Cette image montre des sites où les sables de plage ont été collectés, et la zone dévastée par l'explosion de la bombe A d'Hiroshima. Crédit :Google Earth ; Anthropocène, Tome 25, Mars 2019, DOI :10.1016/j.ancene.2019.100196
Mario Wannier, un géologue de carrière avec une expertise dans l'étude de la vie marine minuscule, triait méthodiquement des particules dans des échantillons de sable de plage de la péninsule de Motoujina au Japon lorsqu'il a repéré quelque chose d'inattendu :un certain nombre de minuscules, sphères vitreuses et autres objets insolites.
Wannier, qui est maintenant à la retraite, avait comparé les débris biologiques dans le sable des plages de différentes zones dans le but d'évaluer la santé des écosystèmes marins locaux et régionaux. Le travail consistait à examiner chaque particule de sable dans un échantillon au microscope, et avec un pinceau fin, séparer les particules d'intérêt des grains de sédiments dans un plateau pour une étude plus approfondie.
Une surprise dans les grains de sable :particules vitreuses
"J'avais vu des centaines d'échantillons de plage d'Asie du Sud-Est, et je peux immédiatement distinguer les grains minéraux des particules créées par les animaux ou les plantes, donc c'est très facile, " dit-il. Dans les sables de Motoujina, recueilli par le collègue de Wannier, Marc de Urreiztieta, il a trouvé des traces familières d'organismes unicellulaires connus sous le nom de foraminifères, qui se présentent sous diverses formes. Ils ont généralement des coquilles et résident dans et autour des sédiments du fond marin.
"Mais il y avait autre chose... c'est tellement évident quand on regarde les échantillons, " dit-il. " Vous ne pouviez pas manquer ces particules étrangères. Ils sont généralement aérodynamiques, vitreux, arrondies - ces particules m'ont immédiatement rappelé certaines particules de sphérules (arrondies) que j'avais vues dans des échantillons de sédiments de la limite Crétacé-Tertiaire, " la frontière dite K-T maintenant appelée frontière Crétacé-Paléogène (K-Pg) qui a marqué un événement d'extinction de masse planétaire, y compris la mort des dinosaures, il y a environ 66 millions d'années.
En 1980, Luis Alvarez, un lauréat du prix Nobel qui a travaillé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et à l'UC Berkeley, avec son fils, géologue Walter Alvarez, a proposé une théorie, basé sur une forte concentration d'iridium dans les dépôts à la limite K-Pg, qu'un gros impact de météorite a causé cette mort massive. Couplé à des preuves plus récentes, les scientifiques pensent maintenant que l'impact s'est produit dans la région de la péninsule du Yucatan. Dans les impacts de météorites, la matière broyée liquéfiée est éjectée dans l'atmosphère, formant des gouttelettes de matière vitreuse qui retombent au sol.
Certaines des sphères vitreuses que Wannier a examinées semblaient fusionnées avec d'autres sphères, et d'autres présentaient des caractéristiques en forme de queue. Alors que certaines des particules vitreuses ressemblaient à celles associées aux impacts de météorites, d'autres que Wannier a trouvées n'étaient pas si familières - parmi elles, il y avait des particules avec une composition semblable à du caoutchouc et des particules comportant une variété de matériaux enrobés d'une couche ou de plusieurs couches de verre ou de silice. La plupart des particules mesuraient environ 0,5 millimètre à 1 millimètre de diamètre.
Wannier n'avait aucune idée à l'époque que cette ménagerie vitreuse de particules qu'il rencontrait conduirait à un effort de recherche de plusieurs années qui impliquerait des scientifiques et des expériences au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley. L'effort révélerait finalement la diversité et l'unicité des particules étudiées, y compris les mélanges chimiques et minéraux inhabituels ; l'environnement exotique à haute température et à haute pression dans lequel ils se sont formés; et le potentiel de nouvelles découvertes dans d'autres explorations.
Concentration, le volume de matériel indique l'explosion d'une bombe A
Après ce premier constat en 2015, Wannier s'est rendu au Japon pour collecter plus d'échantillons de sable de plage de la même région, près de la ville d'Hiroshima.
Dans tous ces échantillons, il y avait entre 12,6 et 23,3 grammes de ces sphéroïdes et d'autres particules inhabituelles pour chaque kilogramme (2,2 livres) de sable. Cet assortiment étrange de particules vitreuses représentait entre 0,6 pour cent et 2,5 pour cent de tous les grains qui ont été examinés. Wannier en a cueilli environ 10, 000 de ces particules des sables et les a triées en six groupes différents selon leurs caractéristiques physiques.
Les concentrations constamment élevées de cet étrange assortiment de particules dans le sable des plages collectées à environ 4 à 7 miles de la ville d'Hiroshima ont fait soupçonner qu'elles pourraient être liées à l'explosion de la bombe atomique qui a dévasté Hiroshima le matin du 6 août. 1945. Cette bombe avait tué instantanément 70, 000 personnes ou plus, avec un nombre final de morts tenant compte des effets radiologiques associés pouvant dépasser 145, 000. La bombe et les tempêtes de feu qui en ont résulté ont principalement rasé une zone mesurant plus de 4 miles carrés, et détruit ou endommagé environ 90 % des structures de la ville.
Sur la base du volume des débris vitreux trouvés dans les sables de la plage, Wannier et ses collègues ont estimé qu'un kilomètre carré, ou environ 0,4 mile carré de sable de plage dans la région, prélevé à sa surface jusqu'à une profondeur d'environ 4 pouces, contiendrait environ 2, 200 à 3, 100 tonnes de particules.
Une étude détaillant les analyses du matériau, publié dans la revue Anthropocène , fournit une exploration exhaustive des nombreuses sources possibles pour les particules inhabituelles, et conclut qu'il s'agit des retombées d'une bombe atomique de la ville détruite d'Hiroshima.
"Ce fut le pire événement provoqué par l'homme, de loin, " dit Wannier. " Dans la surprise de trouver ces particules, la grande question pour moi était :vous avez une ville, et une minute plus tard, vous n'avez pas de ville. Il y avait la question de :'Où est la ville ¬¬- où est le matériel ?' C'est un trésor d'avoir découvert ces particules. C'est une histoire incroyable."
Échantillons triés de particules trouvées dans le sable des plages de la région d'Hiroshima. Crédit :Mario Wannier
Connexion avec Berkeley Lab, UC Berkeley pour des analyses détaillées
Wannier et de Urreiztieta voulaient en savoir plus sur les échantillons, alors ils ont contacté Rudy Wenk, professeur de minéralogie à l'UC Berkeley et affilié de longue date au Berkeley Lab - Wannier et Wenk avaient tous deux étudié la géologie à l'Université de Bâle, La Suisse, décennies plus tôt.
Wenk a d'abord étudié les échantillons de la région d'Hiroshima à l'aide d'un microscope électronique. Cela a permis une exploration détaillée de leur composition et de leurs structures.
Il a observé une grande variété dans la composition chimique des échantillons, y compris les concentrations d'aluminium, silicium et calcium; globules microscopiques de fer riche en chrome; et la ramification microscopique des structures cristallines. D'autres étaient principalement composés de carbone et d'oxygène.
"Certains d'entre eux ressemblent à ce que nous avons des impacts de météorites, mais la composition est assez différente, " dit Wenk. " Il y avait des formes assez inhabituelles. Il y avait du fer et de l'acier purs. Certains d'entre eux avaient la composition de matériaux de construction."
Pour recueillir plus de détails sur les échantillons, Wenk s'est tourné vers Berkeley Lab, où lui et ses étudiants ont mené de nombreuses expériences de microscopie électronique et de rayons X au fil des ans. Il a amené des échantillons sélectionnés à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab et y a effectué un certain nombre de mesures.
Nobumichi "Nobu" Tamura, un scientifique de l'ALS avec qui Wenk avait déjà travaillé, avec Camelia Stan et Binbin Yue, collègues de l'ALS de l'époque (Stan et Yue ont depuis quitté le Berkeley Lab), assisté à l'analyse des échantillons à une échelle inférieure à 1 micron, ou 1 millionième de mètre, en utilisant une technique connue sous le nom de microdiffraction des rayons X.
Les deux parents de Tamura sont nés au Japon, et il a dit qu'il était personnellement intéressé à participer à l'étude en raison de son ascendance familiale. "Mon père avait 12 ans quand l'attentat s'est produit, et vivait à seulement 200 miles au nord d'Hiroshima, alors il a été témoin direct des nouvelles et des résultats de ces terribles événements, " dit Tamura.
Les expériences et les analyses associées ont déterminé que les particules s'étaient formées dans des conditions extrêmes, avec des températures supérieures à 3, 300 degrés Fahrenheit (1, 800 degrés Celsius), comme en témoigne l'assemblage de cristaux d'anorthite et de mullite que les chercheurs ont identifié.
Tamura a noté que la microstructure unique des particules étudiées et le volume considérable de débris fondus présents fournissent également des preuves solides de la façon dont elles se sont formées.
"L'hypothèse de l'explosion atomique est la seule explication logique de leur origine, " il a dit.
Une étude détaille les conclusions des chercheurs
De nombreuses particules en forme de sphère et d'autres morceaux se sont probablement formés à une altitude élevée autour de la boule de feu montante de l'explosion. Les matériaux balayés du sol ont bouillonné et mélangé dans cet environnement turbulent avant de se refroidir et de se condenser puis de pleuvoir.
Wannier a expliqué les processus qui ont probablement formé les matériaux dans un nuage atomique :« Le matériau du sol est volatilisé et déplacé dans le nuage, où la température élevée modifie la condition physique, " a déclaré Wannier. " Il y a beaucoup d'interactions entre les particules. Il y a plein de petites sphères qui entrent en collision, et vous obtenez cette agglomération."
Les chercheurs ont également découvert que la composition des particules de débris correspond étroitement aux matériaux qui étaient courants à Hiroshima au moment du bombardement, comme le béton, marbre, acier inoxydable, et caoutchouc.
Exemples de la large gamme de particules qui ont été collectées sur le sable des plages de la péninsule de Motoujima au Japon. Crédit :Anthropocène, Tome 25, Mars 2019, DOI :10.1016/j.ancene.2019.100196
D'autres études ont analysé des débris de fusion provenant du site d'essai de Trinity au Nouveau-Mexique - où la première explosion nucléaire a été déclenchée - et de sites d'essais nucléaires souterrains au Nevada. Mais ces échantillons ont une composition nettement différente qui est associée à leur environnement géologique local.
Les débris de Trinity sont appelés trinitite, et les chercheurs de la dernière étude ont surnommé les particules fondues qu'ils ont étudiées comme Hiroshimaite pour mettre en évidence leurs caractéristiques distinctes et leur origine probable dans l'explosion de la bombe A d'Hiroshima.
"Les particules d'Hiroshimaite sont beaucoup plus complexes et diversifiées que les trinitites, " Tamura dit, en raison de leur genèse probable dans le centre urbain d'Hiroshima.
Bien qu'il y ait eu des efforts internationaux concertés pour aider les survivants souffrant des effets des radiations, mesurer les niveaux de rayonnement, et d'évaluer l'ensemble des dommages causés par les bombardements atomiques de 1945 à Hiroshima et Nagasaki, l'étude a noté que les débris de fonte associés à ces bombardements n'avaient apparemment pas été étudiés auparavant.
La dernière étude encourage des tests supplémentaires pour savoir si des échantillons contiennent des éléments radioactifs, et de mener d'autres études dans les régions d'Hiroshima et de Nagasaki.
Plans d'études de suivi
Wannier a déclaré qu'il avait reçu des échantillons de sol de Ground Zero à Hiroshima et qu'il pourrait rechercher des échantillons de débris plus profonds dans le sous-sol, et il a également reçu un échantillon de sol contenant des débris vitreux provenant d'un lit de cours d'eau à environ 30 kilomètres au nord-ouest de l'endroit où la bombe A d'Hiroshima a frappé - les archives historiques montrent que cette zone se trouvait sur le chemin du nuage atomique.
Il a dit qu'il espère également explorer si les débris de fonte présentent des similitudes avec les matériaux associés aux éruptions volcaniques.
Tamura et Wenk ont noté que cette étude initiale s'est concentrée sur un petit nombre de particules de débris fondus, et il peut être intéressant de poursuivre une étude plus large pour en savoir plus sur les conditions extrêmes qui ont produit les débris et éventuellement révéler une chimie ou une minéralogie plus unique.
Wenk a ajouté, « C'était assez fascinant d'examiner tous ces documents. Ce que nous espérons, c'est intéresser d'autres personnes à examiner cela plus en détail, et en cherchant des exemples autour du site de la bombe atomique de Nagasaki."
Wenk a envoyé une copie de la dernière étude à Jun-Ichi Ando, professeur au Département des sciences de la Terre et des systèmes planétaires de la Graduate School of Science de l'Université d'Hiroshima - ils s'étaient rencontrés alors que Wenk était professeur invité à l'Université d'Hiroshima en 1998.
"Je pense que ce type de recherche est très important pour l'Université d'Hiroshima, en tant qu'université située sur le site de la bombe A, " Ando dit, notant qu'il a partagé l'étude avec un collègue qui est minéralogiste et étudie l'impact des météorites de la région du Yucatan. Il l'a également partagé avec Rebun Kayo, un chercheur à l'université qui dirige un groupe de sensibilisation qui sensibilise aux armes nucléaires en partageant des tuiles et des briques de toit d'Hiroshima marquées par les bombes avec des institutions du monde entier.
Dans un effort sans rapport, Ando a étudié un gros morceau de granit associé à la structure du dôme de la bombe atomique à Hiroshima - c'était le seul bâtiment qui restait debout près du point zéro. Kayo a trouvé et récupéré le morceau de granit dans le lit d'une rivière locale près du bâtiment en forme de dôme en 2017. Il est également connu sous le nom de Genbaku Dome ou Hiroshima Peace Memorial.
"J'ai essayé de trouver des preuves de la fonte et de l'onde de choc enregistrée à la surface du pilier de granit" en utilisant la microscopie électronique, Ando a déclaré que ses propres recherches se concentrent généralement sur les microstructures des roches dans les failles sismiques.
Wannier a déclaré que l'étude des débris a été un voyage instructif pour lui, et il espère continuer ses recherches. "Depuis plus de 70 ans, ce matériau est là et n'a jamais été étudié en détail. Nous espérons que cela attirera l'attention de la communauté scientifique, " il a dit.
"Nous espérons que les gens profiteront de cette opportunité."