La température est difficile à mesurer, en particulier dans les expériences de compression de choc. Un grand défi consiste à prendre en compte le transport thermique, le flux d'énergie sous forme de chaleur.

Pour mieux comprendre ce défi, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont pris des mesures importantes pour montrer que la conduction thermique est importante et mesurable dans des conditions de pression et de température élevées dans ce type d'expériences, selon un article récemment publié dans le Journal de physique appliquée . Les auteurs de l'article sont David Brantley, Ryan Crum et Minta Akin.

« Nous avons besoin de meilleures mesures de température car la compréhension du comportement à haute température et pression des matériaux planétaires de type rocheux est essentielle pour développer de meilleurs modèles de la Terre et d'autres exoplanètes terrestres, " a déclaré David Brantley, Physicien du LLNL et auteur principal de l'article.

Brantley a déclaré que selon la façon dont le fer conduit la chaleur à la pression et aux températures centrales de la Terre, le noyau interne solide de la planète pourrait avoir entre 500 millions et plusieurs milliards d'années.

"Les grandes incertitudes dans les températures mesurées du fer dans les conditions du noyau de la Terre rendent difficile de contraindre avec précision le profil de température de la planète, " at-il dit. " Ces incertitudes n'ont pas été prises en compte dans les mesures de température précédentes, et nous avons constaté qu'ils peuvent biaiser considérablement les résultats précédents."

Pour décrire n'importe quel matériau, les chercheurs ont besoin de l'équation d'état, qui peut être décrit de plusieurs manières, mais la plus courante est la pression, volume et température.

"Des équations d'état déterminées expérimentalement et bien contraintes sont essentielles à la capacité prédictive et à la quantification de l'incertitude des calculs à partir d'hydrocodes, " a déclaré Brantley. " En fournissant des incertitudes réalistes des températures de choc mesurées, nous fournissons une meilleure maîtrise de l'incertitude inhérente à nos équations d'état."

Brantley a déclaré que l'équipe avait quantifié les plus grandes sources d'incertitude de température de choc et fourni une voie claire pour réduire considérablement l'incertitude de température globale.

« En tant que communauté, nous sommes devenus assez bons pour mesurer la pression et le volume-température, pas tellement, ce qui nous laisse avec une équation d'état incomplète. Les équations d'état sont utilisées dans les modèles, mais s'ils sont incomplets, le modèle le sera aussi."

En raison des courtes échelles de temps des expériences de compression de choc, qui durent moins d'1 millionième de seconde, la température est généralement mesurée en collectant la lumière émise par l'échantillon chaud par pyrométrie optique. Pour les matériaux opaques comme le fer, la lumière est collectée uniquement à la surface de l'échantillon. Semblable à la façon dont la poignée d'une marmite est plus froide que la surface de cuisson, la surface de l'échantillon est généralement plus froide que l'intérieur. Cependant, la température intérieure ou en vrac est nécessaire pour l'équation d'état. La principale source d'incertitude dans les mesures de température de choc provient de l'inférence de la température intérieure à partir de la lumière émise par la surface.

La différence entre la température de surface et la température globale dépend de la qualité de conduction de la chaleur à travers l'échantillon, telle que la conductivité thermique. L'incertitude de la mesure de la température de choc par pyrométrie dépend de l'incertitude sur la conductivité thermique de l'échantillon dans les conditions expérimentales de haute pression et température, entre autres. La précision améliorée des mesures de conductivité thermique à haute température et pression améliore également la précision de la mesure de la température de choc.

À des pressions et des températures inférieures à la limite interne du noyau terrestre, les mesures de température de choc fournissent une vérification croisée vitale avec d'autres méthodes. Les pressions et températures réalisables dans les expériences de choc vont bien au-delà de la gamme des autres méthodes, et les expériences de choc fournissent actuellement le seul moyen fiable d'atteindre des pressions et des températures similaires à celles de l'intérieur des planètes super-Terre et géantes gazeuses.

L'équipe de recherche mène des travaux dans quatre expériences

Pour mener à bien les travaux, les chercheurs ont réalisé quatre expériences conçues pour lier la conduction thermique sur l'échelle de temps typique des expériences de compression de choc.

L'équipe a prélevé deux échantillons d'étain et deux échantillons de fer, pulvérisation cathodique d'une épaisseur de 5 micromètres sur des fenêtres en fluorure de lithium (LiF), qui ont ensuite été mis en contact avec des plaques de base en fer d'environ 2 millimètres d'épaisseur. La plaque de base servait de dissipateur thermique pour les échantillons d'étain les plus chauds. Comme la plaque de base était beaucoup plus froide que l'étain, la température de l'étain aurait dû baisser, comme cela a été observé dans les expériences. Les températures de l'échantillon de fer correspondaient approximativement à la température de la plaque de base pour les expériences d'échantillon de fer, on s'attendait donc à ce que la température du fer s'équilibre.

Les simulations ont montré que la température de la plaque de base en fer pourrait avoir été plus élevée que prévu au plus près de l'échantillon. Comme le fer conduit moins facilement la chaleur que l'étain, on ne s'attendait pas à ce que le changement de température soit observé (à l'interface) avant beaucoup plus tard dans l'expérience. Comme ce changement de température n'a pas été observé, il a établi une borne supérieure sur la conductivité thermique du fer.

Les quatre assemblages cibles ont été choqués en série dans des conditions expérimentales à l'aide d'impacteurs à plaque de cuivre à l'installation de canons à gaz léger JASPER de LLNL. La pyrométrie optique de haute précision a été utilisée pour déterminer les températures d'interface échantillon-fenêtre, et la vélocimétrie photonique Doppler (PDV) a été utilisée pour confirmer la pression ainsi que des simulations hydrodynamiques.

Les fenêtres LiF ont servi à maintenir des conditions de pression et de température élevées et à fournir un milieu transparent pour collecter la lumière de la surface de l'échantillon. L'étain a été choisi car il est beaucoup plus chaud que les échantillons de fer à des pressions similaires dans la fenêtre LiF.

"La température LiF n'est pas bien connue, donc en choquant les cibles d'étain et de fer à des pressions similaires dans la fenêtre LiF, nous obtenons des températures de fenêtre comparables pour les différentes cibles, " a déclaré Brantley.

La plaque de base en fer a servi de dissipateur de chaleur pour les échantillons d'étain plus chauds, suffisamment minces pour permettre un transport thermique diffusif important. Les échantillons de fer ont servi d'historique de température de base pour tester l'équilibrage des températures observées des échantillons d'étain.

Les conclusions sont doubles

Brantley a déclaré que deux résultats majeurs ont été rapportés dans le travail. D'abord, une comparaison de la température de l'interface étain observée à la température de l'interface fer proche de l'équilibre a permis à l'équipe de contraindre l'échelle de temps caractéristique de la relaxation thermique.

"Cette observation ouvre la possibilité d'un nouveau type de plate-forme expérimentale pour déterminer les paramètres de transport thermique de l'échantillon dans des expériences de compression de choc en utilisant l'historique de température relative de l'échantillon, " a déclaré Brantley. " Une telle conception de plate-forme pourrait être mise en place dans n'importe quelle installation de compression dynamique capable d'accueillir plusieurs systèmes de pyrométrie. "

La deuxième conclusion majeure était l'importance de contraindre la systématique pour obtenir des résultats de température précis. On a constaté que les effets systématiques variaient dans la direction avec une amplitude égale ou supérieure à l'incertitude expérimentale. Par ailleurs, ces systématiques étaient dépendantes du modèle, ce qui signifie que seul le choix du modèle peut avoir un impact sur la température globale. Il est d'une importance vitale que les résultats de température finaux soient corrigés pour les contributions systématiques les plus significatives, la recherche a montré.