78 2,7
O2 0,0069 21 0,13
H2O 0,3 1 0,03

L'atmosphère de Vénus est environ 100 fois plus épaisse que celle de la Terre et, à cause de sa proximité du Soleil, la température de la jeune Vénus était trop élevée pour que l'eau s'y condense et créée des océans. La conséquence est que l'atmosphère est essentiellement composée de CO2. La vapeur d'eau dans la haute atmosphère de Vénus s'est décomposée par photolyse en atomes de H, qui se sont ensuite échappés de l'atmosphère, les atomes d'O restant oxydèrent les roches à la surface de la planète. On pense que c'est ce mécanisme qui explique la rareté de l'eau à la surface de Vénus.

Sur la Terre, on ne retrouve que 0,001 % de toute la quantité de l'eau de la planète dans l'atmosphère, le reste est à la surface (principalement dans les océans), ce qui fait que la perte d'eau en haute atmosphère est marginale et est compensée par l'évaporation des océans.

L'atmosphère de Mars est beaucoup plus mince que celle de la Terre et est principalement composée de CO2. Puisqu'elle est plus petite, elle a une accélération gravitationnelle plus faible, ce qui fait que les atomes de H peuvent s'échapper aisément dans l'espace, de même pour les atomes de N qui sont produit par photolyse du N2 (ce phénomène, pour le N, est négligeable sur la Terre). Même si le pourcentage de CO2 sur Mars est grand, son abondance totale est en fait extrêmement petite par rapport à celle de Vénus; on pense que le CO2 a été retiré de l'atmosphère martienne par des réactions à sa surface qui créa des roches carbonées.

Lire la suite: Petite histoire du puits de carbone

Référence: Introduction to atmospheric chemistry, Daniel J. Jacob, Princeton University Press, ISBN 0-691-00185-5, p. 87-90

Le temps de gestation des mammifères en fonction de leur poids

Dans la dernière année (2005), plusieurs de mes ami(e)s ont eu des enfants. Arrivées à la fin de leur grossesse, les mères en avaient souvent assez de porter toute cette masse supplémentaire: « 9 mois, c'est assez! ». La gestation de l'éléphant venait alors sur le sujet: l'éléphante doit porter son enfant pendant 21 mois, pratiquement 2 ans!

Tout naturellement, je me suis demandé si les mammifères avaient un temps de gestation qui soit proportionnel à leur poids, relation qui me semble naturelle. Ne serait-il pas normal que plus un animal est gros, plus ses enfants sont gros et plus il nécessite de temps pour qu'ils atteignent un grand poids avant leur naissance ?

C'est animé de cette réflexion que j'ai rédigé une liste de mammifères, essayant le plus possible de choisir les premiers que l'on nous apprenait à reconnaître dans notre enfance: l'éléphant, la girafe, le kangourou, le chat, la souris, le chien, le cheval, la baleine et le tigre.

Je voulais faire un graphique qui mettait en relation le poids de l'animal, choisissant la femelle plutôt que le mâle, lorsque l'information était disponible, en relation avec le temps de gestation. Rapidement, je me suis rendu compte que je ne pourrais mettre la baleine bleue sur le graphique. Celle-ci est beaucoup trop lourde (140 tonnes!) comparée aux autres animaux. Les points ne présentaient que la différence entre la baleine et les autres animaux dans leur ensemble et non pas ceux-ci entre eux. Qui plus est, je trouvais curieux que la gestation de la baleine bleue ne soit que de 10 à 12 mois. J'ai donc décidé de faire un graphique à part pour les baleines. D'autre part, le kangourou avait aussi un curieux temps de gestation de 30 jours et quelques. Après quelques lectures sur les marsupiaux, j'ai décidé d'exclure cette catégorie d'animaux de mon tableau. Je reviendrai par la suite sur leur cas.

Mettant les baleines et les marsupiaux de côté, je me suis concentré sur les autres animaux. Premièrement, il faut spécifier certains types d'animaux. Cheval, chat, chien et même le kangourou désignent en fait des familles d'animaux, pas des espèces en particulier. J'ai donc choisi, de manière tout à fait arbitraire, le chat domestique, le Labrador (chien), le Mustang (cheval), l'éléphant d'Asie et le puma (tigre). Je sais que ce n'est pas tout à fait ça mais ce n'est pas grave.

J'ai ensuite ajouté la chèvre et le rhinocéros (noir) pour combler les intervalles vides sur mon échelle de poids. J'ai retiré le chien pour des raisons esthétiques, son poids et son temps de gestation étant comparable à celui du chat, sa présence rendait le graphique plus confus.

Graphique du temps de gestation en fonction du poids de l'adulte de mammifères terrestres

Ces animaux étant terrestres, la plupart sinon l'intégralité, se sont déjà reproduits en captivité. On connaît donc assez précisément leur temps de gestation. C'est pourquoi je n'ai pas mis de barres d'erreur, seulement des points pour ce qui est de leur poids et leur temps de gestation. J'ai aussi négligé le nombre de petits que pouvait donner chaque portée, allant de 5 à 12 dans le cas de la souris, jusqu'à 1 dans le cas de l'éléphant.

Première constatation, marsupiaux et mammifères marins mis à part, la courbe semble assez exponentielle. L'éléphant d'Asie est assez seul dans son coin. Il faudrait voir s'il n'y a pas de mammifère avec un poids qui se rapproche de celui de l'éléphant, le rhinocéros noir n'ayant quand même que le quart du poids de l'éléphant (1000 kg. vs 4000 kg.)

Alors que je voulais étudier les mammifères en général, je me suis retrouvé à étudier le cas des baleines en particulier. Je me suis promené avec grand plaisir sur wikipédia à la recherche d'information sur les différentes espèces de baleines. J'ai lu plus que j'en avais besoin pour créer ce graphique tellement ce domaine de la nature est fascinant.

J'ai entre autre appris que la baleine boréale pourrait être l'animal le plus vieux sur la Terre. Des harpons retrouvés dans le cadavre de ces baleines ainsi que l'étude de la structure de leur oeil (?) fait croire que certaines d'entre elles pourraient atteindre le vénérable âge de 200 ans! Elles dépasseraient les tortues qui, elles, peuvent vivre jusqu'à 150 ans.

Saviez-vous que la baleine bleue est le plus gros animal à avoir vécu sur la planète Terre, toutes époques confondues ? On aurait pensé à un dinosaure quelconque si on nous avait posé la question. Mais non, il s'agit de l'un de nos contemporains.

Graphique du temps de gestation en fonction du poids de l'adulte de baleines

Il semble que la relation entre le poids et le temps de gestation soit inversée dans le cas des baleines. Étant très surpris de cette relation inverse, j'ai décidé d'ajouter les barres d'erreur, revisitant mes références et en ajoutant au besoin. Je crois qu'on ne peut pas vraiment savoir à quel moment une baleine bleue a été fécondée. Dans le cas contraire, je suis très intéressé par la méthodologie!

L'épaulard et le béluga, les plus petites des baleines de mon étude, sont celles qui ont le plus long temps de gestation! Même en considérant les variations sur le poids et les erreurs possibles sur le temps de gestation, cette courbe ne pourra en aucun cas avoir une pente positive. C'est très curieux. Autre remarque, aucun de ces animaux n'a une gestation plus longue que celle de l'éléphante, celle-ci étant la grande lauréate de la plus longue période de gestation du règne des mammifères.

En terminant, quelques mots sur les marsupiaux. Le temps de gestation de ceux-ci ne peut se vraiment se comparer à celui des autres mammifères. Leur truc est de mettre bas très rapidement et de faire en sorte que leur petit monte dans leur poche abdominale (le mot marsupial vient du grec marsipos qui signifie sac) où il s'attache à une mamelle et finit sa croissance. Par la suite, il se détache et va faire des tours à l'extérieur de la poche mais il revient pour se nourrir et être au chaud.

Par exemple, pour le kangourou, la femelle met bas après 31 à 36 jours. Ce qui correspondrait, pour avoir un bébé au même stade de développement, à ce que la femme accouche à 7 semaines de grossesse.

Références:
http://en.wikipedia.org/wiki/Elephant
http://www.upali.ch/weight_en.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Whale
http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_domestique
http://www.lakecountryfarms.com/labrador/index-stud.html
http://www.faqs.org/qa/qa-18091.html
http://animaldiversity.ummz.umich.edu/site/accounts/information/Puma_concolor.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Girafe
http://www.informatics.jax.org/mgihome/other/mouse_facts3.shtml
http://en.wikipedia.org/wiki/Kangaroo
http://www.vaughns-1-pagers.com/biology/gestation-periods.htm

Cachalot:
http://en.wikipedia.org/wiki/Sperm_Whale
http://www.tmmsn.org/mmgulf/physeter.html

Épaulard:
http://en.wikipedia.org/wiki/Orca
http://www.arches.uga.edu/~cmm24/project.html

Béluga:
http://en.wikipedia.org/wiki/Beluga
http://www.sheddaquarium.org/ani_faqs_02.html#m
http://www.vanaqua.org/education/aquafacts/belugas.html

Baleine boréale:
http://en.wikipedia.org/wiki/Bowhead_Whale
http://www.gi.alaska.edu/ScienceForum/ASF15/1529.html
http://www.sarkanniemi.fi/oppimateriaali/eng_spe1.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Turtle

Baleine bleue:
http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Whale

Baleine grise:
http://en.wikipedia.org/wiki/Gray_Whale
http://www.orcanetwork.org/nathist/graywhales.html

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