Explorer of Deep Earth remporte le prix Vetlesen


Explorer of Deep Earth remporte le prix Vetlesen

Les expériences pionnières de David Kohlstedt ont montré comment les processus à des profondeurs inaccessibles déterminent ce qui se passe à la surface de la planète.

David Kohlstedt de l'Université du Minnesota a remporté le prix Vetlesen 2023 pour ses réalisations en sciences de la terre.  (Avec l'aimable autorisation de David Kohlstedt)

David Kohlstedt de l’Université du Minnesota a remporté le prix Vetlesen 2023 pour ses réalisations en sciences de la Terre. (Avec l’aimable autorisation de l’Université du Minnesota)

La plupart des processus géologiques à la surface de la Terre – l’élévation des chaînes de montagnes, l’ouverture des bassins océaniques, l’éruption des volcans, les tremblements de terre – ont leurs origines bien en dessous, dans la région chaude et malléable connue sous le nom de manteau. Mais le manteau est trop éloigné pour que les humains puissent l’observer directement. Au cours des dernières décennies, le physicien David Kohlstedt et ses collègues ont trouvé un moyen de contourner ce problème : recréer la température, la pression et les conditions chimiques du manteau en laboratoire, observer ce qui se passe à des niveaux microscopiques, puis étendre les résultats à la taille réelle. Leurs découvertes sous-tendent une grande partie de la géophysique moderne, de la géologie structurale, de la volcanologie, de la sismologie, de la glaciologie et même de l’étude d’autres planètes.

Kohlstedt, professeur émérite à l’Université du Minnesota, a reçu le prix Vetlesen 2023, considéré par beaucoup comme la plus haute distinction des sciences de la Terre. Doté par la Fondation G. Unger Vetlesen basée à New York et administré par l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de la Columbia Climate School, le prix, âgé de 70 ans, est décerné « pour des réalisations scientifiques ayant abouti à une meilleure compréhension de la Terre, de son histoire, ou ses relations avec l’univers. Kohlstedt recevra 250 000 $ et une médaille d’or lors d’une cérémonie à Columbia en avril.

La croûte terrestre est un petit manteau ténu, qui ne représente qu’environ 1 % du volume de la planète. Directement en dessous, le manteau comprend environ 85 pour cent. Bien qu’il semble solide, avec le temps, une grande partie se comporte comme un fluide visqueux. Comme un ragoût qui mijote lentement, la matière monte et descend par convection, et à certains endroits, elle fond. C’est le manteau en mouvement qui fait de la Terre ce qu’elle est, en poussant autour des immenses plaques tectoniques qui composent la surface de la planète. C’est le manteau qui fait passer le carbone des profondeurs profondes à l’atmosphère, et vice-versa. Les laves dérivées du manteau créent constamment de nouvelles sections de fond océanique et entraînent des volcans sur des terres où le fond marin est poussé sous les continents. La déformation induite par le manteau des roches proches de la surface est la source ultime de la plupart des tremblements de terre.

Lorsque Kohlstedt commençait ses recherches au début des années 1970, les scientifiques de la terre avaient déjà adopté la théorie globale de la tectonique des plaques, qui explique tous ces phénomènes. Mais ils n’avaient toujours aucun moyen de quantifier à quelle vitesse ou dans quelles conditions les matériaux du manteau se déformaient, coulaient ou fondaient. Il était donc difficile de modéliser avec précision l’histoire de la planète, ainsi que les processus à plus court terme qui créent des risques naturels mortels. Le laboratoire de Kohlstedt a produit de nombreuses études qui ont grandement clarifié le tableau.

Kohlstedt (à l’extrême gauche) avec des collègues du laboratoire de physique des roches et des minéraux de l’Université du Minnesota en 2021. (Avec l’aimable autorisation de l’Université du Minnesota)

Kohlstedt est venu au travail sous un angle inhabituel. Fils d’un pasteur luthérien et d’une institutrice, il a passé son enfance dans le Dakota du Sud rural. Son père, fils d’une famille de fermiers, était doué de ses mains et pouvait réparer n’importe quoi – voitures, machines à laver, tondeuses à gazon – et le jeune Kohlstedt a développé les mêmes compétences. Excellant en mathématiques, il a envisagé d’étudier pour devenir actuaire, mais s’est détourné vers la physique grâce à un professeur de sciences inspirant au lycée. Après des études collégiales à l’université de Valparaiso dans l’Indiana, il a poursuivi avec un doctorat en 1970. à l’Université de l’Illinois.

Sans formation en sciences de la Terre, Kohlstedt semblait être sur la bonne voie pour une carrière dans la création de céramiques industrielles ou d’autres matériaux utiles. Mais il a de nouveau été distrait lors d’un séjour de recherche de 1971 à 1975 au Massachusetts Institute of Technology avec William Brace, un géophysicien pionnier qui soumettait les roches de la croûte à des contraintes extrêmes en laboratoire – des expériences qui ont rapidement amélioré la compréhension de la façon dont les tremblements de terre se déclenchent. . Kohlstedt a déclaré plus tard qu’il avait déménagé au MIT non pas à cause du sujet, mais parce que sa femme, Sally, une historienne des sciences, avait obtenu un emploi à Boston et qu’il avait besoin d’un emploi à proximité. Cela a changé la direction de son travail.

« Entrer dans un domaine avec une expertise dans autre chose, cela fonctionne parfois à votre avantage », a déclaré Kohlstedt. Une grande partie de son travail ultérieur a été motivé par une pure curiosité, a-t-il déclaré. « Comprendre comment la lave arrive à la surface nous en dit long sur l’évolution de la Terre. » Sur un plan plus pratique, « l’une des raisons de se soucier de la Terre profonde est que les volcans peuvent surgir et tuer des gens et enterrer des villes ».

Kohlstedt dans les badlands de son Dakota du Sud natal. (Don Benson)

Après le MIT, Kohlstedt a passé une quinzaine d’années à enseigner et à faire de la recherche à l’Université Cornell. En 1989, il a déménagé à l’Université du Minnesota, où, au cours des trois décennies suivantes, lui et une longue lignée d’étudiants ont conçu, construit et exploité des systèmes qui simulaient les conditions extrêmes du manteau supérieur. De nombreuses expériences ont porté sur l’olivine minérale, la substance la plus abondante de la région. Dans des pistons remplis de gaz complexes, ils ont soumis des échantillons à différentes combinaisons de pression et de température – jusqu’à 1300 degrés C – ainsi qu’à des ajouts d’autres substances naturelles, pour voir comment tous les facteurs interagissent. Ils ont observé les résultats au niveau atomique à l’aide de microscopes électroniques, puis ont utilisé des équations pour les mettre à l’échelle jusqu’à des tailles pouvant être appliquées à des problèmes du monde réel.

L’une des premières réalisations de Kohlstedt était un article de 1980 offrant un ensemble complet de règles régissant les contraintes dans la lithosphère, une zone tout en haut du manteau. L’article a depuis été cité dans des milliers d’autres études.

Dans peut-être sa découverte la plus centrale, Kohlstedt a enquêté sur la présomption selon laquelle le manteau contient de petites quantités d’eau, mais pas assez pour jouer un rôle important. En fait, il a montré qu’un peu d’eau, comptée en parties par million, affaiblit considérablement la résistance des roches du manteau, les incitant à couler ou à fondre à long et à court terme. « Plus d’eau signifie plus de mouvement. L’eau entraîne tout dans la tectonique des plaques », a-t-il déclaré. Entre autres choses, le rôle de l’eau dans les éruptions volcaniques fait toujours l’objet d’études approfondies.

Des études menées par Kohlstedt et ses collègues ont également montré la séquence d’événements qui entraîne le volcanisme sur les dorsales médio-océaniques. Ils ont découvert que le processus commence à 100 kilomètres ou plus sous le fond de l’océan, où de modestes quantités de matière fondue filtrent à travers des masses poreuses de minuscules grains cristallins, semblables à de l’eau s’infiltrant à travers le sable. Au fur et à mesure que la fonte monte, elle gagne en traction en faisant fondre les zones adjacentes de roche et en créant des canaux à travers lesquels elle peut s’écouler de plus en plus volumineux et rapidement.

Les travaux de Kohlstedt ont également été appliqués à l’écoulement des glaces glaciaires et à la planète Vénus, qui semble manquer des qualités tectoniques dynamiques de la Terre en raison d’une pénurie d’eau. Kohlstedt est maintenant techniquement à la retraite, mais travaille sur plusieurs projets plus récents, y compris une analyse des conditions au sein de la lune hautement volcanique Io de Jupiter.

L’une des nombreuses lettres soutenant la nomination de Kohlstedt le place « au-dessus de tout le monde dans son domaine : dans l’étendue et la profondeur de son travail et dans la clarté de son exposé. Toute personne qui réfléchit à la dynamique de la Terre solide [has] Le travail de David est constamment dans leur esprit. D’autres ont souligné son mentorat généreux de dizaines d’étudiants qui ont contribué à son travail et qui ont souvent poursuivi des carrières influentes.

Kohlstedt recevra le prix 2023 avec la lauréate 2020, la géophysicienne française Anny Cazenave, qui n’a pas pu accepter en personne en raison de la pandémie de COVID. Cazenave a reçu le prix pour avoir été le pionnier de l’utilisation des satellites pour cartographier l’élévation continue du niveau de la mer dans le monde.

La Fondation Vetlesen, un soutien majeur de la recherche en sciences de la Terre, a été créée en 1955 par le marin, ingénieur naval et constructeur naval norvégien George Unger Vetlesen. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Vetlesen a joué un rôle clé dans la résistance contre les nazis, et plus tard dans l’expansion du transport maritime et aérien entre la Scandinavie et l’Amérique du Nord.

Le prix Vetlesen est décerné tous les trois ans. Parmi les autres récipiendaires, citons l’astronome Jan Oort, qui a élucidé l’architecture du système solaire extérieur et des galaxies ; le géochimiste Wallace Broecker, fondateur de la science climatique moderne ; le géologue Walter Alvarez, qui a convaincu le monde que les dinosaures avaient été exterminés par un impact extraterrestre ; et la spécialiste de l’atmosphère Susan Solomon, qui a identifié les produits chimiques artificiels comme étant la source du « trou d’ozone » qui a plané au-dessus de l’Antarctique au cours des dernières décennies.

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