Pourquoi la flamme d’une bougie est-elle bleue et ronde en apesanteur ?

Allumer une bougie dans une navette spatiale, cela paraît, au premier abord, une idée saugrenue… et pour le moins risquée ! C’est pourtant l’expérience que des cosmonautes ont réalisée pour la première fois en 1992 avec d’évidentes précautions. Elle sera suivie de bien d’autres expériences scientifiques sur des carburants employés pour la propulsion d’engins spatiaux car les phénomènes de combustion sont très différents en présence et en absence de gravité. La première surprise fut de constater que la flamme de la bougie était bleue et prenait la forme d’un dôme (Fig. 1) ! Comment interpréter cette surprenante observation ? Il y a bien une émission bleue à la base de la flamme d’une bougie sur Terre, mais pourquoi les autres couleurs (blanc, jaune, orangé) n’apparaissent-elles pas en microgravité, et pourquoi la flamme s’arrondit-elle ? Accrochez-vous, les réponses ne sont pas triviales !

Fig. 1 Les couleurs et la forme de la flamme d’une bougie ne sont pas identiques sur Terre (à gauche) et dans une navette spatiale en microgravité (à droite). Crédit : NASA

D’où viennent les couleurs de la flamme d’une bougie sur Terre ?

Avant de décoller, observons la flamme d’une bougie. La partie centrale est d’une couleur blanche tirant sur le jaune, et dans la partie supérieure, la couleur tend vers l’orangé. La zone au voisinage de la mèche est bleue. D’où viennent ces couleurs ?1,2

Rappelons tout d’abord que le combustible d’une bougie est la stéarine (communément appelée paraffine) qui fond sous l’effet de la chaleur de la flamme. Étant alors sous forme liquide, elle monte le long de la mèche par capillarité, se vaporise à la surface de celle-ci, et brûle. La forme allongée de la flamme s’explique par un flux d’air ascendant : l’air dilaté par la chaleur de la flamme est en effet moins dense que l’air ambiant et il s’élève donc, tandis qu’il est remplacé par de l’air plus froid à la base de la flamme. Grâce au mouvement de convection qui renouvelle l’oxygène, la flamme est auto-entretenue par combustion progressive des vapeurs de stéarine jusqu’à épuisement du combustible.

Les couleurs blanche, jaune et orangé de la flamme sont dues à l’incandescence des particules de suie forméesqui, avant d’être consumées, sont portées à haute température. Selon la relation couleur-température relative au phénomène d’incandescence,4 la température de la partie centrale de la flamme est 1500-1800 °C (blanc-jaune), et celle de la partie haute, environ 1000 °C (orangé).

Et la couleur bleue au voisinage de la mèche ? En se souvenant que la couleur de l’incandescence tend vers le bleu quand la température augmente,on serait tenté de l’expliquer par le fait que la température dans cette zone est très élevée. Cette explication si souvent avancée est complètement erronée car la température doit être supérieure à 10 000 degrés pour observer une incandescence bleutée (comme dans les étoiles les plus chaudes). Cela n’a évidemment aucun sens pour une bougie ! De fait, la température n’est que de 1200 °C environ au voisinage de la mèche. Il ne s’agit donc plus d’incandescence, mais d’un autre type d’émission : la luminescence, et plus précisément la chimiluminescence5, c’est-à-dire une émission de lumière lors d’une réaction chimique, ici une combustion produisant du dioxyde de carbone CO2 et des espèces chimiques transitoires (notamment CH, C2). Grâce à la chaleur fournie par cette combustion, les produits de la réaction sont portés dans un état d’énergie supérieur à celui de leur état « normal », puis ils perdent ce surplus d’énergie sous forme non seulement de chaleur, mais aussi de lumière bleue (la couleur bleue de la flamme d’une gazinière s’explique de la même façon)5.

La zone au voisinage de la mèche est au contact d’air frais et donc bien oxygénée ; la combustion y est complète. En revanche, quelques millimètres au-dessus, le combustible se trouve en excès par rapport à l’oxygène disponible. Du fait de la combustion incomplète, il se forme des particules de suie qui émettent de la lumière par incandescence.

Et en apesanteur ? C’est plus simple !

C’est lors du vol de la navette spatiale Columbia en 1992 que des flammes de bougie en microgravité spatiale ont été observées pour la première fois. Les cosmonautes ont mené leurs expériences en toute sécurité dans une boite à gants spécialement aménagée. La forme arrondie et la couleur bleue de la flamme les ont intrigués.6 Voici une explication simple de la forme.7 L’air dilaté par la chaleur de la flamme est bien moins dense que l’air ambiant, mais il ne peut pas s’élever, contrairement à ce qui se passe sur Terre. La flamme prend ainsi la forme d’un dôme quasiment immobile car l’apport d’oxygène est fortement réduit par l’absence de convection. La longévité de la flamme est alors beaucoup plus grande que sur Terre, mais son intensité est bien plus faible : 5 watts au lieu de 50.

En revanche, la couleur bleue de la flamme et l’absence de couleurs orangé, jaune et blanc en microgravité n’a guère suscité l’intérêt des observateurs. En voici une explication.2 En microgravité, du fait de l’absence de convection, et donc d’une réduction de l’apport d’oxygène, la combustion est complète. En conséquence, les couleurs orangé, jaune et blanc qui proviennent de particules de suie résultant d’une combustion incomplète sur Terre, n’apparaissent plus, et l’émission de lumière est quasi exclusivement la chimiluminescence bleue.

Des recherches qui éclairent la combustion des carburants

Après l’observation d’une « simple » bougie en microgravité, de nombreuses expériences de combustion de divers carburants ont été réalisées au cours de diverses missions dans la station spatiale internationale. Ces études présentent un double intérêt : d’une part, elles permettent de sélectionner les meilleurs carburants ou mélanges de carburants – en termes d’inflammabilité, de poids et de coût – pour les missions interplanétaires ; d’autre part, du point de vue fondamental, elles apportent des informations sur les processus de combustion qui sont masqués par la gravité, ou du moins rendus plus complexes. La NASA poursuit ses investigations sur la combustion de carburants liquides dans la station spatiale internationale, comme en témoignent les rapports publiés régulièrement.8

Références et notes

1B. Valeur, La couleur dans tous ses éclats, Belin (2011), pp. 28-29.

2B. Valeur, Une belle histoire de la lumière et des couleurs, Flammarion (2016), pp. 58-59.

3La présence de suie est aisément révélée en faisant passer une assiette dans la flamme : des traces noires apparaissent.

4Voir le billet du 19.10.2018 « Couleur et température : une relation particulière… et paradoxale ».

5B. Valeur, Lumière et luminescence. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin (2005, 2e éd. 2017), chap. 7.

6H. Ross, « Human spaceflight and science », article consultable ici.

7K. Than, « In space, flames behave in way nobody thought possible », Smithsonian.com. Article consultable ici.

8Rapports de la NASA du 25.04.2018 « Flame Extinguishment Experiment (FLEX)» et du 06.03.2019 « Flame Extinguishment Experiment - 2  (FLEX-2)».

 

 


Un commentaire pour “Pourquoi la flamme d’une bougie est-elle bleue et ronde en apesanteur ?”

  1. Miles Smith Répondre | Permalink

    Thank you so much for this. I was into this issue and tired to tinker around to check if its possible but couldnt get it done. Now that i have seen the way you did it, thanks guys
    with
    regards

Publier un commentaire