Les déserts « respirent » la vapeur d’eau, selon une étude

Les déserts peuvent sembler sans vie et inertes, mais ils sont bien vivants. Les dunes de sable, en particulier, grandissent et bougent – et selon un projet de recherche de plusieurs décennies, elles respirent également de l’air humide.

Les résultats montrent pour la première fois comment la vapeur d’eau pénètre dans les poudres et les grains, et pourraient avoir de nombreuses applications bien au-delà du désert – dans la recherche pharmaceutique, l’agriculture et la transformation des aliments, ainsi que l’exploration planétaire.

L’article de l’équipe, « Water Vapor Transport Across an Arid Sand Surface—Non-Linear Thermal Coupling, Wind-Driven Pore Advection, Subsurface Waves, and Exchange with the Atmospheric Boundary Layer », publié le 21 mars dans le Journal of Geophysical Research: Surface de la Terre.

Le projet, dirigé par l’auteur principal Michel Louge, professeur de génie mécanique et aérospatial au Collège d’ingénierie, s’est étendu non seulement sur une longue période, mais aussi sur une variété de terrains. Tout a commencé il y a près de 40 ans, lorsque Louge étudiait le comportement des fluides, des gaz et des particules solides.

Voulant mesurer la matière avec une plus grande sensibilité, lui et ses étudiants ont développé une nouvelle forme d’instrumentation appelée sondes capacitives, qui utilisent plusieurs capteurs pour tout enregistrer, de la concentration solide à la vitesse en passant par la teneur en eau, le tout avec une résolution spatiale sans précédent.

Lorsqu’un collègue de l’Université de l’Utah a suggéré que la technologie pourrait être utile pour visualiser les couches de neige des montagnes et évaluer la probabilité d’avalanches, Louge est allé dans son garage, a saisi des sondes et les a testées dans une tempête de neige. Rapidement, il noue un partenariat avec une entreprise, Capacitec Inc, afin de combiner leurs compétences respectives en géométrie et en électronique. Les sondes résultantes se sont également avérées utiles dans la recherche en hydrologie.

Au début des années 2000, Louge a commencé à collaborer avec Ahmed Ould el-Moctar de l’Université de Nantes, France, pour utiliser les sondes pour étudier la teneur en humidité dans les dunes de sable afin de mieux comprendre le processus par lequel les terres agricoles se transforment en désert – un intérêt qui a deviennent encore plus urgents avec la montée du changement climatique mondial.

« L’avenir de la Terre, si nous continuons sur cette voie, est un désert », a déclaré Louge.

Alors que d’autres sondes peuvent mesurer de grands volumes de matière, les sondes de Louge sont profondes et petites, collectant des données à l’échelle millimétrique pour déterminer la quantité exacte d’humidité dans le sable et sa densité. Cependant, pour fonctionner dans un nouvel environnement, les sondes devaient être modifiées. C’est ainsi qu’a commencé un processus d’essais et d’erreurs d’une décennie, alors que Louge effectuait des voyages périodiques dans les déserts du Qatar et de la Mauritanie pour expérimenter différentes versions de la sonde.

La sonde a finalement révélé à quel point le sable est poreux, avec une infime quantité d’air qui s’infiltre à travers. Des recherches antérieures avaient laissé entendre que ce type d’infiltration existait dans les dunes de sable, mais personne n’avait été en mesure de le prouver jusqu’à présent.

« Le vent passe au-dessus de la dune et crée par conséquent des déséquilibres dans la pression locale, ce qui force littéralement l’air à entrer dans le sable et à en sortir. Ainsi, le sable respire, comme un organisme respire », a déclaré Louge.

Cette « respiration » est ce qui permet aux microbes de persister profondément à l’intérieur des dunes de sable hyper-arides, malgré la température élevée. Pendant une grande partie de la dernière décennie, Louge a collaboré avec Anthony Hay, professeur agrégé de microbiologie au Collège d’agriculture et des sciences de la vie, pour étudier comment les microbes peuvent aider à stabiliser les dunes et les empêcher d’empiéter sur les routes et les infrastructures.

Louge et son équipe ont également déterminé que les surfaces du désert échangent moins d’humidité avec l’atmosphère que prévu et que l’évaporation de l’eau des grains de sable individuels se comporte comme une réaction chimique lente.

La majeure partie de leurs données a été recueillie en 2011, mais il a encore fallu une décennie à Louge et à ses collaborateurs pour donner un sens à certaines des découvertes, telles que l’identification des perturbations au niveau de la surface qui forcent les vagues d’humidité évanescentes ou non linéaires à se propager vers le bas. à travers les dunes très rapidement.

« Nous aurions pu publier les données il y a 10 ans pour rendre compte de la précision de notre approche », a déclaré Louge. « Mais ce n’était pas satisfaisant jusqu’à ce que nous comprenions ce qui se passait. Personne n’avait vraiment fait quelque chose comme ça auparavant. C’est la première fois que des niveaux d’humidité aussi bas pouvaient être mesurés. »

Les chercheurs prévoient que leur sonde aura un certain nombre d’applications, allant de l’étude de la façon dont les sols s’imbibent ou drainent l’eau dans l’agriculture, à l’étalonnage des observations par satellite au-dessus des déserts, en passant par l’exploration d’environnements extraterrestres pouvant contenir des traces d’eau. Ce ne serait pas la première fois que les recherches de Louge se rendraient dans l’espace.

Mais l’application la plus immédiate est peut-être la détection de la contamination par l’humidité dans les produits pharmaceutiques. Depuis 2018, Louge collabore avec Merck pour utiliser les sondes dans la fabrication continue, qui est considérée comme un système plus rapide, plus efficace et moins coûteux que la fabrication par lots.

« Si vous voulez faire de la fabrication en continu, vous devez avoir des sondes qui vous permettront, en fonction du temps, et partout où c’est important, de vérifier que vous avez le bon comportement de votre procédé », a déclaré Louge.