Pourquoi les flammes au-dessus de la lave de certains volcans sont-elles bleues ?

La nuit, le cratère de certains volcans, comme le Dallol (Éthiopie) ou le Kawah Ijen (Île de Java)1, offre un spectacle grandiose, exceptionnel et intrigant : ils semblent produire de la lave bleue (Fig. 1). En fait, ce sont les flammes au-dessus de la lave qui sont de couleur bleu azur. Elles sont connues depuis l’Antiquité : le naturaliste romain Pline l’Ancien (au Ier siècle de notre ère) les avait déjà observées sur le Vésuve. Mais quel est le phénomène à l’origine de cette couleur bleue ? À notre connaissance, aucun article n’en précise la nature exacte. Il ne suffit pas de rappeler que la combustion du soufre s’accompagne d’une flamme bleue, et que ce dernier est présent en abondance dans les volcans mentionnés. Mais pourquoi la flamme est-elle bleue ? Alors, menons l’enquête !

Fig. 1. La nuit, des flammes bleues sont visibles dans le cratère du volcan Kawah Ijen sur l’île de Java. Crédit : Stéphane Damour / Flickr-Creative commons

La couleur habituelle de la lave : rouge, orangé, jaune

La lave en fusion doit ses couleurs usuelles rouge, orangé, jaune à l’incandescence des matériaux qu’elle contient. Cette émission de lumière ne dépend quasiment pas de la nature de ces derniers mais seulement de la température : 2,3 de rouge vers 700 °C à jaune-orangé vers 1500 °C. Il faudrait que la température dépasse 10 000 degrés pour observer une incandescence bleutée (comme dans les étoiles les plus chaudes). 2,3 Il est donc totalement exclu que la lumière bleue observée dans le cratère de certains volcans résulte du phénomène d’incandescence. Puisque dans ces volcans le soufre est abondant, et sachant que la flamme accompagnant la combustion de ce dernier est bleue, regardons de plus près ce qui se produit dans cette flamme.

Zoom sur la combustion du soufre

Pour observer la flamme bleue qui apparaît lors la combustion du soufre, c’est très simple : il suffit de mettre des cristaux de soufre au contact de la flamme d’un allume-bougie.4 Une petite flamme bleue se forme effectivement et se propage lentement. Son intensité étant faible, l’observation est rendue plus facile dans la pénombre (Fig. 2).

Fig. 2. La combustion du soufre produit une flamme bleue. Crédit : J. Hemmerlein/ Wikimedia commons.

L’incandescence étant hors de cause, la seule autre possibilité est le phénomène de luminescence. Il s’agit d’une émission de lumière par des espèces chimiques après qu’un apport d’énergie les a portées dans un état excité, c’est-à-dire dans un état d’énergie supérieure à celle de leur état normal.3 Elles retournent à leur état initial en rétrocédant partiellement cette énergie sous forme de lumière, ainsi dénommée luminescence. Dans le cas particulier où c’est une réaction chimique qui procure l’apport d’énergie, on parle de chimiluminescence. C’est ainsi que l’on explique la couleur bleue de la flamme de combustion d’une gazinière.3 La même explication s’adresse à la lumière bleue émise à la base de la flamme d’une bougie, ou émise par toute la flamme de celle-ci en apesanteur.5 Dans tous ces cas, ce sont le dioxyde carbone CO2 ainsi que d’autres espèces chimiques dans la flamme qui sont responsables de l’émission d’une lumière bleue.

Un phénomène analogue de chimiluminescence se produit-il dans la flamme accompagnant la combustion du soufre ? En d’autres termes, les molécules de dioxyde de soufre SO2, produites lors de la combustion, émettent-elles de la lumière bleue ? Non car il est prouvé que la chimiluminescence de SO2 se situe dans l’ultraviolet.6 Envisageons alors d’autres espèces chimiques à base de soufre, présentes dans la flamme.

La solution de l’énigme se trouve dans la vapeur de soufre

Par ordre décroissant d’importance, voici les composés soufrés présents dans les gaz émis par les volcans : dioxyde de soufre SO2, sulfure d’hydrogène H2S, soufre à l’état vapeur, sulfures et sulfates divers.7 La vapeur de soufre est souvent abondante car la température d’ébullition du soufre liquide est de 445 °C à la pression atmosphérique. En outre, du soufre se forme dans la vapeur par oxydation incomplète du sulfure d’hydrogène par le dioxygène.8 La forme sous laquelle le soufre se trouve dans la vapeur dépend de la température.9 Aux environs de 600 °C, la forme prédominante est S8 (molécule cyclique comportant 8 atomes de soufre liés entre eux). Entre 620 °C à 720 °C, la vapeur est constituée d'un mélange de S6, S7, S8. Au-delà de 720 °C, le soufre est sous forme de molécules diatomiques S2 analogues aux molécules de dioxygène O2.. Cependant, à la température de la flamme, les molécules de S2 ne sont pas très stables10 : une fraction d’entre elles se dissocie en deux atomes de soufre d’autant plus facilement que la température est élevée. Il s’établit alors un équilibre chimique : des molécules S2 se dissocient en permanence, tandis que conjointement, des atomes de soufre se recombinent, le rapport des populations de S2 et S étant constant à une température donnée.

Or, il a été démontré que la recombinaison d’atomes de soufre à l’état vapeur conduit à des molécules S2 à l’état excité qui perdent leur surplus d’énergie en émettant de la lumière bleue.6 On a donc bien affaire à un phénomène de chimiluminescence.

C’est de cette façon que l’on peut expliquer la couleur bleue des flammes observées lors de la combustion du soufre, ainsi que dans les volcans qui produisent de grandes quantités de soufre. Il s’agit, dans ce dernier cas, d’un exemple remarquable de chimiluminescence naturelle, à bien distinguer de la bioluminescence3 qui implique, elle aussi, une réaction chimique, mais plus précisément une réaction biochimique au sein d’un être vivant.

Cet article est l’occasion de mettre en garde les internautes contre toutes les inexactitudes, erreurs et autres inepties que l’on peut trouver sur la toile, concernant en particulier le sujet traité ici11, mais aussi bien d’autres sujets, scientifiques ou non !

Références et notes

1Voir le reportage photo d’Olivier Grunewald « La nuit des forçats du soufre (Volcan Kawah Ijen,Java, Indonésie) » : ici.

2Voir le billet du 19.10.201, « Couleur et température : une relation particulière… et paradoxale.

3B. Valeur, Lumière et luminescence – Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin, 2017.

4Voir la vidéo « Burning sulfur in open air »

5Voir le billet du 10.03.2019, « Pourquoi la flamme d’une bougie est-elle bleue et ronde en apesanteur ? ».

6M. Cormier (Ed.), Chemiluminescence and Bioluminescence, Springer, 1973.

7P. Thomas, « Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumerolles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie) ». Article consultable ici.

8La réaction s’écrit : 2 H2S + O2 –> 2 S + 2 H2O

9Soufre/Wikipedia

10À titre de comparaison, l’énergie qu’il faut fournir pour rompre la double liaison entre deux atomes de soufre est six fois plus faible que celle requise pour rompre la double liaison entre deux atomes d’oxygène.

11Florilège de ce que l’on peut lire sur l’origine des flammes bleues des volcans : « combustion des gaz sulfuriques », « coulées d’acide sulfurique enflammées », « le gaz (…) très chargé en acide sulfurique s’enflamme spontanément », « combustion (…) plus particulièrement du disulfure ».Remarquons que le terme « disulfure » est ici une transposition incorrecte en français du mot anglais disulfur ; on doit dire « disoufre » (S2). Mais la couleur bleue ne vient pas de sa combustion (voir le texte ci-dessus). Il y a en outre souvent une confusion entre les phénomènes d’incandescence et de luminescence. On peut lire par exemple : « incandescence inhabituelle pour un volcan », « The blue sulfurous flares are much hotter than embers of red or orange because much more energy is being released  (Les éruptions sulfureuses bleues sont beaucoup plus chaudes que les braises de couleur rouge ou orange car elles libèrent beaucoup plus d'énergie)».

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