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Comment le dioxyde de carbone emprisonne-t-il la chaleur ?

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Comment le dioxyde de carbone emprisonne-t-il la chaleur ?

Le dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre piègent la chaleur, c’est quelque chose que les scientifiques savent depuis plus de 150 ans. Le concept de base derrière Changement climatique Assez simple pour que les écoliers puissent reproduire la chimie et la physique, et vous aussi.

Pourquoi et comment cela se produit est un peu plus compliqué.

Note de l’éditeur : cette histoire fait partie d’une série en cours qui répond à certaines questions fondamentales sur le changement climatique, la science qui le sous-tend, les effets du réchauffement de la planète et la façon dont le monde y fait face.

comme un fichier serre chaleur ou pièges couverture pour vous garder au chaudLe dioxyde de carbone, le méthane et d’autres gaz – appelés gaz à effet de serre – emprisonnent la chaleur du soleil qui, autrement, rebondirait dans l’espace. Une couverture ou une serre ne sont pas des analogies parfaites, mais elles donnent le bon sens de ce qui se passe, a déclaré Michael Mann, climatologue à l’Université de Pennsylvanie.

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sans le Effet de serreEt le la terre sera gelée, Les scientifiques ont dit. L’effet de serre, naturel mais ensuite dopé par la pollution au carbone, est responsable des conditions qui rendent possible la vie sur Terre.

Mais il peut y avoir beaucoup de bonnes choses. Les scientifiques citent l’effet de réchauffement climatique incontrôlable sur Vénus comme exemple. En fait, le précédent sommet James Hansen, climatologue de la NASA, Souvent appelé le parrain du réchauffement climatique, il étudiait initialement ce qui se passait sur Vénus avant qu’elle ne devienne sa planète d’origine et avertissait méticuleusement les gens qu’une version plus petite pourrait se produire ici.

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La chaleur provient du soleil à travers l’atmosphère et Puis il rebondit comme l’infrarouge, une longueur d’onde différente de celle indiquée. Si vous placez votre main sur un rocher sombre par une chaude journée ensoleillée, vous pourrez peut-être sentir la chaleur monter du sol. L’effet de serre se produit lorsque cette chaleur tente de s’échapper de la Terre, mais une partie est piégée par divers produits chimiques dans l’atmosphère, tels que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane.

Dans les années 1820, un mathématicien et scientifique français Prix ​​Joseph Fourier Quelque chose maintient la Terre plus chaude qu’un rocher nu dans l’espace : notre atmosphère.

« Notre atmosphère, projetée comme une barrière par les rayons de la Terre, entraîne une augmentation locale de la température à la surface de la Terre », a déclaré un physicien irlandais. John Tyndall a déclaré en 1862, Identification de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone comme gaz à effet de serre naturels piégeant la chaleur. puis dans 1896 chimiste suédois Svante Arrhenius Il est allé plus loin et a calculé que les changements dans le dioxyde de carbone pourraient affecter le climat.

de nombreux Salle de classe Même la cuisine de la maison expériences Cela peut être démontré avec deux bouteilles de soda en plastique, du dioxyde de carbone, de l’air, une lampe de poche ou une flamme puissante et un thermomètre. Chauffez une bouteille avec de l’air normal et une autre remplie de dioxyde de carbone de la même manière, mesurez les températures et après un certain temps, le dioxyde de carbone devrait chauffer beaucoup plus.

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Cela est dû à la géométrie, a déclaré Mann, et la rotation et la vibration des particules de carbone bloquent la longueur d’onde infrarouge spécifique de la lumière essayant de s’échapper de la Terre. C’est une longueur d’onde différente de celle de la lumière allant vers le soleil.

Mann a déclaré que les gaz à effet de serre, en particulier le dioxyde de carbone, « correspondent à une sorte de trou » dans le spectre lumineux qui permettrait à la chaleur de s’échapper, mais bloquerait les sorties.

Mais s’il existe des gaz à effet de serre naturels, pourquoi de petits changements dans les niveaux de dioxyde de carbone sont-ils importants ?

Les niveaux de dioxyde de carbone sur Terre sont d’environ 420 parties par million, contre 280 avant la révolution industrielle et le réchauffement de la Terre. 2 degrés (1,1 degrés Celsius) À ce moment-là. Mann suggère une autre expérience à domicile. Prenez un bol d’eau claire. Mettez-y quelques gouttes, disons 0,4% d’eau, d’encre noire.

« Et l’eau devient noire maintenant », a déclaré Mann. « Certains produits chimiques peuvent avoir un effet très fort à de très faibles concentrations. C’est vrai pour le cyanure. C’est pourquoi nous évitons le cyanure à des concentrations plus faibles. Et l’expérience de l’encre détermine vraiment l’effet qu’un petit nombre de molécules très fortes peuvent avoir… et c’est ce qui se passe  » par ici « .

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Pratique de l’équipe Lava World Away : l’équipe scientifique VERITAS de la NASA étudie l’Islande volcanique

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Pratique de l’équipe Lava World Away : l’équipe scientifique VERITAS de la NASA étudie l’Islande volcanique

Un exemple de données radar aéroportées du DLR montre un changement d’altitude de plusieurs dizaines de mètres autour du volcan volcaniquement actif Litli-Hrútur causé par la formation de nouvelles roches. Le rouge indique la plus grande quantité de changement ; Bleu, au moins. Crédits : DLR

Avec sa pression atmosphérique écrasante, ses nuages ​​d’acide sulfurique et sa température de surface torride, Vénus est un endroit particulièrement difficile à étudier. Mais les scientifiques savent que l’observation de sa surface peut fournir des informations clés sur l’habitabilité et l’évolution de planètes rocheuses comme la nôtre. Ainsi, pour avoir une perspective globale sur Vénus tout en restant au-dessus de son atmosphère infernale, la mission VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy) de la NASA devrait être lancée d’ici une décennie pour étudier la surface de la planète depuis l’orbite et découvrir des preuves. . À propos de sa nature intérieure.

Pour jeter les bases de la mission, les membres internationaux Vérité, honnêteté L’équipe scientifique s’est rendue en Islande pour une expédition de deux semaines en août afin d’utiliser l’île volcanique comme substitut ou analogue de Vénus. Les emplacements sur notre planète sont souvent utilisés comme analogies avec d’autres planètes, notamment pour aider à mettre en place des technologies et des technologies destinées à des environnements peu attractifs.

« L’Islande est un pays volcanique situé au sommet d’un panache chaud. Vénus est une planète volcanique et possède de nombreuses preuves géologiques de panaches actifs », a déclaré Susan Smrekar, chercheuse scientifique principale au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et chercheuse principale au sein du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Veritas. « Cela fait de l’Islande un excellent endroit pour étudier Vénus sur Terre, aidant ainsi l’équipe scientifique à se préparer pour Vénus. »

La mission Veritas s’appuiera sur un radar avancé à synthèse d’ouverture pour créer des cartes globales 3D et une spectroscopie proche infrarouge afin de distinguer les principaux types de roches à la surface de Vénus. Mais pour mieux comprendre ce que le radar du vaisseau spatial verra sur la planète, l’équipe scientifique de Veritas devra comparer les observations radar du terrain islandais depuis les airs avec les mesures prises au sol.

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De l’air au sol

Au cours de la première moitié de la campagne, l’équipe scientifique de Veritas a étudié les gisements volcaniques d’Askja et Champ de lave d’Holohraun Dans les hautes terres islandaises, zone active caractérisée par de petits rochers et de jeunes coulées de lave. En seconde période, ils se sont rendus à l’activité volcanique Région de Fagradalsfjall Sur la péninsule de Reykjanes, au sud-ouest de l’Islande. Le paysage aride et rocheux ressemble à la surface de Vénus, qui aurait été rajeunie par des volcans actifs.

Dix-neuf scientifiques des États-Unis, d’Allemagne, d’Italie et d’Islande ont campé et travaillé de longues heures pour étudier la rugosité de la surface et d’autres propriétés des roches dans ces régions, ainsi que pour collecter des échantillons de laboratoire. Pendant ce temps, des vols dirigés par le Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ou DLR) collectaient des données radar d’en haut.

Les membres de l’équipe scientifique VERITAS descendent une falaise sur une nouvelle roche formée par une récente coulée de lave lors de leur expédition sur le terrain en Islande début août. L’équipe a utilisé le paysage volcanique comme analogue de Vénus pour tester les techniques et la technologie radar. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

« L’équipe scientifique dirigée par le JPL travaillait sur le terrain pendant que nos partenaires du Centre aérospatial allemand survolaient les lieux pour collecter des images radar aériennes des sites que nous étudiions », a déclaré Daniel Nunes, scientifique adjoint du projet Veritas au JPL et responsable de l’Islande. planification de campagne. « La luminosité radar d’une surface est liée aux propriétés de cette surface, notamment sa texture, sa rugosité et sa teneur en eau. Nous avons collecté des informations sur le terrain pour vérifier les données radar que nous utiliserons pour informer la science sur ce que VERITAS fera sur Vénus. « 

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Alors qu’il pilotait un avion Dornier 228-212 du Centre aérospatial allemand (DLR) à une altitude d’environ 20 000 pieds (6 000 m) au-dessus du sol, un radar à synthèse d’ouverture en bande S (ondes radio d’une longueur d’onde d’environ 12 centimètres, ou 4,7 pouces) collectés) et la plage X (environ 3 centimètres (ou 1,2 pouces)) des données. La longueur d’onde plus courte des données en bande X – la fréquence radio utilisée par VERITAS – permet l’utilisation d’une antenne plus compacte que la bande S, utilisée par la mission Magellan de la NASA pour cartographier la quasi-totalité de la surface de Vénus au début des années 1990.

En observant la surface dans les deux chaînes d’Islande, l’équipe scientifique améliorera les algorithmes informatiques qui aideront Veritas à déterminer les changements de surface sur Vénus survenus depuis la mission Magellan. La détection des changements survenus au cours des 40 dernières années leur permettra d’identifier les principales zones d’activité géologique (telles que les volcans actifs) sur Vénus.

Les membres de l’équipe scientifique internationale VERITAS se préparent à imager des roches en Islande avec LIDAR (Light Detection and Ranging). Les mesures LiDAR de terrains rocheux peuvent fournir des informations sur le matériau. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

L’objectif principal de la campagne était également de créer une bibliothèque de modèles d’autant de tissus volcaniques de surface en Islande que possible afin de mieux comprendre l’éventail des modèles d’éruption sur Vénus. Une équipe de terrain du Centre aérospatial allemand (DLR) a également collecté des informations sur la composition à l’aide d’une caméra simulant l’instrument Venus Emission Mapper (VEM) que le DLR est en train de construire pour VERITAS. Ces données soutiendront la bibliothèque spectrale en cours de construction au Laboratoire de spectroscopie planétaire de Berlin.

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« Les diverses caractéristiques et caractéristiques de la surface observées sur Vénus sont liées aux processus volcaniques, qui sont liés à l’intérieur de Vénus », a déclaré Smrekar. « Ces données seront précieuses pour VERITAS pour nous aider à mieux comprendre Vénus. Elles aideront également la mission EnVision de l’ESA, qui étudiera la surface de Vénus à l’aide d’un radar en bande S, ainsi que la communauté dans son ensemble qui souhaite comprendre les observations radar des planètes volcaniques. surfaces. »

Mais Nunes a déclaré que la valeur de la campagne islandaise de deux semaines allait au-delà de la science, offrant une opportunité de consolidation d’équipe qui trouvera un écho dans les années à venir. « C’était une belle dynamique », a-t-il ajouté. « Nous avons travaillé dur et nous nous sommes entraidés, qu’il s’agisse d’emprunter du matériel, de nous rendre sur les sites d’étude ou d’acheter des fournitures, tout le monde s’est mobilisé pour y parvenir.

À l’aide d’un scanner lidar monté sur un trépied, l’équipe scientifique a créé cette image qui met en évidence la texture rocheuse de nouvelles roches formées à partir d’une récente coulée de lave près du volcan Litli-Hrútur en Islande. Ceci sera utilisé pour comparer avec les images radar aéroportées de la même zone. Source : NASA/JPL-Caltech

En savoir plus sur la mission

La mission VERITAS et la mission 2021 Deep Venus Atmospheric Investigation of Noble Gases, Chemistry, and Imaging (DAVINCI) de la NASA dans le cadre du programme d’exploration de la NASA ont été sélectionnées comme les deux prochaines missions de l’agence vers Vénus. Les partenaires de VERITAS comprennent Lockheed Martin Space, l’Agence spatiale italienne, le DLR et le Centre national d’études spatiales en France. Le programme Discovery est géré par le bureau du programme des missions planétaires du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, pour la division des sciences planétaires de la direction des missions scientifiques de la NASA à Washington.

Astrobiologie

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Les singularités des trous noirs défient la physique De nouvelles recherches pourraient enfin s’en débarrasser.

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Les singularités des trous noirs défient la physique De nouvelles recherches pourraient enfin s’en débarrasser.

trous noirs Ils font partie des objets les plus mystérieux de l’univers, capables de déformer si violemment le tissu spatial qui les entoure que même la lumière ne peut échapper à leur emprise gravitationnelle. Mais il s’avère qu’une grande partie de ce que les scientifiques savent de ces objets mystérieux est peut-être erronée.

Selon une nouvelle étude publiée en avril dans la revue Examen physique dLes trous noirs peuvent en réalité être des entités célestes totalement différentes, appelées gravistars.

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Une enzyme végétale moderne s’associe à une protéine étonnamment ancienne

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Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du ministère américain de l’Énergie ont découvert que la protéine responsable de la synthèse d’une substance végétale clé a évolué beaucoup plus tôt que prévu. Cette nouvelle recherche a exploré l’origine et l’évolution de la machinerie biochimique qui produit la lignine, un composant structurel des parois cellulaires végétales qui a des implications majeures pour l’industrie de l’énergie propre.

Lorsque les premières plantes terrestres ont émergé des milieux aquatiques, elles ont dû s’adapter pour survivre.

« L’émergence de la lignine, qui fournit un support structurel aux plantes, a été un événement évolutif clé qui a permis aux plantes de survivre dans le nouvel environnement terrestre », a déclaré Zhang Jun Liu, scientifique principal au département de biologie de Brookhaven.

Comprendre comment les plantes développent des mécanismes de protection qui leur permettent de survivre dans de nouveaux environnements est essentiel alors qu’elles font face aux défis posés aujourd’hui par le changement climatique. Mais la lignine présente également un grand intérêt pour les chercheurs à la recherche d’options énergétiques propres. Cette matière végétale résistante peut être transformée en bioproduits précieux. La lignine est la seule source renouvelable de composés aromatiques, chimiquement similaires aux molécules présentes dans le carburéacteur conventionnel et pouvant être utilisée comme carburant « direct » par les compagnies aériennes.

« Les plantes modernes contiennent trois types de lignine, mais la plupart des premières plantes contenant de la lignine n’en avaient que deux. La lignine « la plus récente » est appelée syringyl-lignine, ou S-lignine », a expliqué Liu. La lignine a évolué relativement récemment avec les plantes à fleurs et est structurellement moins complexe que les autres composants de la lignine. Ses applications industrielles potentielles, en particulier, ont attiré l’attention des scientifiques car la S-lignine est relativement facile à décomposer en composés aromatiques simples.

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La nouvelle étude a été récemment publiée dans Cellule de plante, s’appuie sur des années de recherche axées sur la lignine et les molécules responsables de sa synthèse. En 2019, Liu et ses collègues ont découvert l’existence d’un type spécifique de cytochrome c B5 La protéine CB5D est indispensable à la production de S-lignine, mais pas à d’autres types anciens de lignine.

« Le caractère unique du rôle du CB5D dans la synthèse de la S-lignine a suscité notre intérêt », a noté Liu. « Par conséquent, nous avons été inspirés pour explorer davantage son origine et son évolution. »

Travail d’équipe enzymatique

Dans une étude précédente, l’équipe de Liu a découvert que CB5D avait un partenariat spécial avec une enzyme appelée ferulate 5-hydroxylase (F5H). Ensemble, ces molécules synthétisent la précieuse S-lignine.

Les scientifiques savaient que l’évolution du F5H dans les plantes à fleurs conduisait à la production de S-lignine. Par conséquent, ils s’attendaient à constater que CB5D co-évoluait avec F5H.

Pour explorer leur hypothèse, les scientifiques ont effectué des analyses génétiques pour trouver d’autres espèces végétales dont l’ADN contient des gènes similaires aux gènes modernes. CB5D Le gène, qui sert d’instructions pour l’assemblage de la protéine CB5D. Ils ont identifié 21 espèces, allant de l’ancienne à l’évolution moderne. Les scientifiques ont ensuite synthétisé ces gènes et les ont exprimés individuellement dans des espèces végétales modernes qui avaient été génétiquement modifiées pour en manquer… CB5D Le gène.

« Sans le CB5D « La plante ne produit qu’une petite quantité de S-lignine », a déclaré Xianhai Zhao, chercheur postdoctoral à Brookhaven et auteur principal du nouvel article. « Mais si cette fonction est restaurée avec l’expression de l’un des gènes apparentés, alors nous savons que les gènes fonctionnent de manière similaire aux gènes modernes. CB5D « Le gène. »

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Les scientifiques ont découvert qu’un gène provenant d’une espèce d’algue verte qui a évolué pour devenir une première plante terrestre il y a plus de 500 millions d’années a recréé la lignine S dans la plante moderne. Cela suggère que le gène présente une fonction de type CB5D. Les scientifiques ont également découvert que cette fonction restait conservée dans de nombreuses premières plantes terrestres, telles que les hépatiques et les mousses.

« Cela signifie que le CB5D a évolué des millions d’années plus tôt que prévu », a expliqué Liu. « Il a été très surprenant de constater qu’un accepteur d’électrons moderne tel que F5H s’est associé à une protéine ancienne pour développer un nouveau mécanisme biochimique qui assemble la structure avancée de la lignine. »

Travail d’équipe scientifique et prochaines étapes

le CB5DLe gène et son homologue plus ancien ont des séquences et des fonctions d’ADN similaires. Mais les scientifiques voulaient confirmer que la protéine CB5D d’espèces anciennes, comme l’hépatique, était exprimée dans les mêmes structures subcellulaires que la CB5D moderne.

Ainsi, ils ont utilisé la microscopie confocale au Center for Functional Nanomaterials, un établissement utilisateur du DOE Office of Science du Brookhaven Laboratory, pour confirmer que c’était le cas.

Après avoir découvert d’anciens gènes codant pour des protéines similaires à la protéine CB5D moderne en termes de synthèse de la S-lignine dans les plantes modernes et de localisation cellulaire, l’équipe a voulu en savoir plus sur la fonction ancienne de cette protéine et sur la façon dont elle a changé ou s’est développée au fil du temps.

Leur analyse a montré que la protéine de type CB5D est apparue dans les algues aquatiques avant qu’elles ne pénètrent dans l’environnement terrestre. Parce qu’elle est conservée dans les premières plantes terrestres, cette protéine remplit probablement une ou plusieurs fonctions essentielles.

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« Les plantes anciennes comme l’hépatique ne contenaient pas de lignine », a déclaré Zhao. « Si la protéine CB5D n’était pas responsable de la production de la S-lignine, que faisait-elle ? »

« C’est la beauté de la recherche », a déclaré Liu. « Répondre à une question mène à des questions plus intéressantes qui attendent d’être explorées. »

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