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Images de science : Champagne, une onde de choc au débouchage !

6 images successives montrant un bouchon de champagne qui vient de quitter le goulot ; un panache bleu clair suit le bouchon, comme une traine. Un trait horizontal au goulot est visible au milieu de la trainée sur les 5 premières images.
Le débouchage d'une bouteillle de champagne gardée à 20°C, observé grâce à une caméra ultrarapide. Gérard Liger-Belair, Fourni par l'auteur

L’imagerie rapide a connu ces dernières années des avancées vertigineuses, notamment avec l’avènement des capteurs numériques et la miniaturisation des circuits électroniques. Il existe aujourd’hui des caméras ultrarapides susceptibles de nous dévoiler des phénomènes d’une extrême fugacité. Nous avons utilisé une caméra de ce type afin d’examiner le détail des mécanismes à l’œuvre lors du débouchage d’une bouteille de champagne.

Au cours de leur seconde fermentation (appelée prise de mousse), les vins de Champagne produisent du dioxyde de carbone (CO2) – l’équivalent de quasiment 5 litres pour une seule bouteille de 75 centilitres – qui reste piégé sous pression dans la bouteille close. La pression qui règne dans une bouteille encore bouchée varie beaucoup avec sa température. Ainsi, à 20 °C, la pression atteint presque 8 bars, l’équivalent de 8 fois la pression atmosphérique, soit la pression qui règne à 70 m sous la mer ! La séquence vidéo de l’image ci-dessus illustre les phénomènes qui surviennent dans le sillage du bouchon qui jaillit hors d’une bouteille sous une pression initiale de 8 bars.

Lorsque le bouchon saute, le volume de gaz carbonique sous pression dans le col de la bouteille se détend brutalement. Sa pression passe alors de 8 bars à la pression ambiante de 1 bar. Cela s’accompagne d’une chute de sa température : les physiciens parlent d’une détente adiabatique. Or, en fonction de sa température et de sa pression, un corps pur est susceptible d’exister sous trois phases : gazeuse, liquide et solide. Ainsi, sous une pression de 1 bar, l’eau est liquide à 20 °C, se transforme en glace en dessous de 0 °C et bout pour se transformer en vapeur à 100 °C. Mais quid du CO2 ? Sous un 1 bar de pression, le CO2 reste à l’état gazeux au-dessus d’une température de -78,5 °C ; en dessous de cette température critique, il existe sous sa forme solide : la glace carbonique.

Au débouchage, glace carbonique et onde de choc

Pour cette bouteille sous une pression initiale de 8 bars, la température du gaz carbonique qui se détend brutalement chute à presque -90 °C. Les vapeurs de CO2 se transforment alors en minuscules cristaux de glace carbonique, susceptibles de diffuser la lumière ambiante. La couleur bleu azur du panache signe la très petite taille de ces cristaux. En effet, les particules ou molécules ayant une taille inférieure aux longueurs d’onde du spectre de la lumière ambiante (centrées autour de 0,6 µm environ) diffusent bien plus efficacement les petites longueurs d’onde du spectre (le bleu, notamment) que les grandes longueurs d’onde (comme le rouge) : on parle de diffusion de Rayleigh. C’est le même phénomène qui explique pourquoi le ciel nous apparaît bleu : les molécules qui composent l’atmosphère de notre planète étant bien plus petites que les longueurs d’onde de la lumière solaire, le bleu est donc bien plus efficacement diffusé que les autres couleurs du spectre.


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Avez-vous remarqué la petite ligne horizontale qui traverse le panache bleu ? Il s’agit d’une onde de choc caractéristique des jets supersoniques, connue sous le nom de disques de Mach. Elle apparaît environ 500 µs après le débouchage, progresse dans le sillage du bouchon avant de s’évanouir quelques 500 µs plus tard. On retrouve des ondes de choc similaires dans le panache supersonique soufflé par les tuyères des réacteurs d’un avion de chasse ou d’une fusée. Pendant la toute première milliseconde qui suit l’expulsion du bouchon, le goulot d’une bouteille de champagne se comporte donc un peu comme la tuyère d’un réacteur de fusée. Qui l’eût cru !


Le lecteur désireux d’en apprendre plus sur l’univers du champagne pourra se référer au livre « Un monde de bulles. Le champagne ou la science de l’effervescence », paru chez Ellipses.

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