Vendredi 27 décembre 2019 à 16:26

Astronomie, univers

'   Nous avons vu il y a une semaine, quelques données techniques préalables à des explications sur le champ magnétique terrestre. Nous avons vu en particulier ce qu’était l’effet dynamo.
    Dans un article du 20 mai 2015, j’avais expliqué la structure de la Terre et j’avais dit qu’elle avait en son centre un noyau interne solide essentiellement métallique (alliage de fer et de nickel principalement, en proportions environ 80 %-20 %) et constitué par cristallisation progressive du noyau externe. La pression de 3,5 millions de bars, le maintient dans un état solide malgré une température supérieure à 6000 °C et une densité d’environ 13.
    Le noyau externe est liquide. Il est essentiellement composé de fer à 80-85 %, d'environ 10-12 % d'un élément léger non encore déterminé parmi le soufre, l'oxygène et le silicium, et enfin de l'ordre de 5 % de nickel. Sa viscosité est estimée à de 1 à 100 fois celle de l’eau, sa température moyenne atteint 4000 °C et sa densité 10.
    Ce métal en fusion est animé de mouvements de convection, essentiellement de nature thermique , qui interagissent avec les mouvements de la planète, (rotation quotidienne principalement, à plus longue échelle de temps, précession du globe terrestre). Le fer liquide profond est plus chaud et moins dense que celui plus près du manteau terrestre, et la poussée d’Archimède entraîne le fer liquide chaud vers le haut et celui moins chaud vers le bas.
    De plus au contact du noyau solide, le fer cristallise, ce qui entraine une modification de la composition du noyau liquide et des éléments légers, plus nombreux remontent en augmentant les phénomènes de convection.
    La rotation de la Terre joue un rôle et notamment la pseudo-force de Coriolis (voir mes explications du 15 août 2019 sur cette force), qui s’oppose à toute variation de vitesse selon l’axe de rotation de la planète, et organise le fluide en colonnes tourbillonnantes parallèles à cet axe. (voir le schéma ci-dessous). Ces colonnes auraient un diamètre d’une trentaine de km (le noyau ayant un diamètre de plusieurs milliers de km).
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    On a donc un système qui peut comporter un effet dynamo et où les mouvements du liquide conducteur sont suffisants pour empêcher une décroissance des courants électriques, mais on ne sait pas quel a été l’élément initial de deéclenchement de l’instabilité.
    Les physiciens et les mathématiciens ont réussi à modéliser ces phénomènes, grâce à un système de 3 équations, la première décrivant le mouvement du liquide, la seconde décrit la formation du champ magnétique et les effets de l’induction et la troisème régit les transferts thermiques;
    En fait on ne sait pas résoudre ces équations par simulation numérique (c’est à dire par approximations successives), car les dimensions des divers paramètres sont extrêmement différentes, et ce malgré des simplifications afin de faciliter la résolution.
    Par contre Emmanuel Dormy,et ses collègues de l'Ecole Normale Supérieure de Paris ont réussi à modéliser les inversions du champ magnétique terrestre : une lent décroissance, suivi d’une période cahotique, puis d’une brusque inversion de la polarité et un rétablissement rapide de l’intensité du champ. (mais sur des millions et milliers d’années).
    A notre échelle de temps, le pôle nord magnétique (celui ou l’aiguille de la boussole est orientée vers le centre de la terre) varie de 55km par an, et se déplace autour du pôle géographique (l’axe de rotation de la Terre. (Voir figure ci dessous).
Le pôle sud magnétique est plus calme et ne se déplace que de 10 km par an.
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    Il n’y a pas de crainte à avoir quant à une inversion de polarité du champ magnétique terrestre avant des centaines de milliers d’années, la période d’inversion où le champ est variable et faible, induisant des modifications très importantes du fonctionnement de tous les appareils électromagnétiques..

Mercredi 25 décembre 2019 à 8:58

Divers

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JOYEUX NOËL  à tous mes

LECTRICES ET LECTEURS

Vendredi 20 décembre 2019 à 13:41

Astronomie, univers

      J’ai longtemps utilisé une boussole, quand j’allais me promener dans la nature, et j’en ai une dans ma voiture et lorsque je pilotais un avion, j’avais un « compas » à coté des aides radio à la navigation.
    Je pense que mes petits enfants ne connaîtront plus ces instruments, car le GPS plus précis et plus automatisé les a remplacés.
    Néanmoins, le champ magnétique terrestre reste une réalité, mais peu de gens savent à quoi il est dû.
    Cela a longtemps été une énigme et cela pose encore de nombreux problèmes aux physiciens et mathématiciens..

    Les premières expériences sur le champ magnétique terrestre sont attribuées à l’astronome Willam Gilbert, vers 1600, qui cherchait à comprendre l’alignement des boussoles et pensait que la Terre renfermait en son sein un immense aimant et il avait conçu un petit aimant sphérique qu’il appela « petite Terre », et la boussole que l’on approchait pointait vers le pôle nord de sa « Terrella » et s’inclinait légèrement vers le centre comme dans la réalité. 
    La boussole était beaucoup plus ancienne, car au 4ème siècle avant notre ère, les Chinois utilisaient un « indicateur astral » pour se repérer. C’était une cuillère en magnétite (un oxyde de fer à aimantation permanent) dont la queue pointait vers le sud. L’usage de boussoles pour la navigation s’est propagé en Europe vers 1190.

    Mais vers 1634, Henry Gellibrant, astronome à Londres, montra que l’angle entre le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique (la »déclinaison), qui était de 6 degré en 1622, était passé à 4,1 deg. et que cette évolution n’était pas possible avec un simple dipôle.
    L’augmentation de l’intensité du champ magnétique terrestre avec la latitude avait été établie dès la fin du XVIIIème siècle par De Rossel lors de l’expédition d’Entrecasteaux (1791-1794), à bord de la Recherche et de l’Espérance, et peut-être déjà par Robert de Paul, chevalier de Lamanon, lors de l’expédition malheureuse de La Pérouse (1785-1788), à bord de la Boussole et de l’Astrolabe.
    La première carte de l’intensité du champ magnétique terrestre fut publiée en 1825 par Christopher Hansteen

    La première représentation du champ magnétique terrestre sous forme mathématique fut proposée par Karl Friedrich Gauss en 1838. Son modèle, calculé à partir des valeurs de déclinaison, d’inclinaison et d’intensité extraites des cartes magnétiques alors disponibles, est remarquablement performant et proche des modèles actuels. Le modèle de Gauss confirme la nature dipolaire et géocentrique du champ magnétique terrestre qui, en première approximation, peut être assimilé à celui d’un aimant placé au centre de la Terre suivant une direction faisant un angle de 11°30’ avec l’axe de rotation de la Terre. Le modèle montre également que la partie principale du champ, soit plus de 90%, provient de sources situées à l’intérieur du globe terrestre.
    Le modèle simplifié permet de calculer de façon précise la position sur le globe de pôles géographique (l’axe de la terre)  et géomagnétique, mais ne permet pas de connaître la position des pôles magnétiques vrais Nord et Sud, c’est-à-dire les coordonnées des points pour lesquels l’inclinaison est verticale et la déclinaison indéterminée.
    Gauss a fait des mesures précises du champ en se servant de l’analogie avec un pendule dans le champ de gravité terrestre qui oscille avec une période T = 2π √ l/g  ou l est la longueur du pendule et g la valeur du champ de gravité -vous avez dû faire cette manipulation en terminale !. Il a montré que lorsqu’on écarte une boussole de sa position d’équilibre, elle oscille de la même façon avec une période qui ne dépend que du champ local.

    En 1895, Pierre Curie montra qu’au delà d’une température de quelques centaines de degrés (dite température de Curie), les matériaux ferromagnétiques perdent leur magnétisme, en raison de l’agitation thermique. La température augment de façon très importante lorsqu’on pénètre dans la Terre et l’hypothèse d’un définitivement écartée.
    Les physiciens Orsted et Ampère avaient montré en 1820 la relation entre courants électriques et champ magnétique, et Ampère proposa l’hypothèse d’un courant électrique se propageant dans la Terre perpendiculairement au méridien magnétique.   
Mais l’origine en restait inconnue et par ailleurs, ce courant non entretenu se dissiperait, en raison de la résistivité, en quelques milliers d’années.
    Or certaines coulées volcaniques contiennent des éléments ferromagnétiques, qui s’alignent dans le champ magnétique terrestre du moment, et ils montrent que le champ magnétique terrestre existe depuis plusieurs milliards d’années.
    De plus, en 1906, le géophysicien Bernard Brunhes a découvert grâce à ces fossiles, que le champ magnétique terrestre s’était inversé au cours des époques très lointaines, la dernière inversion remontant à 773 000 ans.
    Depuis ce phénomène a été étudié et le schéma ci-dessous montre les dates de cette évolution (en millions d’années avant notre ère. Les périodes d’inversion correspondaient à une décroissance plus rapide de la déclinaison , l’inversion mettant quelques milliers d’années à se produire.
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Numeriser-copie-2.jpg    Le phénomène de production du champ magnétique est donc très complexe et en 1919 le physicien Joseph Larmor, de l’université de Cambridge proposa un mécanisme où une partie de l’énergie mécanique d’un fluide conducteur et convertie en courant électrique et en champ magnétique, sans qu’aucun aimant ne soit nécessaire pour initier ce phénomène, qui repose sur une instabilité. C’est ce que l’on appelle « l’effet dynamo » que je vais expliquer.

    Dans une dynamo de vélo la roue fait tourner un aimant permanent dans un bobinage, ce qui crée un courant électrique. de même si l’on fait tourner un disque dans le champ d’un aimant, ou si on remplace l’aimant par un bobinage parcouru par un courant (voir schéma ci-dessous).
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    Le courant produit dans le bobinage interne produit lui même un champ et si le bobinage externe est dans le bon sens, le courant qui le parcourt va augmenter, lequel augmentera le champ induit….. On a ainsi une auto-augmentation des champs et des courants : c’est l’effet dynamo.
    Pour amorcer le phénomène, il suffit d’une petite instabilité électrique ou magnétique si petite soit elle, car elle est très fortement amplifiée; C’est une instabilité.
    Un autre exemple d’instabilité est l’effet « Larsen » bien connu. Quand un micro et un haut parleur sont branchés sur un amplificateur, et que ke gain de celui-ci est trop important, il suffit du moindre petit bruit (une instabilité) pour provoquer l’équivalent de l’effet dynamo, et un son strident dans le haut parleur, que l’on ne peut arrêter qu’en diminuant le gain de l’amplificateur.   
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Numeriser5.jpg    En 2006, Von Karman, à Cadarache a montré en pratique cet effet dynamo en faisant tourner du sodium fondu, contenu dans un cylindre et brassé aux deux extrémités par deux disques munis de pales tournant en sens inverse (voir figure).
    Un champ magnétique est apparu et, en faisant tourner les disques à des vitesses différentes, on a réussi à créer une inversion progressive du champ magnétique.   

    Vous avez maintenant les éléments théoriques pour comprendre ce qui se passe sous nos pieds, au centre de la Terre et qui explique le magnétisme terrestre..
    Demain je décrirai l’application de l’effet dynamo au centre de la terre dans un noyau constitué à 80% de fer liquide à haute pression et haute température.

Vendredi 13 décembre 2019 à 15:58

Biologie, santé.

    J’ai lu un article assez étonnant sur  le numéro d’avril 2019 du magazine « Pour la Science » : les neurobiologistes explorent les faisceaux nerveux du cerveau grâce au virus de la rage.
 Sur le moment cela m’a inquiété car le virus de la rage s’attaque justement aux neurones du cerveau.

    Voyons d’abord ce qu’est ce virus de la rage, cher à Pasteur.
    C’est un virus très malin, qui a fait d’énorme ravage au &çème siècle, car il transforme un petit chien en une bête féroce qui mord et transmet le virus contenu dans sa salive, lequel colonise peu à peu les neurones et au bout d’un à trois mois d’incubation est mortel à 100%.
    Heureusement il y a eu Pasteur et son sérum et son vaccin et aujourd’hui il n’y a plus dans le monde, chaque année, qu’environ 60 000 décès dus à ce virus, au lieu de plusieurs millions.
    Ce virus a des capacités assez extraordinaires. La morsure permet aux virus de pénétrer dans les tissus musculaires de l’animal mordu, et de là, le virus va remonter tout le trajet nerveux, neurone après neurone, en leurrant le défenses immunitaires de façon très astucieuse.
    Le virus est une petite capsule (une capside), contenant un brin d'ARN, qui contient son matériel génétique, et sa capside est recouverte de protéines particulières : des glycoprotéines. Elles vont permettre au virus de pénétrer dans un neurone qui commande la contraction des muscles.
    Si vous avez lu mes articles vous savez que les axones des neurones sont liés aux dendrites des neurones suivants par des synapses pourvues de récepteurs chimiques et que des neurotransmetteurs libérés par l’influx nerveux arrivant sur l’axone, vont se fixer sur des récepteur de la paroi liée à la dendrite et provoquer une dépolarisation électrique qui va ainsi transmettre l’influx nerveux au neurone suivant.
Le flux nerveux descend ainsi jusqu’aux neurones situés dans les muscles et en commande la contraction.
    Le virus de la rage va remonter cette chaîne de transmission, à contre-courant, jusqu’au cerveau.
    Pour cela il va entrer dans la synapse, ses glycoprotéines vont lui permettre de simuler un neurotransmetteur et de pénétrer dans la terminaison nerveuse de l’axone, par la « porte de sortie » de l’influx nerveux. Il remonte ensuite l’axone, jusqu’au neurone.
    Une fois dans le corps du neurone, le virus va se déshabiller de ses glycoprotéines, libérer son ARN et il va se servir du matériel et de l’énergie (l’ATP) du neurone pour se répliquer et faire des copies de son ARN, et également des diverses protéines du virus.
    Les virus habituels font alors de très nombreuses copies d’eux-mêmes, c’est l’infection, mais cela fait mourir la cellule hôte et alerte les défenses immunitaires.
    Le virus de la rage est plus malin; Il va limiter sa reproduction, de telle sorte que le neurone ne meurt pas et les défenses immunitaires sont leurrées.
    Puis tous les virus produits vont remonter les diverses dendrites du neurone et gagner des neurones pus amonts dans le circuit neuronal.  Ainsi les virus remontent peu à peu la chaine, via la moelle épinière, en se multipliant à chaque étape, mais sans dommage apparent, et enfin, ils arrivent très nombreux dans le cerveau, sans que l’alerte ait été donnée et ils continuent à se multiplier dans les neurones du cerveau.. Mais cela a pris du temps plus d’un mois, d’où ce long délai d’incubation avant que la maladie ne se déclare.
    C’est pourquoi, dès qu’on est mordu, il ne faut pas attendre, et consulter pour des analyses, faites en général sur la victime et sur la bête si possible; le cerveau de celle-ci est infecté et chose exceptionnelle, cela la rend hargneuse et désireuse de mordre, car le virus permet ainsi une meilleure transmission à d’autres de son ARN.
    Le schéma ci-dessous résume tout ce périple.

http://lancien.cowblog.fr/images/Santebiologie2/Numeriser2-copie-1.jpg    Comment se servir de ce virus pour mieux connaître les faisceaux nerveux, notamment du cerveau.?
Pour le moment ce n’est que sur animaux et on ne va évidemment pas prendre un virus pathogène, mais on va le modifier génétiquement, avant de l’injecter dans le cerveau des animaux de laboratoire.


    Les chercheurs vont donc le reconfigurer pour pouvoir suivre son trajet, sans qu’il soit nocif.
    Ils remplacent d’abord le gêne qui entraine la production des glycoprotéines par un gêne fluorescent : Le virus garde donc son ARN, mais les cellules infectées deviendront fluorescentes. Ils vont ensuite redonner des glycoprotéines modifiées au virus, pour qu’il puisse entrer dans un neurone, mais ne puisse pas en sortir pour en infecter un deuxième.
Ainsi traité le virus lorsqu’il est entré dans un neurone peut se reproduire, mais ne sait pas reproduire ses glycoprotéines et donc ne peut rentrer dans le neurone suivant.
    Mais on risquait de détruire trop de neurone lors de l’injection. Les chercheurs ont extrait une protéine du virus de la grippe aviaire, qui empéchait le virus de pénétrer dans les neurones qui n’avaient pas un récepteur particulier sur les synapse et neurones des souris en étaient dépourvues.
    Ils ont ensuite introduit ce récepteur uniquement dans quelques groupes de neurones particuliers et le virus de la rage modifié n’a pu entrer que dans ce groupe restreint de neurones ayant reçu ce récepteur
    L’étude décrit les processus détaillés de modifications génétique; Je vous en fait grâce car c’est assez difficile et un peu lassant à lire
    Mais après ces modifications complexes; les chercheurs peuvent suivre pas à pas la  progression du virus depuis le groupe de neurones spécifiques où l’on a introduit les récepteurs particuliers.
    Les chercheurs ont ainsi commencé à étudier les circuits des neurones moteurs qui commandent nos muscles et d’autres ont étudieé les circuits d’interprétation de la vue.
    Bien sûr cette technique est limitée à des animaux (essentiellement des souris), mais elle permet une analyse beaucoup plus fine que la RMN, qui ne permet de détecter qu’un grand nombre de neurones.

Vendredi 6 décembre 2019 à 15:01

Notre cerveau; nos sens; système nerveux

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    J’avais déjà  fait des articles sur la reconnaissance des visages par notre cerveau . J’ai lu cet été, dans la revue « Pour la Science » d’août, un compte rendu de recherche de Doris Tsao, chercheur à l’Institut médical Howard Hughes en Californie, qui précise et complète les données que j’avais déjà essayé d’expliquer.
   
    Madame Tsao et ses collaborateur essaie de définir le rôle des neurones chargés de la définition des visages, si ils travaillent de la même façon ou différemment pour des visages inconnus et pour des familiers, et s’ils ont aussi un rôle pour la reconnaissance d’autres objets.
    Les essais sur l’homme se limitent à des essais visuels et d’IRM et pour pouvoir mieux comprendre, les études ont lieu sur des singes, les mécanismes cérébraux de la vue étant assez voisins chez le singe et chez l’homme.
    Les descriptions qui vont suivre concernent donc la reconnaissance faciale chez le singe.

http://lancien.cowblog.fr/images/Cerveau3/Numeriser1-copie-1.jpg    Six zones ont été identifiées dans les cortex temporaux inférieurs droit et gauche, qui sont spécialisées dans la reconnaissance faciale et qui ne s’activent que lorsque l’objet à identifier est un visage, ou un objet qui peut être pris pour un visage (image, dessin, silhouette). Elles ne s’activent pas lors de la vision d’autres objets.
    On a longtemps cru que certains neurones étaient spécifiques de certains visages, voire de visage familiers. Il n’en n’est rien. Ces centres réagissent exactement de la même façon quelque soit le visage vu : ils en font une analyse dont le résultat est ensuite transmis à la mémoire (via l’hippocampe et le cortex endorhinal voisins situés sous ces centres dans le cerveau émotionnel.
    Ces centres font une analyse progressive des visages, un peu comme une chaîne de montage photographique.
    Des neurones différents des zones médianes et médianes-latérales s’activent lorsque le visage est vu de face, de profil droite ou gauche, et de biais de droite ou de gauche ou s’il regarde vers le bas ou vers le haut.
    Les zones intermédiaires font ensuite une analyse des caractéristiques des visages. Les chercheurs ont défini à priori 50 paramètres caractérisant la forme, les dimensions, les aspects de divers visages. La forme est définie principalement par le squelette sous-jacent; les aspects sont liés à la texture, les couleurs, (teint, yeux, cheveux), les contrastes dûs aux dimensions du nez, des yeux, de la bouche.
    Ils ont définis les visages correspondant à chaque case de la matrice des 25 données de forme et 25 données d’aspect.
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    Pour connaitre ensuite la réponse des cellules, ils ont attribué des coefficients de pondération à définir, correspondant aux réponses des neurones à ces 50 paramètres et ils ont expérimenté les réponses (des pics d’activité neuronale), à l’examen de chacun de 2000 visages, (dont on connaissait les 50 caractéristiques), ce qui a permis de calculer ces coefficients de pondération.
    Ils ont alors montré un 2001ème visage et relevé les signaux neuronaux, à partir desquels ils ont calculé les 50 paramètres de ce visage. Ils correspondaient parfaitement au visage montré, la restitution en image ne permettant pas de faire la différence.
    Cette expérience a montré comment les cellules neuronales identifiaient les visages, même si les paramètres qu’elles utilisaient étaient un peu différents de ceux élaborés par les chercheurs.
    Enfin la zone médiane antérieure rassemble toutes les informations concernant le visage vu : c’est le bout de la chaîne de traitement.
    Ce traitement est effectué sur tout visage connu ou pas; les informations sont ensuite transmises aux zones de la mémoire, qui diront s’il s’agit d’un visage connu et qui.

    Ces mêmes zones n’ont pas réagi lorsque l’on montrait des objets différents de visages.

    L’extrapolation à l’homme de ces essais sur le singe n’est pas évidente : alors que l’homme est capable de reconnaitre des milliers de visages, le singe est très en dessous de cette performance et a besoin d’un long apprentissage pour reconnaitre des visages.
Il y a 30 millions d’années d’évolution entre le macaque et l’homme qui possède environ 16 fois plus de neurones.
    Il semble que le singe ne possède pas la zone se trouvant chez l’homme en zone occipitale, près des centres d’interprétation de la vue et qui reconnait objets, visages et lettres. L’hémisphère droit de l’homme et aussi plus performant quant aux images.
    En fait le singe n’a besoin que de détecter l’orientation des visages, savoir ce que regarde son congénère et interpréter quelques grimaces.
    L’homme a des capacités de reconnaissances beaucoup plus grandes (il peut reconnaître quelqu’un dans une caricature). Il peut en partie interpréter des émotions ou des pensées d’autrui par la vue de son visage.
    Les études sous IRM sont pour le moment trop imprécises pour permettre une étude détaillée et on ne dispose que des observations sur des personnes ayant des maladies cérébrales qui perturbent leur perception des objets et des visages.

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sortir de la tristesse

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