Définition :
La force de Coriolis est une force qui agit sur n'importe quel corps mobile dans un système tournant indépendamment. L'application la mieux connue de la force de Coriolis est pour le mouvement ou l'écoulement d'air à travers la Terre. L'effet est nommé d’après le physicien français Gaspard de Coriolis (1792-1843), qui a analysé le premier  le phénomène mathématiquement.
La Terre tourne autour de son axe de l'ouest vers l'est, une fois toutes les 24 heures. En conséquence, un objet se déplaçant au-dessus de la Terre dans la direction générale du nord ou du sud, et avec une vitesse constante relative à l'espace, sera dévié par rapport à la rotation de la Terre. Cette déviation va dans le sens d'une montre, ou vers la droite, dans l'hémisphère Nord et en sens inverse des aiguilles d'une montre, ou vers la gauche, dans l'hémisphère Sud.
Explication :
Quand un manège tourne même très lentement, il est impossible de parvenir au centre en marchant selon une ligne droite absolue: le mouvement de rotation du manège ajoute à notre déplacement un mouvement latéral, qui est facile à observer par une personne située hors du plateau.
Les vents autour de la Terre sont détournés par une force analogue.
Les forces découlant de la rotation de la Terre ont pour effet que l'air ne peut pas se déplacer en ligne droite d'une zone de pression élevée à une zone où la pression est basse. Dans l'hémisphère Nord, l'air est détourné vers la droite, alors que, dans l'hémisphère Sud, il est détourné vers la gauche.
La zone des conflits permanents, celle dans laquelle se produisent ces luttes toujours renouvelées entre les masses d'air tropicale et polaire, se situe entre les tropiques et le cercle polaire de chaque hémisphère. La ligne de rencontre se nomme front polaire.
L'air mobile subit une déviation apparente de sa route, comme vu par un observateur sur la Terre. Cette déviation apparente est le résultat de la force de Coriolis. La quantité de déviation que fait l'air est directement liée à la vitesse à laquelle l'air se déplace et sa latitude. Par conséquent, des vents soufflants lentement seront déviés seulement un peu, alors que des vents plus forts seront déviés beaucoup plus. De même, des vents soufflant près des pôles seront déviés plus que des vents à la même vitesse plus près de l'Équateur. La force de Coriolis est le juste zéro à l'Équateur.
La force de Coriolis agit seulement sur de grands objets comme des masses d'air se déplaçant sur des distances considérables.
Nous pouvons voir chaque jour, une manifestation de la force de Coriolis quand nous vidons notre bain , l’eau s’évacue en formant un tourbillon qui tourne dans le sens horaire dans l’hémisphère nord.
À une échelle plus grande, les avions ont tendance à dévier de leur trajectoire vers la droite et doivent corriger leur direction constamment. Les trains en direction nord-sud ont une légère tendance à "sortir" de leur rail vers la droite. Dans la nature, la force de coriolis a pour effet d'accentuer l'érosion des cours d'eau sur le côté droit.

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Le 17 mars, une équipe internationale de chercheurs a annoncé avoir détecté des ondes gravitationnelles. Gros plan sur ces déformations de l’espace-temps, prédites par Einstein et porteuses d'informations précieuses sur les phénomènes les plus violents du cosmos.
Aux lecteurs : cet article a été publié le 6 mars 2014, avant l’annonce de l’équipe internationale qui pense avoir détecté des ondes gravitationnelles à l’aide du radiotélescope Bicep-2, installé en Antarctique.
« La première observation d’une onde gravitationnelle ? Ce sera avant la fin de la décennie. » Benoît Mours, du Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules1, en est persuadé : ces vibrations de la trame de l’espace-temps, prévues il y a un siècle par la théorie de la relativité générale d’Einstein, et dont personne aujourd’hui ne doute de l’existence, sont enfin sur le point d’être découvertes. Certes, les instruments installés au sol qui tentent de détecter ces ondes depuis les années 2000 n’ont rien vu pour le moment. Mais d’importantes améliorations de ces détecteurs sont en cours qui augmenteront énormément leur sensibilité dans les années qui viennent. Les ondes gravitationnelles ne devraient alors plus leur échapper.
Des ondes porteuses de précieuses informations
Produites par des cataclysmes cosmiques dans notre galaxie et au-delà, ces ondes se propagent à travers l’Univers à la vitesse de la lumière. Comme elles interagissent très peu avec la matière, elles nous arrivent presque intactes depuis leur lieu d’émission. S’ils parviennent à les capturer, les astrophysiciens disposeront ainsi d’un moyen unique pour étudier le cosmos et qui leur donnera des informations inaccessibles par les autres méthodes d’observation. Elles pourraient les renseigner aussi sur les tout premiers instants de l’Univers, puisque des ondes gravitationnelles émises par le Big Bang sont, en théorie, toujours perceptibles. Enfin, leur détection constituerait une confirmation supplémentaire des prédictions d’Einstein.
D’après la théorie de la relativité générale, tout objet massif déforme l’espace-temps à son voisinage. Et quand cet objet est accéléré très rapidement, ces déformations se propagent, un peu comme des vagues à la surface de l’eau : ce sont les ondes gravitationnelles. Seuls des événements astrophysiques violents sont capables de créer de telles ondes. Par exemple, lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs tournent l’un autour de l’autre puis fusionnent. Ou encore lorsqu’une étoile massive explose en supernova. En observant ces ondes, les astronomes espèrent ainsi mieux comprendre ces phénomènes sur lesquels ils se cassent aujourd’hui la tête.
Des perturbations très difficiles à mesurer
Mais comment détecter une onde gravitationnelle ? Lorsqu’elle passe entre deux objets, celle-ci modifie la distance qui les sépare. Cet effet est toutefois extrêmement faible : en arrivant sur Terre, l’onde entraîne une distorsion de seulement 1 milliardième du diamètre d’un atome (10–19 mètre) pour une distance de quelques kilomètres ! En 1993, la France et l’Italie se sont lancées dans la construction d’un instrument capable de mesurer des perturbations aussi ténues : l’interféromètre Virgo, installé à Cascina, près de Pise. Dans cette installation de grande taille, un rayon laser est séparé en deux faisceaux. Ceux-ci sont alors dirigés dans deux bras perpendiculaires de 3 kilomètres de long. Chaque faisceau parcourt plusieurs allers-retours en se réfléchissant sur des miroirs. Il finit par sortir et croise l’autre faisceau avec lequel il se recompose. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, les ondes lumineuses se compensent parfaitement et la sortie de l’interféromètre reste obscure. En revanche, si une onde gravitationnelle passe par là, elle raccourcit un bras et allonge l’autre. Les deux faisceaux se recomposent avec un léger déphasage et de la lumière sort de l’interféromètre.
En 2007, Virgo a commencé ses observations. Vu sa sensibilité, l’instrument ne pouvait détecter que des événements particulièrement intenses : des fusions d’astres compacts ou des explosions de supernovæ qui auraient eu lieu dans notre galaxie ou des galaxies proches. « Nous espérions détecter ces événements à raison de quelques-uns par an, confie Benoît Mours, membre de l’équipe scientifique de Virgo. Finalement, ces phénomènes se sont révélés plus rares que prévu et après plusieurs années d’observation, aucune trace d’onde gravitationnelle n’a été repérée. » Même constat du côté de Ligo, l’interféromètre concurrent construit aux États-Unis, qui a commencé à prendre des mesures en  2002.
Pas de quoi décourager les scientifiques pour autant. Les responsables de Virgo, tout comme ceux de Ligo, ont en effet décidé d’installer une version améliorée de leur expérience. Le chantier est en cours et devrait se terminer fin 2015. Baptisé Advanced Virgo, l’interféromètre nouvelle génération aura une sensibilité dix fois plus grande que celle de son prédécesseur, ce qui lui permettra de rechercher des sources dix fois plus lointaines. « Avec Advanced Virgo, on pourra sonder un volume d’Univers mille fois plus grand, se réjouit Benoît Mours. Nous aurons alors de très fortes chances de détecter des ondes gravitationnelles. »
Un projet de mission spatiale baptisé eLisa
Mais les astrophysiciens ne comptent pas s’arrêter là. Ils rêvent en effet d’une mission d’observation spatiale dédiée à ces ondes. Comme dans les interféromètres terrestres, on comparerait les distances parcourues par des faisceaux lasers, mais cette fois ceux-ci voyageraient entre des satellites. L’avantage majeur serait de s’affranchir des perturbations, notamment des vibrations sismiques, qui viennent compliquer les expériences au sol. Une telle mission est en projet depuis plusieurs années à l’Agence spatiale européenne. Baptisée eLisa, elle comprendrait trois satellites distants de 1 million de kilomètres entre lesquels deux faisceaux laser circuleraient en formant un « V ».
En raison de sa taille et parce que les perturbations qui existent sur Terre sont absentes dans l’espace, cette expérience serait sensible à des phénomènes cosmiques mettant en jeu des astres beaucoup plus massifs et beaucoup plus lointains que ceux visés par les détecteurs au sol. Par exemple le rapprochement et la fusion de deux trous noirs supermassifs nichés au centre de galaxies. Et ce n’est pas tout. « Avec cet observatoire spatial, il est même possible qu’on puisse détecter des ondes gravitationnelles produites très peu de temps après le Big Bang, s’enthousiasme Pierre Binétruy, chercheur au laboratoire Astroparticule et cosmologie2 à Paris et responsable scientifique d’eLisa pour la France. On obtiendrait ainsi la photo de l’Univers la plus ancienne jamais réalisée. »

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Paris, 11 décembre 2013

Quand la Terre perdra-t-elle ses océans ?

Sous l'effet de la luminosité naturellement croissante du Soleil - un phénomène très lent sans lien avec le réchauffement climatique actuel -, les températures terrestres devraient augmenter dans les futures centaines de millions d'années. Principale conséquence, l'évaporation complète des océans. Une équipe du Laboratoire de météorologie dynamique1 (CNRS / UPMC / ENS / École polytechnique) a imaginé le premier modèle climatique tridimensionnel permettant de simuler ce phénomène. Il prédit la disparition de l'eau liquide sur Terre dans près d'un milliard d'années repoussant les estimations de plusieurs centaines de millions d'années. Publiés le 12 décembre 2013 dans la revue Nature, ces travaux permettent de mieux appréhender l'évolution de notre planète mais également de déterminer les conditions nécessaires à la présence d'eau liquide sur d'autres planètes similaires à la Terre.
Comme la plupart des étoiles, la luminosité du soleil augmente très lentement au cours de son existence2. On s'attend ainsi, sous l'effet du rayonnement solaire, à un réchauffement du climat terrestre à l'échelle des temps géologiques (de l'ordre de la centaine de millions d'années), indépendant du réchauffement climatique causé par l'homme considéré à l'échelle des décennies. En effet, la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente avec la température des océans (l'eau s'évapore plus vite). Or, la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre qui participe au réchauffement de surface de la Terre. Les scientifiques prévoient donc un emballement du réchauffement climatique sur Terre, provoquant une ébullition des océans et la disparition d'eau liquide en surface. Autre conséquence : l'effet de serre s'emballerait et deviendrait instable, ne permettant plus de conserver sur Terre une température moyenne clémente de 15°C. Ce phénomène pourrait expliquer pourquoi Vénus, un peu plus proche du Soleil que la Terre, s'est autrefois transformée en fournaise. Il permet par ailleurs de comprendre le climat des exoplanètes.

Quand cet emballement pourrait-il intervenir sur Terre ? Il était jusqu'à présent difficile d'évaluer ce moment avec fiabilité. En effet, ce phénomène avait uniquement été étudié à l'aide de modèles d'astrophysique très simplifiés (à une seule dimension) : ceux-ci considéraient la Terre comme uniforme et ne prenaient pas en compte des éléments essentiels comme les saisons ou les nuages (les modèles climatiques utilisés pour prédire le climat des décennies à venir ne sont pas adaptés pour des chaleurs aussi fortes). Certains de ces modèles unidimensionnels avaient prédit que d'ici seulement 150 millions d'années, la Terre commencerait à perdre toute son eau dans l'espace et se transformerait en une nouvelle Vénus.

Une équipe du Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS / UPMC / ENS / École polytechnique) a conçu un modèle climatique tridimensionnel capable de prédire l'évolution de l'environnement terrestre sous l'effet d'une augmentation très forte du flux solaire induisant l'évaporation de l'eau liquide dans l'atmosphère. Selon ce modèle sophistiqué, le basculement devrait se produire lorsque le flux solaire moyen atteindra environ 375W/m2 pour une température de surface de près de 70°C (le flux actuel étant de 341W/m2), soit dans près d'un milliard d'années. Les océans se mettraient alors à bouillir et l'effet de serre augmenterait jusqu'à s'emballer. Ce résultat repousse de plusieurs centaines de millions d'années la vaporisation complète des océans telle qu'elle était prédite précédemment.

Pourquoi une telle différence ? Elle est due à la circulation atmosphérique qui, tout en transportant de la chaleur depuis l'équateur vers les moyennes latitudes, assèche ces régions chaudes et réduit l'effet de serre là où il est le plus susceptible de s'emballer. L'augmentation du flux solaire semble intensifier cette circulation atmosphérique, asséchant davantage les régions sub-tropicales et stabilisant le climat pendant plusieurs centaines de millions d'années avant d'atteindre « le point de non-retour ». Par ailleurs, ces travaux montrent que l'effet « parasol » des nuages, autrement dit leur propension à réfléchir le rayonnement solaire, qui participe au refroidissement du climat actuel, tend à s'atténuer au fil des millions d'années en comparaison de leur effet de serre. L'effet « parasol » des nuages contribuerait donc au réchauffement et à la déstabilisation du climat.

Ces résultats permettent en particulier de préciser la valeur de la zone « habitable » autour du Soleil. Ils indiquent qu'une planète peut s'approcher à moins de 0,95 unité astronomique3 d'une étoile équivalente au Soleil d'aujourd'hui avant de perdre toute son eau liquide, soit 5% de moins que la distance Terre-Soleil.  En outre, ils soulignent une fois encore qu'une planète n'a pas besoin d'être exactement comme la Terre pour posséder des océans. Les chercheurs comptent désormais appliquer ce modèle à des planètes extrasolaires afin de mieux déterminer quel environnement permettrait de maintenir de l'eau liquide.

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Paris, 31 janvier 2014

Des chercheurs réalisent une LED composée d'une seule molécule

La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l'étape ultime : une équipe menée par l'Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l'UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d'une seule molécule. Ce dispositif est formé d'un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d'un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d'être publiés dans Physical Review Letters.
Les diodes électroluminescentes sont des composants qui émettent de la lumière lorsqu'elles sont traversées par un courant électrique et qui ne laissent passer celui-ci que dans un sens. Les LED occupent une place importante dans notre quotidien où elles jouent un rôle d'indicateur lumineux. Elles sont également promises à un bel avenir dans le domaine de l'éclairage où elles conquièrent progressivement le marché. Un avantage majeur des LED est qu'il est possible d'en construire de très petite taille, permettant ainsi l'obtention de sources de lumière ponctuelles. Dans ce cadre, une étape ultime de miniaturisation vient d'être franchie par des chercheurs de l'IPCMS de Strasbourg, en collaboration avec une équipe de l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire (CNRS/UPMC) : la réalisation de  la première LED composée d'une seule molécule !

Pour y parvenir, ils ont utilisé un brin unique de polythiophène. Ce matériau bon conducteur de courant, composé d'hydrogène, de carbone et de soufre, est utilisé dans la fabrication de LED commerciales de plus grande taille. Le brin de polythiophène était fixé d'un côté à la pointe d'un microscope à effet tunnel, et de l'autre à une surface en or. Les expérimentateurs ont alors enregistré la lumière émise lors du passage d'un courant au travers de ce nanofil. Ils ont pu constater que le brin de thiophène se comporte comme une diode électroluminescente : la lumière n'est émise que lorsque les électrons vont de la pointe du microscope vers la surface en or. Lorsque la polarité est inversée, l'émission de lumière est négligeable.

En collaboration avec une équipe théorique du Service de physique de l'état condensé (CNRS-CEA/IRAMIS/SPEC), les chercheurs ont montré que cette lumière est émise lorsqu'une charge négative (un électron) se recombine à une charge positive (un trou) au sein du nanofil et transmet  l'essentiel de son énergie à un photon. Tous les 100 000 électrons injectés dans le brin de thiophène, un photon est émis. La longueur d'onde de ce dernier se trouve dans la gamme du rouge.   

D'un point de vue fondamental, ce dispositif offre aux chercheurs un outil nouveau pour sonder les phénomènes qui se produisent lorsqu'un matériau conducteur émet de la lumière. Ceci, à une échelle où la physique quantique prend le pas sur la physique classique. Il permettra en outre d'optimiser les matériaux afin d'obtenir des émissions lumineuses plus performantes. Enfin, ces travaux constituent un premier pas vers la réalisation de composants de taille moléculaire qui combinent propriétés électroniques et optiques. Des composants similaires pourraient être à la base de l'ordinateur moléculaire.

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