Pourquoi la pluie sent-elle si fort quand elle commence à tomber ?
― Ce sont les gouttes elles-mêmes qui projettent l'odeur vers le ciel
Un soir d'été, dès que les premières grosses gouttes se mettent à tomber, une odeur de terre se répand aussitôt. Une odeur si nette qu'on devine qu'il pleut sans même ouvrir la fenêtre. Pourtant, ce n'est pas l'odeur de la pluie. Sa source était déjà là, dans le sol, depuis longtemps. La goutte de pluie ne fait que jouer les messagères, en la portant jusqu'à notre nez.
Un soir d'été, après plusieurs jours de beau temps. Le ciel s'assombrit soudain, et de grosses gouttes commencent à tomber, une à une.
Aucune partie de votre corps n'est encore mouillée. Et pourtant, une odeur de terre, presque un peu verte, se répand doucement au fond de votre nez.
Curieusement, cette odeur est plus forte durant les toutes premières minutes que lorsque la pluie s'installe pour de bon. Voilà un indice pour comprendre le phénomène.
L'origine de l'odeur se comprend en deux temps
Le sol grouille de minuscules organismes invisibles à l'œil nu. Certains d'entre eux produisent une substance à l'odeur particulière. Pendant les jours secs, cette substance reste collée aux grains de terre, accumulée en silence.
Quand une goutte frappe un sol sec, l'air présent dans les interstices se retrouve piégé sous forme de minuscules bulles. Lorsque ces bulles éclatent, des gouttelettes invisibles jaillissent vers le haut et emportent l'odeur dans l'air.
Autrement dit, « fabriquer » la substance odorante et la « transporter » sont deux rôles distincts. Sans l'un des deux, cette odeur ne naîtrait pas. Voyons cela dans l'ordre.
La source de l'odeur attendait depuis longtemps dans le sol
Le sol abrite une grande quantité de bactéries. On sait que certaines d'entre elles fabriquent une substance à l'odeur si particulière. Cette substance s'appelle la « géosmine », un nom que l'on dit tiré d'un mot signifiant « odeur de terre ».
La géosmine se forme dans le sol humide. Puis, quand le beau temps se prolonge, elle remonte à la surface avec l'humidité et reste collée aux grains de terre secs. Comme le montre la figure 1 à gauche, un sol sec est en réalité un sol qui a accumulé la source de l'odeur.
Ce qui est frappant, c'est à quel point le nez humain est sensible à cette substance. Une quantité infime suffirait à être perçue comme une « odeur de terre ». Nous calculerons plus précisément à quel point elle est infime dans le dernier volet dépliable.
La goutte de pluie devient un « vaporisateur » qui frappe le sol
Mais alors, comment la substance odorante collée à la surface du sol parvient-elle jusqu'à notre nez ? C'est ici qu'intervient l'impact de la goutte.
Un sol sec, ou une surface poreuse comme de la terre cuite non émaillée, comporte d'innombrables petits interstices. Quand une goutte y tombe, l'eau vient boucher ces interstices et l'air à l'intérieur n'a plus d'échappatoire. Comme au centre de la figure 1, cet air forme de petites bulles piégées sous un film d'eau.
Plus légère que l'eau, la bulle remonte jusqu'à la surface du film. Elle finit par le percer et éclater. Sous l'effet de cet éclatement, des gouttelettes d'une finesse invisible à l'œil nu sont projetées vers le haut. C'est le même phénomène que les fines éclaboussures qu'on sent sur le visage quand les bulles d'une boisson gazeuse éclatent.
Ces gouttelettes projetées contiennent la substance odorante qui se trouvait à la surface du sol. Étant légères, elles se laissent porter par les courants d'air. C'est ainsi que l'odeur est transportée d'un coup, du sol jusqu'à la hauteur de notre nez.
Cela explique aussi pourquoi l'odeur est la plus forte au tout début de la pluie. Si la pluie continue, le sol se gorge d'eau et il ne reste plus d'air dans les interstices. Sans air, pas de bulles ; sans bulles, pas de gouttelettes projetées. La messagère disparaît, et l'odeur s'efface tranquillement.
Il arrive que l'odeur se manifeste avant même que la pluie commence. Dans un cas, le vent apporte à l'avance l'odeur produite par une pluie qui tombe déjà plus loin. Dans l'autre, on pense qu'une substance apparentée à l'oxygène, formée dans les nuages d'orage, descend avec les courants d'air descendants. Cette odeur-là serait moins terreuse que piquante et âcre.
Quand le phytoplancton prolifère en été dans les lacs et les retenues, cette même substance odorante peut se dissoudre dans l'eau. Elle n'est pas nocive pour la santé, mais comme elle est perceptible même en quantité infime, elle fait l'objet d'un seuil dans les normes de qualité de l'eau potable au Japon. Les stations de traitement d'eau mettent en place des mesures spécifiques, comme l'utilisation de charbon actif pour absorber l'odeur.
En résumé
L'odeur de la pluie n'est pas apportée par la pluie. C'est l'odeur accumulée par le sol pendant le beau temps que les gouttes qui tombent projettent vers le ciel, avec l'aide des bulles. Voilà pourquoi les premières minutes sont les plus odorantes, et pourquoi l'odeur s'estompe à mesure que la pluie continue. Cette odeur est comme un bref message envoyé par le sol.
Ce que vous sentez n'est pas l'odeur de la pluie.
C'est l'odeur du sol, déterrée par les gouttes.
La façon dont naît une goutte de pluie elle-même est expliquée dans Les nuages sont faits d'eau : pourquoi ne tombent-ils pas ?. Ce qui se passe quand une gouttelette sèche est traité dans Pourquoi une goutte de café laisse-t-elle une tache en anneau en séchant ?. Le cas où le sol est mouillé sans qu'il ait plu est proche de Il n'a pas plu, alors pourquoi l'herbe est-elle mouillée le matin ?. Le mécanisme qui nous fait percevoir l'odeur comme un « goût » est abordé dans Pourquoi perd-on le goût des aliments quand on est enrhumé ?. Et la propriété du nez qui rend une même odeur moins perceptible à force de la sentir est expliquée dans Pourquoi remarque-t-on le parfum de l'osmanthe « d'un coup, un matin » ?.
- Après plusieurs jours de beau temps, approchez d'abord votre nez de la terre sèche du jardin ou d'un pot de fleurs et sentez. Elle ne devrait presque rien sentir.
- Versez ensuite un peu d'eau avec un arrosoir, puis sentez de nouveau aussitôt. La même terre dégage clairement cette odeur si particulière. Il suffit d'humidifier la surface, pas besoin de plus.
- Quand la pluie commence à tomber, comparez l'intensité de l'odeur au-dessus d'une route goudronnée et au-dessus d'un sol de terre ou d'herbe. Vous constaterez qu'un sol plus poreux sent plus fort.
Ne rapprochez pas trop votre visage de la terre, et lavez-vous les mains une fois terminé.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières spécialisées universitaires, chaque niveau est indiqué clairement
- Collègenotions vues en sciences au collège
- Lycéenotions du programme de « chimie de base » au lycée
- Lycée+notions avancées du lycée, ou traitées en encadré dans les manuels
- Universiténon vu au lycée : matières spécialisées universitaires (chimie des surfaces, physiologie de l'olfaction)
- Recherchemême à l'université, ce n'est pas encore enseigné comme un fait établi ; les chercheurs l'étudient encore
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Géosmine : la substance à l'origine de l'odeur de terre. Elle est produite par des bactéries du sol et par des algues aquatiques apparentées.
- Actinomycètes : un groupe de bactéries très présentes dans le sol. Beaucoup se développent sous forme de fins filaments ramifiés, et elles sont connues comme les principales productrices de géosmine.
- Pétrichor : le terme qui désigne l'ensemble de cette odeur particulière qui se dégage quand la pluie tombe sur un sol sec. On dit que des chercheurs l'ont nommée ainsi dans les années 1960.
- Aérosol : de minuscules particules liquides ou solides en suspension dans l'air. Ce que cet article appelle « les gouttelettes projetées » correspond exactement à cela.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à partir de quelle quantité l'odeur devient-elle imperceptible ?
Vérifions par les nombres cette idée d'une « quantité infime perceptible ». Les unités utilisées sont le nanogramme et le milligramme pour le poids, le litre et le mètre cube pour le volume. Le nanogramme représente un gramme divisé par un milliard, le milligramme un gramme divisé par mille. On écrit les unités en toutes lettres, sans symboles.
| En symboles | m = c × V |
| En mots | Poids nécessaire pour être perçu = concentration minimale perceptible × volume d'eau |
| D'où vient cette formule | C'est simplement l'inverse de la définition de la concentration (poids dissous par volume). On calcule la quantité pour laquelle la concentration atteint tout juste le « seuil de perception » (le seuil olfactif), pour une piscine entière. |
| Symbole | Signification et unité |
| m | Poids de substance odorante nécessaire pour toute la piscine (en nanogrammes) |
| c | Concentration minimale perceptible par l'humain (en nanogrammes par litre) |
| V | Volume d'eau (en litres) |
| Concentration à partir de laquelle l'odeur est perceptible | environ 10 nanogrammes par litre |
| Volume d'eau d'une piscine de 25 mètres | environ 400 mètres cubes |
| Combien de litres dans un mètre cube | 1000 litres |
| Combien de nanogrammes dans un milligramme | 1 000 000 nanogrammes |
| Combien de litres dans la piscine | 400 × 1000 = 400000 |
| Poids nécessaire pour être perçu (en nanogrammes) | 400000 × 10 = 4000000 |
| Conversion en milligrammes | 4000000 ÷ 1000000 = 4 |
| Conversion en grammes | 4 ÷ 1000 = 0,004 |
Il suffit de seulement 4 milligrammes dans toute l'eau d'une piscine d'école. Une quantité comparable à quelques grains de sable. Et pourtant, le nez humain perçoit cela comme une « odeur de terre ». Si les gouttelettes projetées par la pluie sont invisibles à l'œil nu, c'est cette extrême sensibilité qui rend l'odeur si nettement perceptible.
LycéeLycée+Pourquoi l'odeur s'accumule-t-elle dans un sol sec ?
LycéeLa substance odorante reste fixée à la surface des grains de terre. Ce phénomène, où une substance se colle en fine couche à la surface d'un solide, s'appelle l'adsorption ; il est aussi vu en chimie de base à travers l'exemple du charbon actif. La surface des grains de terre est très irrégulière, ce qui lui donne une surface totale immense par rapport à sa taille apparente, et cela lui permet de bien retenir ce type de substances.
Lycée+Quand l'eau arrive, les molécules d'eau se disputent la surface de la terre. La géosmine étant peu soluble dans l'eau, elle a tendance à être délogée de la surface par l'arrivée de l'eau. Les molécules délogées passent dans le fin film d'eau et se retrouvent embarquées dans les gouttelettes projetées quand une bulle éclate. Un sol sec sent plus fort non seulement parce qu'il en a accumulé davantage, mais aussi parce que l'air restant dans les interstices favorise la formation de bulles.
UniversitéLe mécanisme par lequel une bulle projette des gouttelettes
On sait que deux types de gouttelettes se forment quand une bulle éclate à la surface de l'eau. Le premier type provient de la fragmentation du film lui-même qui se déchire en fines particules. Le second provient de l'eau qui s'engouffre dans le creux laissé par la bulle effondrée : un fin jet d'eau jaillit alors du centre et se sectionne en gouttelettes. Ce second mécanisme est étudié de longue date dans les recherches sur les embruns marins ; la taille des gouttelettes dépend de l'équilibre entre la tension superficielle, la viscosité et la gravité. On pense que le même mécanisme est à l'œuvre quand une goutte de pluie frappe un sol poreux, et des prises de vue à haute vitesse ont permis d'observer qu'une seule goutte de pluie peut engendrer plusieurs centaines de gouttelettes. Ces gouttelettes sont transportées comme de fines particules en suspension dans l'air, c'est-à-dire un aérosol. L'ensemble de l'odeur de la pluie est appelé pétrichor. Si l'intensité de l'odeur varie selon la nature du sol et la force de la pluie, on pense que c'est parce que la formation de bulles elle-même varie selon ces conditions.
📖 Pour aller plus loin : Pétrichor (Wikipédia, en japonais) ／ Joung & Buie (2015), l'article utilisant des prises de vue à haute vitesse montrant comment une goutte de pluie génère des aérosols à partir du sol
RechercheCe qui reste mal compris
- Pourquoi le nez humain est-il aussi sensible à cette substance ? Plusieurs hypothèses ont été avancées : cela aurait pu aider à repérer des points d'eau, ou à éviter des aliments avariés. Mais aucun moyen de trancher entre ces hypothèses n'a encore été trouvé.
- Pourquoi les bactéries du sol fabriquent-elles cette substance ? Certains travaux avancent qu'il s'agirait d'un appât pour attirer de petits animaux du sol, afin qu'ils transportent leurs spores sur leur corps, au loin. Mais on discute encore si cela suffit à tout expliquer.
- Que contient réellement l'odeur qui précède la pluie ? Plusieurs candidats sont avancés : gaz descendant des nuages d'orage, odeurs lointaines transportées par le vent, composés émis par les plantes. Sur le terrain, ces éléments se mélangent, ce qui rend difficile de démêler la part de chacun.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les grandes lignes de l'origine et du transport de l'odeur sont bien établies, mais des zones d'ombre subsistent quant à leur signification et à leurs détails.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e domaine « équilibres du monde vivant » | Les micro-organismes du sol qui fabriquent la substance |
| Lycée | Chimie de base, « états de la matière et dissolution » | Solubilité dans l'eau, adsorption en surface |
| Lycée+ | Chimie avancée, « tension superficielle, colloïdes » | Formation des bulles et projection des gouttelettes |
| Université | Chimie des surfaces, mécanique des fluides, physiologie de l'olfaction | Mécanisme de projection des gouttelettes, sensibilité olfactive |
| Recherche | Microbiologie des sols, aérosols atmosphériques | Raison de la production bactérienne, contenu de l'odeur avant la pluie |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi l'odeur est plus forte au début, odeur de moisi de l'eau du robinet |
- Bear, I. J. et Thomas, R. G. « Nature of Argillaceous Odour », Nature, 1964 (l'origine du nom « pétrichor »)
- Joung, Y. S. et Buie, C. R. « Aerosol generation by raindrop impact on soil », Nature Communications, 2015
- Gerber, N. N. et Lechevalier, H. A. « Geosmin, an Earthy-Smelling Substance Isolated from Actinomycetes », Applied Microbiology, 1965
- Ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales du Japon (厚生労働省), « Ordonnance ministérielle relative aux normes de qualité de l'eau » (liste des paramètres et valeurs seuils, rubrique géosmine)
- Association japonaise de l'eau potable (日本水道協会), Guide des normes de qualité de l'eau potable (explications sur les substances responsables de l'odeur de moisi et leur traitement)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène. En cas de fortes pluies annoncées, suivez les informations et consignes officielles les plus récentes, notamment celles de l'Agence météorologique japonaise et des autorités locales.