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Jeudi 21 septembre 2000
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American Association for the Advancement of Science
Les cardons font des bulles et brouillent les sonars, décrit une étude de la revue Science
Entre les vagues, la pluie et ces mammifères marins bavards, les petits fonds océaniques sont des endroits assourdissants. Les colonies de cardons (types de crevettes) sont de loin les plus bruyantes ; leur cacophonie est un fléau pour les initiatives militaires et scientifiques qui tentent de << percer >> les eaux océanes au moyen du sonar. Dans le numéro du 22 septembre de la revue internationale Science, une équipe de chercheurs dévoile l'astuce étonnante que cache le fracas émis par ces créatures.
Le cardon est muni d'une pince normale et d'une forte pince à détente pouvant atteindre jusqu'à la moitié de sa taille, ce qui lui donne l'apparence de porter un gant de boxe beaucoup trop grand. Cette pince reste en position de détente jusqu'à ce qu'un muscle rétracteur se contracte résultant en la fermeture de la pince en une fraction de seconde.
Le cardon utilise sa détente brusque pour assommer sa proie, défendre son territoire et communiquer avec d'autres crevettes. Les colonies que forment ces crevettes sont généralement d'une telle densité qu'elles génèrent un fond sonore crépitant constant semblable à celui de brindilles sèches qui brûlent.
Jusqu'à une époque récente, les chercheurs croyaient que l'origine de ces crépitations reposait sur le claquement des deux branches de la pince. Mais une équipe de savants et de biologistes vient de découvrir que le bruit provient en réalité de l'implosion de petites bulles générées par le mouvement de fermeture de la pince.
Ce processus, appelé cavitation, se produit lorsque des objets se déplacent rapidement au sein d'un liquide en mouvement. Il est surtout connu pour endommager les hélices et les pompes de bateaux, car l'énergie libérée par ces implosions minuscules provoque l'érosion et la fatigue des surfaces en métal.
L'idée selon laquelle le phénomène de cavitation est à l'origine du claquement émis par les crevettes a vu le jour à l'occasion d'une conférence organisée à Munich au cours de laquelle Detlef Lohse, de l'université de Twente aux Pays Bas, fit un exposé sur la sonoluminescence, un processus par lequel un liquide émet de la lumière lorsqu'il est soumis à des vibrations sonores. La biologiste Barbara Schmitz de Technische Universität Munchen en Allemagne, fit remarquer à Lohse qu'en observant des enregistrements vidéo à grande vitesse dans son laboratoire, elle avait aperçu des bulles à proximité des pinces des cardons.
<< Lorsque j'ai entendu dire qu'il y avait des bulles autour des pinces, cela m'a rempli d'excitation car je savais que l'implosion des bulles produirait un son >>, raconte Lohse.
Lorsque la branche mobile de la pince à détente se referme, un piston en forme de dent pénètre dans une cavité dans l'autre branche de la pince. Ce mouvement a pour effet d'expulser un jet d'eau hors de cette cavité. Schmitz et Lohse, en association avec ses collègues de l'université de Twente, Michel Versluis et Anna von der Heydt, décidèrent de vérifier ce qui se passait ensuite.
Utilisant le laboratoire d'étude des crevettes de Schmitz, la biologiste et Versluis attachèrent sept crevettes sur une plate forme à l'intérieur d'un aquarium. Après avoir installé une caméra ultra rapide (40 000 plans à la seconde) et un hydrophone pour enregistrer les bruits de claquement, les chercheurs utilisèrent un pinceau pour exciter les pinces à détente des crevettes afin de provoquer leur fermeture.
Les photographies montrent la formation de bulles entre les deux branches de la pince à détente, puis l'expulsion de ces bulles ainsi que le jet d'eau. Les enregistrements de sons indiquent que le bruit de claquement se produit lorsque la bulle crève, bien après la fermeture de la pince elle-même.
Lohse et ses collègues émirent l'hypothèse que le bruit de claquement provenait des bulles formées par cavitation. Pour montrer comment la cavitation pouvait se produire dans cette situation, les chercheurs simulèrent le processus en utilisant un modèle numérique.
Lorsqu'un liquide se déplace au-delà d'une certaine vitesse, la pression à l'intérieur du liquide a tendance à diminuer. Ce phénomène, appelé le principe de Bernoulli, se produit dans divers types d'environnements, qu'il s'agisse d'un courant fluvial ou de l'écoulement d'un liquide à l'intérieur d'une canalisation. La baisse de pression entraîne la formation de petites bulles d'air à l'intérieur de ces liquides en mouvement. L'augmentation de la pression provoque l'implosion de ces bulles.
D'après Lohse, c'est au tout début du XXe siècle qu'une description mathématique de ce processus fit son apparition. En 1916, désorientée par les dommages occasionnés par les bulles de cavitation à leurs navires, la British Royal Navy demanda à Lord Rayleigh de résoudre la question. Bien que Rayleigh n'ait trouvé aucune solution au problème, déclare Lohse, le chercheur mit au point un ensemble d'équations utiles pour décrire la croissance et l'implosion des bulles.
Les chercheurs utilisèrent des variations de ces équations dans leurs modèles. Leurs simulations obtinrent des résultats très semblables à ceux obtenus dans l'aquarium avec la caméra et l'hydrophone.
Les chercheurs de Science pensent que l'implosion des bulles génère une onde de choc qui a pour effet d'assommer les petites proies, telles que les crabes, les vers, les goujons de mer ou d'autres crevettes, lorsqu'elles se trouvent à quelques millimètres du prédateur. Mais lorsque les cardons sont loin de leurs proies, l'implosion des bulles ne présente aucun danger pour celles-ci.
<< Ces crustacés utilisent l'effet de cavitation qui s'est avéré si dangereux pour les hélices des bateaux. Et ici, ils utilisent ce principe pour assommer leurs proies >>, déclare Lohse.
D'après Lohse, ces résultats pourraient présenter un intérêt particulier pour les chercheurs maritimes, car les bruits de claquement émis par les crevettes sont la source principale du bruit de fond régnant dans les petits fonds océaniques. Ce bruit gêne considérablement les travaux de détection d'objets immergés des sonars. En fait, déclare Lohse, l'étude acoustique portant sur les cardons a débuté au cours de la deuxième guerre mondiale car le bruit assourdissant généré par ces petites créatures rendait la détection des sous-marins ennemis extrêmement difficile.
Le financement de cette étude a été assuré par Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie et Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Un article connexe rédigé par Katherine Brown sera publié le mercredi 19 septembre.
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