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La science et les technologies russes au jour le jour

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Horloges atomiques miniatures / Trou d'ozone et glace de l'Antarctique / Comment les bélougas hibernent sous les glaces

Une nouvelle génération d'horloges atomiques miniatures

 

Des chercheurs russes travaillent à l'élaboration d'horloges atomiques miniatures, lesquelles sont de plus en plus demandées pour satisfaire les besoins de nombreuses applications, rapporte le site nkj.ru.

Le Laboratoire des standards de fréquence de l'Institut de physique de l'Académie des sciences russe (FIAN) a élaboré un discriminateur quantique miniature, qui constitue en quelque sorte le coeur d'une nouvelle génération d'horloges atomiques, à la fois très stables et peu volumineuses.

En dépit du faible volume de leur discriminateur quantique (moins de 10 centimètres cubes), ces horloges atomiques seront si précises qu'elles n'accuseront en 24 heures qu'un écart d'un millionième de seconde.

L'instabilité relative d'un des standards atomiques de fréquence et de temps les plus précis au monde (les fontaines de césium) est de 10 puissance moins 16. Ces horloges donnent la mesure du temps dans les laboratoires métrologiques nationaux. Les horloges ayant une instabilité moindre (10 puissance moins 13) assurent une mesure du temps précise dans les systèmes satellitaires de navigation GPS ou GLONASS.

Toutefois, pour la plupart des applications sur une grande échelle, on peut se satisfaire d'une moins bonne stabilité. Par exemple, les générateurs à quartz de précision qui sont fabriqués aujourd'hui ont une imprécision relative de leur fréquence de l'ordre de 10 puissance moins 9 ou 10 puissance moins 10 par 24 heures. Les traditionnels standards utilisant le rubidium, d'un volume de 1.000  centimètres cubes et d'un poids de plusieurs kilogrammes, ont une imprécision de la fréquence de sortie de 10 puissance moins 12.

Les collaborateurs du FIAN, conjointement avec leurs collègues théoriciens de l'Institut de physique du laser de la Section sibérienne de l'Académie des sciences russe, travaillent à la création d'une nouvelle génération d'horloges atomiques, ayant une imprécision relative de 10 puissance moins 11. Le "balancier" de l'horloge en cours d'élaboration est constitué par un atome de césium, dans lequel l'orientation réciproque des éléments du noyau et de l'électron change environ 10 milliards de fois par seconde. Cette horloge est prévue pour être massivement utilisée. Elle remplacera les générateurs à quartz de précision. En les devançant, au moins, d'un ordre de grandeur pour la stabilité à long terme, tout en ayant une taille et une consommation énergétique moindres. Le volume de cette horloge ne devrait pas dépasser les 50 centimètres cubes, et la puissance nécessaire pour sa consommation, 0,3 watt.

La taille des standards atomiques de fréquence et de temps de la précédente génération était dépendante de la longueur d'onde du champ de résonance hyperfréquence interagissant avec le milieu atomique. C'est pourquoi l'on considérait jusqu'à une époque récente comme impossible de créer un appareil ayant des mesures caractéristiques inférieures à quelques centimètres. Bien que dès les années 70 du siècle dernier eût été découvert ce que l'on appelle le piégeage cohérent de population (CPT) et qu'eurent été élaborés des lasers à diode miniatures, c'est seulement aujourd'hui que l'on est parvenu à surmonter les contraintes liées à la taille. "Désormais, à la place du sondage de résonance métrologique des atomes par un champ optique et hyperfréquence, on utilise deux champs optiques, et la nécessité d'avoir un énorme résonateur hyperfréquence a disparu, explique Vitali Vassiliev, du Laboratoire des standards de fréquence. C'est cela qui a ouvert la voie à la miniaturisation."

A la place des lampes à décharge gazeuse on utilise, pour l'excitation optique, des lasers miniatures, ce qui permet, sans perte de performance, de diminuer de plusieurs dizaines de fois la taille des standards atomiques d'une imprécision relative de 10 puissance moins 11, et d'abaisser leur consommation énergétique et leur coût. Cela permettra d'insérer des horloges atomiques dans des installations portatives.

Des chercheurs de nombreux pays - Etats-Unis, France, Chine, Israël, Canada, Suisse - travaillent sur ces horloges atomiques de faibles dimensions. "Nous accusons pour l'instant un retard sur les Etats-Unis dans la technologie de fabrication des horloges atomiques. C'est la raison pour laquelle nous concentrons actuellement l'essentiel de nos efforts dans cette direction. Pour ce qui est de la physique de l'effet, nos travaux se situent au niveau mondial", commente Vladimir Velitchanski, du Laboratoire des normes de fréquence.

Tout en oeuvrant à l'élaboration d'un schéma électronique compact, les chercheurs du FIAN travaillent sur de nouvelles technologies de création des principaux éléments du discriminant et à la réduction de son volume. Les travaux de R&D devraient être achevés en 2012. Après quoi une compagnie russe engagera, sur le territoire national, l'organisation de la production d'horloges atomiques précises et peu volumineuses. On s'attend que ces appareils accessibles, produits en série, augmentent considérablement la rapidité de fonctionnement des installations de navigation utilisées par les consommateurs, et que soient développées des liaisons à large bande dépourvues de perturbations, ainsi que de nouvelles méthodes de détection, et bien d'autres technologies encore.

 

Le trou d'ozone préserve  la couche de glace de l'Antarctique

 

Le trou d'ozone au-dessus de l'Antarctique, accusé de tous les maux, contribuerait cependant, localement, à préserver la couverture de glace de cette région, rapporte le site inauka.ru.

La situation est paradoxale: dans le contexte d'un réchauffement climatique global, la quantité de glace sur les rives de l'Antarctique augmente. Cela s'explique par l'influence du trou d'ozone situé à proximité du Pôle Sud, a indiqué Alexandre Klepikov, de l'Institut de recherche arctique et antarctique, lors de la conférence "Etudes marines des régions polaires terrestres durant l'Année polaire internationale".

"En 30 ans d'observations, ce qui ressort des données satellitaires, c'est une augmentation des glaces de plus de 4% dans l'Océan austral qui entoure l'Antarctique, a noté Alexandre Klepikov. Dans le même temps, la quantité de glace dérivante n'a cessé de baisser au Pôle Nord: en 2007-2008 a été fixé le minimum historique de glace arctique de toute l'histoire des observations. Alors même que l'on enregistrait au Pôle Sud des processus contraires.

Selon ce chercheur, l'augmentation de la quantité de glace n'a pas été la même dans toutes les régions du littoral antarctique, la progression la plus importante de la surface de glace ayant été observée dans la mer de Ross, dans la partie occidentale du secteur Pacifique de l'Antarctique. Dans le même temps, on a observé dans la région de la mer de Bellingshausen une tendance opposée: une baisse de la surface de la couverture glaciaire.

Ce scientifique russe a cité une étude menée par des chercheurs britanniques qui, à l'aide de simulations mathématiques et d'une analyse des données météorologiques, ont montré qu'une tendance à l'augmentation de la glace pouvait être liée à ce que l'on appelle l'anomalie ozonale dans la région du Pôle Sud. La baisse de la concentration d'ozone au-dessus du Pôle Sud conduit à un refroidissement des couches supérieures de l'atmosphère et, au final, à un renforcement du tourbillon circumpolaire - les vents soufflant le long du littoral de l'Antarctique. Ces vents protègent l'Antarctique de l'action de l'air environnant, plus chaud.

C'est ce mécanisme, selon Alexandre Klepikov, qui explique en partie la destruction anormalement rapide du glacier Larsen, sur le plateau continental: les vents, qui se sont renforcés, ont pu franchir les sommets de la péninsule antarctique et apporter au final, de l'air chaud à ce glacier.

 

Comment les bélougas hibernent sous les glaces 

 

Les scientifiques s'emploient à recueillir de plus en plus d'informations sur les bélougas, et notamment leurs lieux d'hibernation dans les mers nordiques.

Les bélougas, qui sont des baleines blanches, passent très bien l'hiver sous les glaces des mers nordiques. C'est dans le but d'éclaircir ces comportements et d'en tirer des enseignements qu'a été menée une nouvelle expédition complexe dans la région de la mer Blanche. Elle était organisée par l'Institut des problèmes de l'écologie et de l'évolution (IPEE) Severtsov de l'Académie des sciences russe. Cette expédition constituait le prolongement des recherches entreprises l'an dernier concernant la répartition, le nombre et la migration saisonnière des baleines blanches dans les mers russes.

Les bélougas, explique Dmitri Glazov, directeur adjoint du Programme "Bélougas-Baleines blanches", vivent dans les eaux froides de l'hémisphère Nord: mer Blanche, mer de Barents, mer de Kara, mer de Sibérie orientale, mer de la Tchoukotka, mer de Béring et mer des Laptev. Une population isolée vit en mer d'Okhotsk. Ils ne font pas partie des espèces rares, mais leur niveau de bien-être sert d'indicateur de la situation écologique dans les écosystèmes marins arctiques, car leur chaîne alimentaire se trouve au sommet de la pyramide trophique.

Les bélougas se nourrissent de saumon, de hareng, de cabillaud et autres variétés de poissons qui se nourrissent, à leur tour, de phyto- et zooplancton. Par conséquent, en étudiant des échantillons de sang, de graisse et de peau des bélougas, il est possible de dire quelles substances nocives s'accumulent dans le phyto- et le zooplancton. Ces études sont devenues indispensables dans le contexte des changements climatiques et de la conquête de l'Arctique qui prend de plus en plus d'ampleur.

Au cours de la dernière expédition organisée dans le cadre du programme "Bélougas-Baleines blanches", les zoologues ont procédé à un comptage des bélougas de la mer Blanche. Ils ont utilisé, pour ce faire, un avion de ligne traditionnel, un L-410, transformé par les scientifiques en avion-laboratoire, avec une grande réserve de temps de vol. A son bord avait été installé un équipement spécial pour réaliser des photos et des vidéos aériennes, un radiomètre infra-rouge, un détecteur laser optique et un système automatique de bord pour la collecte des informations.

Ces études ont montré que les bélougas ne quittent pas la mer Blanche l'hiver: ils demeurent dans des plans d'eau recouverts à 80 ou 90% de glace. Les biologistes de l'IPEE avaient pour la première fois constaté ce comportement en mars 2008, à l'occasion d'un comptage des phoques du Groenland. Aujourd'hui, lors de cette expédition spéciale, ont été mis en évidence les lieux de concentration des baleines blanches durant la période de couverture glaciaire maximale de la mer Blanche. Il s'agit des eaux du golfe de Kandalakcha et de la baie d'Onega, dans la région des îles Solovetski.

"Les études saisonnières sont nécessaires pour comprendre l'écologie d'une espèce, poursuit Dmitri Glazov. Il est important de savoir quels sont les groupes d'individus de baleines blanches qui restent dans les plans d'eau de la mer Blanche et des autres mers septentrionales, tant pendant la période de reproduction que pendant celle des migrations hivernales; et également sur quelles distances se font ces migrations, comment elles sont liées à la température de l'eau, à la situation glaciaire, à la présence de telle ou telle espèce de poisson. La large zone d'habitation du bélouga témoigne de sa bonne adaptation aux températures basses, au déplacement sous la glace, à la vie dans des eaux peu profondes et à des profondeurs jusqu'à 400 mètres.

"Par ailleurs, ces mammifères marins trouvent facilement des failles et des éclaircies entre les glaces pour venir respirer. Ils profitent également, pour ce faire, de bulles qui se créent dans la glace. Ces crevasses et bulles se forment régulièrement dans la mer Blanche, même en présence d'une couverture glaciaire des plus importantes (de l'ordre de 80 à 90%), car les courants des marées y sont très marqués et l'on rencontre des variations considérables du niveau de la mer dans certaines régions."

La baleine blanche n'est pas une espèce dont la pêche est interdite. On en prélève quelque 1.500 individus par an. La pêche des bélougas doit reposer sur des données scientifiques afin que leur population n'en souffre pas. Au début de l'expédition, les scientifiques ont visuellement observé 237 individus. Des chiffres plus précis sur la population de ces mammifères marins ne pourront être fournis qu'après un traitement mathématique complet. Ces données seront présentées lors de la VIème Conférence internationale "Mammifères marins de l'Holarctique", qui aura lieu en octobre prochain.

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