Des scientifiques ont suivi la trajectoire de particules flottant dans l’air — et ont résolu une énigme vieille de 100 ans

Ce que cache réellement l’air que nous respirons

L’air que nous respirons quotidiennement est bien plus complexe qu’un simple mélange d’azote et d’oxygène, agrémenté de faibles quantités d’autres gaz. Chaque jour, nous inhalons involontairement des millions de particules microscopiques. Cette soupe invisible comprend de la poussière, du pollen, mais aussi des éléments plus inquiétants comme des virus et des microplastiques. Cette réalité pose un problème majeur, au-delà des désagréments causés aux personnes souffrant d’allergies saisonnières ou d’un système immunitaire affaibli.

Ces intrus microscopiques ont la capacité de pénétrer profondément dans nos poumons. Dans certains cas, ils parviennent même à se frayer un chemin jusque dans notre circulation sanguine, provoquant toutes sortes de ravages biologiques. Bien que les scientifiques sachent que ce mélange de particules existe dans notre atmosphère, le suivi précis de ces éléments reste un défi technique considérable. Que ce soit pour la modélisation climatique, la surveillance de la qualité de l’air ou la prévision exacte de la dérive de la fumée des feux de forêt, la tâche est loin d’être simple.

La science possède une compréhension solide du calcul de la traînée et de la résistance sur des objets microscopiques sphériques. Cependant, les particules réelles comme la poussière, les microplastiques et les virus sont rarement des sphères parfaites. Cette divergence géométrique complique considérablement les prédictions et nécessite une révision des modèles mathématiques établis depuis plus d’un siècle.

Les limites d’une équation vieille de 1910

Pour comprendre comment ces particules se déplacent, il faut remonter au début du XXe siècle. En 1910, le scientifique britannique Ebenezer Cunningham a mis au point ce que l’on appelle le « facteur de correction de Cunningham« . Il s’agit d’une équation issue de la dynamique des fluides capable de calculer le coefficient de traînée de petites particules dans un gaz. Cet outil mathématique s’est avéré très pratique pour suivre les particules microscopiques pendant des décennies.

Ce facteur de correction comporte néanmoins un inconvénient majeur : il part du principe que les particules étudiées sont parfaitement sphériques. Or, quiconque a déjà observé un morceau de microplastique ou un gros plan de l’un des virus aux allures les plus étranges sait que c’est rarement le cas. Cette hypothèse centenaire simplifie la réalité de manière excessive.

Cette approximation géométrique peut faire dérailler même les meilleures tentatives de modélisation du mouvement de ces particules. Les irrégularités de forme modifient la façon dont l’air résiste au mouvement de l’objet, rendant les calculs basés sur une sphère parfaite obsolètes pour une analyse de haute précision dans le monde réel.

Une percée mathématique à l’Université de Warwick

Face à ce constat, une nouvelle étude publiée dans le Journal of Fluid Mechanics propose une avancée significative. Duncan Lockerby, mathématicien à l’Université de Warwick au Royaume-Uni, a revisité les équations de Cunningham dans le but de les améliorer pour les particules non sphériques. Son travail consiste à réanalyser le facteur de correction mathématique pour calculer la traînée des particules microscopiques dans le gaz.

Duncan Lockerby explique sa démarche avec clarté : « La motivation était simple : si nous pouvons prédire avec précision comment se déplacent les particules de n’importe quelle forme, nous pouvons améliorer considérablement les modèles pour la pollution de l’air, la transmission des maladies et même la chimie atmosphérique. Cette nouvelle approche s’appuie sur un modèle très ancien — un modèle simple mais puissant — le rendant applicable aux particules complexes et de forme irrégulière. »

L’objectif de cette étude est de créer une méthode capable de prendre en compte la réalité physique des aérosols. En ajustant les calculs pour intégrer les formes irrégulières, les chercheurs espèrent affiner considérablement les modèles prédictifs actuels utilisés dans divers domaines scientifiques et environnementaux.

De Robert Millikan au nouveau tenseur de correction

Ce n’est pas la première fois que la communauté scientifique tente de perfectionner le facteur de correction de Cunningham. Dans les années 1920, le scientifique américain Robert Millikan, lauréat du prix Nobel de physique pour ses travaux sur l’effet photoélectrique, avait déjà affiné la formule. Malgré ces efforts prestigieux, Duncan Lockerby a découvert qu’une correction plus générale avait été manquée par ses prédécesseurs.

Pour combler cette lacune, le mathématicien a créé ce qu’il appelle un « tenseur de correction ». Un tenseur est un objet mathématique souvent utilisé en relativité générale pour définir la géométrie de l’espace-temps. Dans ce contexte précis, le tenseur de correction de Lockerby prend en compte la traînée et la résistance sur des particules de n’importe quelle forme, offrant une flexibilité inédite aux calculs.

Cette innovation permet de dépasser les limitations historiques imposées par la géométrie sphérique. En appliquant ce concept de tenseur à la dynamique des aérosols, la recherche offre un nouvel outil puissant pour comprendre les interactions entre les particules microscopiques irrégulières et le gaz dans lequel elles évoluent.

Vers une meilleure prédiction des risques sanitaires et climatiques

L’impact potentiel de cette découverte est vaste, touchant à la fois la santé publique et la compréhension de notre environnement. Duncan Lockerby souligne l’importance de ses travaux : « Il fournit le premier cadre pour prédire avec précision comment les particules non sphériques voyagent dans l’air, et puisque ces nanoparticules sont étroitement liées à la pollution de l’air et au risque de cancer, c’est un pas important en avant pour la santé environnementale et la science des aérosols. »

Pour valider cette théorie, Lockerby mettra ce tenseur à l’épreuve en utilisant un nouveau système de génération d’aérosols à l’école d’ingénierie de l’Université de Warwick. Cette installation permettra aux scientifiques d’étudier des particules non sphériques dans un environnement contrôlé, confrontant ainsi les modèles mathématiques à la réalité expérimentale.

À terme, ces recherches portent l’espoir d’améliorer un jour la modélisation atmosphérique prédictive dans le monde entier. Que ce soit pour anticiper le comportement des fumées de feux de forêt, surveiller la qualité de l’air ou comprendre les dynamiques climatiques, la prise en compte précise de la forme des particules pourrait transformer notre lecture des phénomènes atmosphériques.

Selon la source : popularmechanics.com