lundi 27 mai 2013

Physique des manchots : gouttes, ondes et comment chiper de la chaleur au froid.

La semaine dernière, dans l'article Molécules, manchots et tension superficielle", j'avais comparé le comportement des molécules dans une goutte à celui d'une bande de manchots regroupés pour se protéger du froid. A la fin de l'article, je tentai un parallèle entre les mouvements circulaires dans une goutte de pluie en train de tomber et un groupe de manchots se déplaçant sous l'effet du vent. Mais ce n'est pas la seule curiosité physique des manchots ; de l'évolution du groupe aux pertes de chaleur en passant par les ondes, voici trois petits points insolites de la physique des manchots.

La dynamique des amas de manchots

Pour se protéger du froid, notamment pendant la longue période de jeûne, les manchots se regroupent en amas compacts. En bordure du groupe, la température peut descendre sous les -45° C et le vent peut souffler jusqu'à 200 km/h, tandis qu'à l'intérieur, la température est positive (20°C en moyenne) et atteint parfois les 37° C. Pour ne pas mourir de froid, les manchots se relaient involontairement en bordure.  Comment les manchots du centre finissent-ils pas se retrouver à l’extérieur alors qu'ils n'en ont pas envie ? La dynamique des regroupements de manchots est gouvernée par l’intérêt individuel mais ce comportement est paradoxalement bénéfique pour tous les manchots !

Le mathématicien François Blanchette, spécialisé en mécanique des fluides, a modélisé le comportement du groupe (article disponible ici). Dans sa simulation, chaque manchot (représenté par un point noir) ne pense qu'à sa pomme. En partant d'un groupe déjà formé, le chercheur commence par modéliser les flux de chaleur autour du groupe. La distribution de température est illustrée dans la figure ci-dessous (dans le modèle, la température au sein de l'amas est constante).

Distribution de température dans un groupe de 100 manchots. Waters A, Blanchette F, Kim AD (2012) Modeling Huddling Penguins. PLoS ONE 7(11): e50277.
Les manchots qui sont bien planqués au centre n'ont ni l'envie ni la possibilité de bouger (claustrophobes, s'abstenir). Par contre, les malheureux oiseaux en périphérie (à gauche) subissent le vent glacial et se déplacent vers les zones du regroupement moins exposées (à droite) et plus chaudes. Les résultats obtenus montrent que la forme et la dynamique du groupe dépendent principalement du nombre de manchots dans le groupe et de la force du vent. Des variations introduites de façon aléatoire modifient également la forme du regroupement. Globalement, le groupe se déplace continuellement dans le sens du vent. Par ailleurs, et même avec les perturbations aléatoires, chaque manchot passe à peu près le même temps dans chaque situation. Autrement dit, chaque manchot reçoit en moyenne une part égale de chaleur au sein du groupe. Ce résultat théorique est conforté par les observations des scientifiques sur le terrain.

La dynamique du groupe de manchots, Crédits : Hang Hyun Cho, Chun Ting Tsai

Des ondes chez les manchots

Que se passe-t-il s'il n'y a pas de vent ? Les manchots restent-ils sagement à leur place ? Non, bien évidemment. Après les ondes dans les bouchons de voiture ou sur les pistes de ski, voici les ondes chez les manchots ! Le groupe de manchots est structuré de façon très compacte (jusqu'à dix manchots par m²) mais doit cependant être suffisamment souple pour permettre un "roulement" entre les manchots situés en périphérie et ceux à l'intérieur du groupe. En plus du phénomène décrit précédemment, des mouvements continus et réguliers au sein du groupe assurent une répartition équitable du temps d'exposition au froid. Daniel P. Zitterbart et son équipe ont publié en 2011 un article qui décrit la façon dont le groupe se réorganise continuellement. Toutes les 30 à 60 secondes, chaque manchot fait un pas ou deux dans une direction donnée, forçant ses voisins à en faire de même. Ce déplacement compris entre 5 et 10 cm parcourt le groupe entièrement et se propage comme une onde périodique, avec une vitesse de 12 cm par seconde.

Une dynamique difficilement observable à l’œil nu mais qui devient évidente lorsque l'on filme la progression du regroupement et qu'on la passe en accéléré :

video 

Ondes de déplacement dans un groupe de manchots.
Daniel P. Zitterbart et al. doi:10.1371/journal.pone.0020260.s003

Les auteurs comparent ce phénomène à une fluidification momentanée d'un système granulaire ou colloïdale et pensent qu'il assure trois fonctions :
  •  il permettrait d'accueillir de nouveaux venus en périphérie : le mouvement "tasserait" le groupe, comme on peut tasser de la farine dans un bocal en le secouant légèrement.
  •  il permettrait à de petits groupes de fusionner, ce qui diminue la surface d'exposition globale (une sorte de coalescence).
  • il permettrait une réorganisation constante de la périphérie (le centre n'étant quasiment pas modifié par les ondes).

Dans un nouvel article fraichement publié en décembre 2013, l'équipe de Zitterbart en remet une couche, et s’intéresse cette fois plus précisément à l'origine de ces mouvements de foule. Dans la vidéo ci-dessous, c'est le thésard Richard Gerum qui explique, infographies à l'appui et avec un bel accent, le fruit de leur travail. Si l'anglais à la sauce germanique ne vous séduit pas plus que ça, les conclusions de l'étude sont reprises juste en-dessous.

 
 
Cette fois, les auteurs, après avoir naturellement confronté les prédictions de leurs modèles aux observations de terrain, concluent que :
  • N'importe quel manchot ("emperor penguin" en V.O) peut être à l'origine du l'onde de déplacement, en faisant un pas dans une direction. La vitesse de propagation semble dépendre de la taille de ce pas.
  • La distance moyenne entre les manchots est d'environ 2 centimètres, sûrement pour ne pas compromettre l’efficacité de leur système d'isolation thermique (l'air piégé dans le plumage).
  • Comme cela avait été évoqué dans l'étude précédente, deux groupes peuvent fusionner : le bénéfice en termes de pertes d'énergie est évident.
Ils soulignent cependant qu'il reste des interrogations, qui ne m'empêcheront pas de dormir cette nuit, mais qui fera peut-être l'objet de la prochaine étude : pourquoi le manchot à l'origine de l'onde bouge-t-il ? Pourquoi les manchots se tiennent-ils immobiles le reste du temps ? Après les bouchons de voiture, quelle application saugrenue peut-on envisager pour financer de telles études ? S'ils avaient des voitures, seraient-elles noires et blanches ?

Comment chiper de la chaleur dans le froid

Dans leur guerre contre le froid, les manchots ont une arme supplémentaire : ils piquent de la chaleur dans l'air ! Incroyable quand on sait qu'il fait au mieux - 20° C et pourtant, c'est ce que révèle une étude publiée au début de mois de mars. D. J. McCafferty et son équipe sont parvenus à cette conclusion en analysant des images thermiques (enregistrées dans l'infra-rouge) d'une colonie de manchots. Le plumage de l'oiseau y apparait plus froid que l'air ! Cette particularité permet à l'animal de récupérer une infime portion de chaleur qu'il puise directement dans l'air environnant. Cet apport n'est certes pas suffisant pour réchauffer le manchot mais permet de compenser en partie la chaleur perdue par rayonnement (notamment au niveau des yeux !).

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