Dis Papa, comment on prend la température de la lave ?

Prise de température par thermocouple

Quelle question, non ? Merci Perrine de me l’avoir posée. Et ta maitresse, elle en dit quoi ?

Alors enseignants, savez-vous comment on prend la température de la lave ? Perrine veut le savoir et elle n’est pas la seule à se passionner pour les volcans bouillonnants et leur lave rougeoyante qui tue comme dirait Sid. (surtout ne pas mettre le pied hors du passage piéton…)

Nous allons nous pencher sur cette question existentielle et si importante pour nos enfants…

En fonction de son âge et de sa compréhension, vous adapterez la réponse en connaissance du sujet.

Contexte

Mouvement des molécules

Il faut définir la température : c’est un phénomène émergent de l’agitation des molécules

La température correspond donc à l’énergie des mouvements des particules et de leurs collisions qui se transforme en chaleur. Plus les atomes sont agités, plus la matière est chaude.

Pour prendre la température, on utilise un thermomètre que l’on met en contact de ce dont on veut mesurer la température.

C’est facile, on lit la température en degrés Celsius qui s’écrit °C

Anders Celcius était un physicien suédois qui a défini son échelle des températures en prenant 0°C pour la limite de fonte de la glace et 100°C pour l’ébullition de l’eau. Elle est très pratique et c’est celle qu’on utilise aujourd’hui.

Eruption volcanique fluide

Et maintenant, qu’est-ce que la lave ?

C’est de la roche fondue qui est sortie d’une bouche éruptive de volcan. C’est passionnant et on en reparlera. De la roche fondue, or vous savez que ce n’est pas dans le four de votre cuisine que vous pouvez faire fondre des pierres…

Il faut entre 800°C et 1200°C pour faire fondre les roches volcaniques.

C’est donc très, très chaud !

On a beaucoup de mal de s’approcher d’un bon feu, alors là… s’approcher de roches fondues qui tombent du ciel avec les gaz volcaniques…

Du coup, comment prendre la température de la lave ?

Je vous pose donc la question : comment prendriez-vous la température de la lave ?

Quelques pistes :

  • Aller au bord de la coulée et y plonger un thermomètre au bout d’une longue perche, avec une combinaison aluminium
  • Comparer la couleur de la lave avec la couleur du filament d’une ampoule électrique
  • Faire plonger un drone thermomètre : la dernière température qu’il nous transmet est la bonne
  • Faire fondre des roches en laboratoire et dire que cette température est celle de la lave du cratère
  • Mesurer la température plus loin tout autour et calculer la température de la lave en fonction des paramètres connus

Maintenant à vous de deviner si c’est faisable :

Il faut bien aller la prendre cette température. Je vous donne quelques indications de plus, mais attention, il peut y avoir des pièges…

Volcanologue au bord de la lave

Aller au bord de la coulée et y plonger un thermomètre au bout d’une longue perche, avec une combinaison aluminium

On a tous cette image en tête. Mais allez voir ce film pour vous imprégner de l’ambiance… Et c’est un volcan « calme », qui bouillonne mais qui projette peu de matières et qui n’est pas explosif non plus. Non, je ne m’approche pas… même avec une perche !

Sur des coulées de lave plus calmes, on peut plus s’approcher. La technique de la perche est souvent utilisée pour le prélèvement d’un échantillon de lave. Mais pour prendre la température ?

Ampoule électrique

Comparer la couleur de la lave avec une ampoule électrique

Quelle idée ! Encore faut-il connaitre avec précision la température du filament de l’ampoule…

Et puis, il faut bien allumer l’ampoule devant la lave si on veut comparer, et enfin, qui me dit que la température de l’ampoule donne une couleur identique à la même température de la lave…

C’est bien perché cette idée…

Drone quadrocopter

Faire plonger un drone thermomètre : la dernière température qu’il nous transmet est la bonne

Alors, pourquoi pas ? Ben, en fait, le drone aura fondu avant d’arriver en contact de la lave, il ne transmettra rien du tout. Ou alors, il faut un super drone super cher bien ignifugé qu’il serait dommage de prévoir à usage unique…

La chaleur rayonne (pas besoin de toucher le Soleil pour sentir sa chaleur) et réchauffe l’air qui devient turbulent.

Au dessus d’un feu assez fort (feu de forêt par exemple) on voit bien les turbulences dans la fumée. Un drone ne pourrait pas voler dans ces conditions. En tout cas, des drones sont utilisés en volcanologie pour filmer de loin, dans des endroits trop dangereux ou inaccessibles à l’homme.

Verser du fer fondu

Faire fondre des roches en laboratoire et dire que cette température est celle de la lave du cratère

C’est une bonne idée au premier abord, ce serait pas super précis mais faisable ?

On connaît assez bien la fusion de métaux, verre… On sait monter aux températures nécessaires et faire fondre des échantillons de roche n’est pas difficile. Par contre, quelles roches ? La lave a-t-elle la même composition ? Et ensuite on connait la température à laquelle la roche fond en chauffant ou se solidifie en refroidissant. Mais la température du lac de lave ? de la lave au fond du cratère ?

Pas convainquant…

Schéma de volcan

Mesurer la température plus loin tout autour et calculer la température de la lave en fonction des paramètres connus

L’idée est de multiplier les mesures de températures sur l’édifice volcanique sans s’approcher de la lave et de « calculer » la température de celle-ci d’après les lois de la thermodynamique.

Ah ! Mais un volcan, ce n’est pas aussi simple que sur cette image :

C’est un système complexe, qui évolue. Les mesures à faire seraient trop nombreuses, les paramètres (vent, pluie, pente, reliefs, qualité du magma, etc) trop nombreux. Il faudrait de super calculs, par des super ordinateurs qui prendraient longtemps. Pas faisable !

Et alors ? On fait comment pour mesurer la température de la lave ?

Je vous aurais caché la véritable méthode ? Presque.

Presque ? C’est à dire ?

Dans les 5 réponses possibles, il y en a une utilisable ! Vraiment utilisée pendant des années. Remplacée par une méthode plus « moderne » du même principe…

On mesure la température de la lave en comparant sa couleur avec celle du filament d’une ampoule électrique

Entrons dans le vif du sujet !

Sciences physiques, les lois des corps noirs

Ce qu’on appelle un corps noir en physique, c’est un corps, un objet, une matière qui absorbe toute la lumière qu’il reçoit. Cela signifie qu’il ne reflète ni ne diffuse aucune lumière.

Partant de ce principe, on cherche à savoir ce que devient la lumière absorbée, eh oui, rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transformeLa lumière reçue, la chaleur (énergie des agitations de molécules) se transforment en un rayonnement de lumière.

Et ce qui est génial, c’est que ce rayonnement ne dépend pas de la matière, de l’objet. Il ne dépend QUE de la température !

Alors il suffit de « capter » la lumière émise et de la « traduire » en température.

Ceci répond aussi à la question « Dis, maitresse, comment on sait que le soleil fait 6000°C ? » Eh oui, comment on sait que le soleil qui est à 150 millions de km, dans le vide, qu’on a jamais approché (jusqu’à récemment, et encore malgré l’exploit, on est encore très loin de la surface, mais j’en reparlerai) fait 5505°C (la science aime la précision et les ordres de grandeur, selon le contexte). Pas possible de lui planter un thermomètre non plus…

Le soleil est un corps noir presque idéal. Mais pour revenir à la lave, là aussi nous avons un bon corps noir.

Vous pouvez expliquer la relation température <-> couleur de lumière en évoquant un four électrique, grille pain… : à froid, la résistance est noire puis quand le four chauffe il passe au rouge puis à l’orange. La température fait émettre une couleur du rouge vers l’orange.

Spectre couleur / température
Spectre couleur / température par Bhutajata sur Wikipédia

On a ici une correspondance entre la couleur et la température. On connait la température d’un filament en fonction du courant qui le traverse, donc sa couleur que l’on compare à la couleur de la lave. Il suffit d’augmenter ou diminuer le courant dans l’ampoule jusqu’à avoir la même couleur que la lave et d’en déduire la température.

Pyroscope

L’appareil utilisé est un pyroscope,

C’est une lunette à l’intérieur de laquelle se trouve l’ampoule. Ce système a longtemps été utilisé mais il été remplacé par des caméras thermiques. La caméra identifie la couleur de la lave et donne sa température. Il y a de nombreux avantages : on peut cartographier les zones chaudes et identifier le coulées actives sous la roche : Le sol est noir solide mais en dessous la lave coule en chauffant le sol. Cette chaleur est invisible, en dessous du rouge mais visible par la caméra thermique qui voit les infra-rouges, la lumière en dessous du rouge.

Caméra thermique

La caméra thermique

Comme vous pouvez le voir sur cette image, la caméra reproduit les variations de chaleur souvent en bleu foncé le froid et en jaune/blanc le chaud. On peut les utiliser sur des basses températures comme dans la vie courante pour voir l’isolation des maisons (identifier les fuites de chaleur), prendre la température de personnes (caméras utilisées dans les aéroports pour éviter la propagation de maladies qui donnent la fièvre), dans les incendies pour voir les points chauds, les victimes cachées par la fumée…

Un thermomètre médical est souvent une cellule infra-rouge, une sorte de mini capteur de caméra qui ne mesure qu’un seul point.

Pour les volcans, les caméras doivent voir depuis les basses températures jusqu’à environ 1500°C (Un glacier sous lequel se trouve un volcan en éruption).

Et pour le drone, c’est ici qu’il intervient. Pas pour plonger dans la lave mais en étant équipé d’une caméra thermique. C’est cool, la science…

Coulée de lave Pahoehoe sur le Kilauea prise en caméra thermique

Une coulée pahoehoe est une coulée de lave fluide et chaude. Elle forme des roches de basalte en forme de coussins ou de « cordes ». On les appelle aussi les laves cordées. Ce mot vient du polynésien car les volcans d’Hawaii sont très actifs et les peuples vivants sur ces îles ont tout un vocabulaire pour les décrire, mots repris ensuite par les scientifiques.

Sur cette magnifique photo prise le 23/11/2019, vous pouvez remarquer :

Coulée de lave au Kilauea
  • l’échelle des couleurs à droite avec la température mini (18,8°C) et maxi (863,8°C) – alors que sur l’exemple précédent, nous étions sur du 20,9°C à 36°C avec les mêmes couleurs. L’échelle s’adapte à la prise de vue et l’image; elle est en « fausses couleurs » c’est à dire corrigées par rapport à la vue humaine pour une lecture plus facile.
  • la petite croix Sp1 au centre-gauche qui est l’endroit du pointeur. La valeur précise de ce point est donnée en haut à gauche Sp1 = 539,5°C
  • le dégradé de couleurs jaune-orangé de la coulée qui montre comment elle se refroidit, solidifie en surface puis que la lave chaude refait surface à l’extrémité. Comme un gros coulis de caramel fondant pourrait le faire.
Bouche éruptive du Piton de la Fournaise

Bouche éruptive du Piton de la Fournaise sur l’île de La Réunion

Photo en fausses couleur prise par caméra thermique le 29 juillet 2019.

On a une échelle avec l’indication de températures mini, maxi et une graduation des températures intermédiaires. Pratique pour une estimation rapide.

Vu les projections de lave, je suppose qu’il était plus sage de rester à distance. Je vois mal comment on aurait pu planter un thermomètre dans la zone jaune…

Merci caméra thermique.

Bouche éruptive et coulée de lave

Bouche éruptive et coulées vues par hélicoptère

Photo thermique du Piton de la Fournaise prise le 23 novembre 2019.

Grace à l’hélicoptère, la vue est plus large, avec un point de vue en surplomb.

Ce qui permet de cartographier les zones chaudes, les bouches éruptives et les coulées de lave.

Le pointeur est le carré au centre. Il y fait très chaud !

Le partage des savoirs

Je fais un petit aparté pour vous dire que ces photographies sont issues de missions scientifiques de terrain. Je trouve très intéressant pour vous d’y avoir accès.

Les volcans travaillent l’imaginaire de vos élèves-enfants, ils fascinent nos chérubins. C’est un sujet assez facile à vulgariser : on a un public et le sujet peut s’illustrer. J’ai l’humble vocation de monter d’un cran en vous proposant du « direct-recherche ». Mettre en lien le monde de la recherche et votre public.

Alors merci Oryaëlle pour ce partage, ce temps de relecture. J’espère être à la hauteur de ma mission…

L’autre méthode pour mesurer la température de la lave

Quoi ? Il y a une autre méthode ? Pas dans la liste par contre…

Eh si ! On utilise un thermomètre avec une sonde de température au bout d’une longue perche. Il s’appelle thermomètre à thermocouple, ou simplement thermocouple, et mesure le courant qui passe dans la sonde plongée dans la lave puis le traduit en température. Ici, une équipe du Laboratoire Magmas et Volcans en pleine mesure d’une coulée de lave du volcan Kilauea à Hawaii. Ce volcan émet une lave très fluide qui forme des coulées accessibles avec un équipement assez simple. C’est un des endroits où l’homme peut s’approcher aussi près de la lave.

Prise de température par thermocouple
Vous avez reconnu Oryaëlle ? C’est elle qui prend la température…

Les mesures par caméra thermique sont des mesures de surface, ici on plonge le thermomètre dans la masse de lave et ça permet d’avoir une température plus interne de la coulée.

Basalte en microscopie

Encore une autre méthode :

Alors là ! Il se moque de nous ! Et il va dire que c’est dans sa liste…

En fait, oui ! Plus exactement je vais vous parler d’une méthode indirecte. L’analyse des roches en laboratoire.

On sait assez bien faire fondre la lave. Ce n’est pas très compliqué.

Plus une lave refroidit lentement, plus elle forme de gros cristaux. Laissons la parole à une experte :

Un moyen qu’on utilise souvent en laboratoire c’est de fondre puis refroidir et cristalliser la roche jusqu’à atteindre la même quantité de cristaux que celle de la roche collectée (que l’on connait grâce a une analyse au microscope). Donc on peut très bien établir la relation entre la composition chimique des cristaux et de la lave et la température.

Lorsqu’on retrouve la temperature à partir de la chimie d’une roche on appelle ça un geothermomètre chimique.

Les cristaux se forment à des températures bien connue mais aussi à des pressions, on parle alors de geothermobaromètre.

Donc en analysant la chimie d’une roche on peut remonter à sa temperature lors de l’éruption. C’est une méthode très utilisée mais pas directe.

Oryaëlle Chevrel du Laboratoire Magmas et Volcans, Université Clermont Auvergne

Cette méthode est utilisée lorsque les mesures sur le terrain sont trop difficiles ou pour étudier des coulées anciennes. Ainsi, avec les échantillons de laves refroidies, laves d’anciens volcans (comme dans notre chouette Auvergne) on peut quand même avoir une idée précise des conditions de formation de ces roches.

Et puis une dernière méthode pour la route :

Sur les volcans plutôt explosifs, il existe encore une méthode de surveillance qui permet d’estimer la température, surtout l’évolution de température de l’édifice volcanique. Cette méthode consiste à faire des prélèvements de gaz tout autour du volcan, d’en mesurer la composition, l’acidité, la température, la quantité… Ce sont des signes externes de ce qui se passe dans le volcan. Combinée à l’étude sismologique (on capte les tremblements de terre autour du volcan), cette méthode permet de prévoir de plus en plus précisément ce qui se passe à l’intérieur du volcan (remontée du magma, période de calme, risque d’éruption…) Ces données sont très utiles à la sécurité des populations qui vivent autour du volcan. Donc on peut estimer la température par des mesures indirectes et en modélisant le volcan.

C’est sur, on est loin du thermomètre planté dans la lave, mais c’est utile. Il existe certainement d’autres méthodes expérimentales qui deviendront peut-être classiques si elles font preuve de fiabilité.

Résumé

Nous avons vu que pour prendre la température, il y a 3 principales méthodes :

L’utilisation de la lumière émise par la lave – anciennement par un pyroscope, lunette pourvue d’une ampoule dont on fait varier la couleur pour l’ajuster à celle de la lave, l’intensité du courant électrique est traduite en température – de façon moderne avec des caméras thermiques qui traduisent la lumière émise (y compris infra-rouge) en couleurs de température. Un pointeur donne la température exacte de ce que l’on vise. Mesure possible de loin, en hélicoptère ou en drone et même par satellite. Permet de cartographier les températures.

La mesure par thermomètre spécial – adapté aux contraintes de roches en fusion. Une sonde est placée au bout d’une perche et l’appareil mesure le passage de courant dans la sonde et le traduit en température. C’est le thermocouple. Adapté aux coulées de lave calmes et accessibles à pied.

L’analyse des cristaux dans la lave, comparée à celle de roches fondues en laboratoire qui permet de reproduire les conditions de la formation, donc la température initiale.

Un point de théorie abordé :

La théorie des corps noirs qui nous dit que l’énergie captée par un objet se transforme en chaleur (augmentation de l’agitation des atomes et molécules). Cette chaleur émet un rayonnement en lumière et ne dépend de rien d’autre. En captant la lumière émise, on connait donc la température du corps. Ceci est valable y compris pour des températures basses dont la lumière n’est pas visible par nos yeux mais est captée par des caméras en infra-rouge. C’est ce principe qui permet de connaitre la température des étoiles, de la lave, de notre propre fièvre…

Sources

Je remercie le Laboratoire Magmas et Volcan de l’Université Clermont Auvergne pour son autorisation à publier leurs photos, pour la source d’informations que constitue son site et particulièrement Oryaëlle Chevrel, Volcanologue, Chargée de Recherche à l’Institut de Recherche et Développement, pour avoir accepté la relecture de mon article avec un oeil d’expert.

Flynn, L.P., Mouginis-Mark, P.J. Temperature of an active lava channel from spectral measurements, Kilauea Volcano, Hawaii. Bull Volcanol 56, 297–301 (1994). https://doi.org/10.1007/BF00302082

J. L. Meyzonnette, Radiométrie et détection optique, Collection de la Société Française d’Optique, 3 (1992) 3-92DOI: https://doi.org/10.1051/sfo/1992013

Helz, R. T., & Thornber, C. R. (1987). Geothermometry of Kilauea Iki lava lake, Hawaii. Bulletin of Volcanology49(5), 651‑668. https://doi.org/10.1007/BF01080357

Images :

  1. GIF Wikipédia sur https://fr.wikipedia.org/wiki/temperature
  2. 4. 5. 6. 7. et 10. Pixabay, images libres de droits
  3. Image extraite de la vidéo https://www.youtube.com/watch?v=BAdFvTo9874&feature=youtu.be – en fair-use

8. Spectre de couleur sur https://fr.wikipedia.org/wiki/temperature_de_couleur

9. Pyroscope sur https://educatorpages.com/site/socialstudies6/pages/40956

11. 12. 13. Images thermiques. O. Chevrel, LMV UCA, OVPF-IPGP

14. Prise de température sur https://lmv.uca.fr/campagne-hawai-2016/

15. Basalte en microscopie. F. Labaune – www.macromicrophoto.fr/petrography/index.html

Qu’avez-vous appris ?

Le point méthodologie :

Lorsque des scientifiques veulent faire connaître leurs travaux, ils publient un article dans une revue spécialisée.

Cette revue est chargée de faire relire l’article par d’autres experts du domaine qui valident la méthode utilisée dans les travaux. On parle de relecture par les pairs.

En faisant relire mes articles, je souhaite vous sensibiliser à la méthode scientifique. Je ne suis pas expert sur les sujets que je vous propose mais passeur de savoirs. Les véritables experts sont mes relecteurs. Ils m’évitent de dire des choses fausses et sont au fait de l’actualité dans leur domaine.

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