Volcans et sources chaudes : pourquoi ne faut-il pas entrer dans une « cuvette » ?
― Les gaz lourds s'accumulent en bas, comme de l'eau
Autour des volcans et des sources chaudes, des gaz invisibles s'échappent du sol. Certains sont plus lourds que l'air. Ces gaz lourds s'écoulent vers les creux sans vent, vallées ou cuvettes, et s'y accumulent au fond comme une flaque d'eau. En apparence, ce n'est qu'un creux tranquille, mais l'air du fond, lui, est devenu irrespirable.
En randonnée sur un volcan, en automne, une odeur d'œuf cuit flotte dans l'air. Un peu plus loin, un creux tranquille semble à l'abri du vent. On pourrait se dire : « allons manger notre repas là-bas ».
Pourtant, le sentier porte des panneaux « Accès interdit » et « Attention : gaz volcaniques ». Le paysage est calme, aucune fumée visible. Beaucoup de gens ne saisissent pas vraiment où est le danger.
Au Japon, des randonneurs ou des personnes au travail se sont effectivement effondrés à plusieurs reprises dans ce genre de cuvettes. La raison tient à deux choses : le « poids » du gaz, et le « nez » humain.
Deux raisons seulement rendent les cuvettes dangereuses
Le dioxyde de carbone pèse environ 1,5 fois plus que l'air, le sulfure d'hydrogène environ 1,2 fois plus. Par temps calme, ces gaz s'enfoncent au fond des cuvettes et ont du mal à s'en échapper.
Le dioxyde de carbone n'a ni odeur ni couleur. Le sulfure d'hydrogène sent fort, mais à forte concentration, il paralyse l'odorat : on a l'impression que l'odeur a disparu.
Autrement dit, une cuvette réunit trois conditions : invisible, inodore, et confiné en bas. Voyons cela dans l'ordre.
Le gaz « s'écoule vers le bas », tout comme l'eau
Si l'on compare le poids de différents gaz dans des boîtes de même volume, chaque gaz a un poids différent. Pour de l'air ordinaire pesant 1,2 kg, le dioxyde de carbone pèse environ 1,8 kg, et le sulfure d'hydrogène environ 1,4 kg. Un gaz plus lourd tend à se glisser sous l'air environnant.
Le gaz qui sort des fumerolles volcaniques ou de la vapeur des sources chaudes est d'abord chaud, donc il monte. Mais une fois refroidi, la différence de poids prend le dessus. Il s'écoule alors le long des pentes et s'accumule au fond des vallées et des cuvettes. Regardez la figure 1.
Un point important : l'épaisseur de la couche peut être plus fine que la taille d'une personne. Un adulte debout peut ne rien sentir, puis s'effondrer dès qu'il s'accroupit pour lacer ses chaussures. Les enfants et les chiens, plus petits, respirent l'air dangereux avant les adultes.
Il faut être particulièrement prudent par temps calme et ensoleillé, après la pluie, ou les jours de neige. Sans vent, le gaz accumulé n'est pas brassé. Quand la neige s'accumule, les trous et parois de neige créent de petites cuvettes.
Plus la concentration est dangereuse, moins le nez est utile
Le dioxyde de carbone est un gaz sans odeur ni couleur. L'air extérieur n'en contient qu'environ 0,04 %. Au-delà de quelques pourcents, des maux de tête et des vertiges apparaissent ; vers 10 %, on risque de perdre connaissance en quelques minutes. Essayez de faire varier la concentration avec le curseur de la figure 2.
Le sulfure d'hydrogène sent l'œuf cuit ou les sources chaudes. Comme on le sent même très dilué, on pense volontiers que « sentir une odeur, c'est pouvoir s'en rendre compte ». Mais à forte concentration, le mécanisme olfactif du nez se paralyse, et l'odeur semble disparaître brusquement.
Autrement dit, « ça sentait mauvais il y a un instant, et maintenant plus rien » n'est pas un signe que l'air est devenu sûr. C'est plutôt le signe qu'on est peut-être entré dans une zone de concentration dangereuse.
En 1986, au lac Nyos, au Cameroun, le dioxyde de carbone accumulé au fond du lac s'est brutalement échappé. Ce gaz lourd a coulé le long des vallées et recouvert les villages environnants ; environ 1700 personnes seraient mortes. C'est l'exemple le plus marquant que les gaz lourds « s'écoulent vers les points bas ».
En 1997, sur le mont Hakkoda, dans la préfecture d'Aomori, trois soldats des Forces d'autodéfense en entraînement seraient morts à cause du dioxyde de carbone accumulé dans une cuvette. La même année, sur le mont Adatara, dans la préfecture de Fukushima, quatre randonneurs sont morts à cause du sulfure d'hydrogène. Dans les deux cas, il s'agissait d'endroits bas, en apparence tranquilles.
Alors, que faire ?
- Ne pas franchir les panneaux « Accès interdit » ou « Attention : gaz volcaniques »Ne pas s'arrêter ni s'accroupir dans une cuvette, le fond d'une vallée ou un trou de neige creusé. Redoubler de prudence les jours sans vent.
- Si l'odeur disparaît soudainement, évacuer immédiatement vers un point hautAu moindre signe de gêne respiratoire, mal de tête ou vertige, revenir par le chemin pris et se déplacer vers un endroit haut et aéré.
- Même si quelqu'un s'effondre, ne pas se précipiter dans la cuvetteLa personne venue porter secours peut s'effondrer à son tour. Sans approcher, appeler les secours depuis un point haut.
Voir quelqu'un effondré dans une cuvette donne l'envie de se précipiter pour l'aider. Mais l'air du fond est le même pour le sauveteur que pour la victime. Lors d'accidents passés, des personnes venues porter secours se sont elles-mêmes effondrées, aggravant le bilan. Sans approcher, appelez les secours et attendez leur arrivée. Avant de partir, vérifiez aussi le niveau d'alerte volcanique et les informations sur les gaz volcaniques publiées par l'Agence météorologique japonaise. Sur un volcan actif, il n'y a pas que du gaz : des projections de pierres sont aussi possibles. Prévoyez un casque, et en cas d'urgence, réfugiez-vous dans un abri de montagne pour vous protéger la tête.
En résumé
Certains gaz volcaniques et de sources chaudes sont plus lourds que l'air. Une fois refroidis, ils s'écoulent le long des pentes comme de l'eau et s'accumulent au fond des cuvettes sans vent. Le dioxyde de carbone est inodore, et le sulfure d'hydrogène devient inodore une fois concentré. C'est pourquoi la meilleure protection reste de ne jamais entrer dans une cuvette où se superposent ces trois conditions : invisible, inodore, en point bas.
Le fond d'une cuvette est une « flaque » d'air.
Quand l'odeur disparaît, ce n'est pas un signe de sécurité, mais un signal de repli.
Le fonctionnement des volcans eux-mêmes est expliqué dans « Pourquoi les volcans entrent-ils en éruption ? », et le danger d'un autre gaz qu'on ne peut pas détecter est traité dans « Pourquoi le monoxyde de carbone est-il si dangereux, justement parce qu'on ne peut pas le détecter ? ».
- Mettez une cuillère à café de bicarbonate de soude dans un verre, puis versez un peu de vinaigre. Des bulles se forment : c'est du dioxyde de carbone.
- Une fois les bulles calmées, inclinez doucement le verre « comme pour verser de l'eau », et versez le gaz invisible au-dessus d'une flamme de bougie (avec un adulte, en faisant attention au feu).
- Si la flamme s'éteint soudainement, c'est la preuve que le gaz lourd invisible s'est écoulé vers le bas et l'a enveloppée.
Faites cette expérience dans un endroit bien aéré, avec une petite quantité. Si vous tenez simplement le verre au-dessus de la flamme sans l'incliner, le gaz ne montera pas et la flamme devrait rester allumée.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, chaque niveau est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « chimie » et « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée +Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (mécanique des fluides, volcanologie, hygiène du travail)
- RechercheContenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme une « vérité établie » : sujet encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Gaz volcanique : gaz émis par un volcan ou une fumerolle. Composé en majeure partie de vapeur d'eau, il contient aussi du dioxyde de carbone, du dioxyde de soufre, du sulfure d'hydrogène, etc.
- Densité : poids pour un même volume. Entre deux gaz, celui dont la densité est la plus élevée s'enfonce sous l'autre.
- Fatigue olfactive : diminution de la capacité à percevoir une odeur, après une exposition prolongée à la même odeur ou à une odeur concentrée. Ce phénomène serait particulièrement marqué avec le sulfure d'hydrogène.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien de fois le CO₂ est-il plus lourd que l'air ?
La densité d'un gaz dépend de sa nature (masse molaire) ainsi que de la température et de la pression. Calculons la densité de l'air, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène à 20 °C et 1 atmosphère.
| En notation symbolique | ρ ＝ P × M ÷ ( R × T ) |
| En mots | densité du gaz ＝ pression × masse molaire ÷ (constante des gaz × température absolue) |
| Origine de la formule | Dérivée de l'équation d'état des gaz parfaits P × V ＝ n × R × T, réécrite sous forme de densité. À température et pression égales, la densité est proportionnelle à la masse molaire. |
| ρ | densité du gaz (en kg/m³) |
| P | pression (en Pa ; 1 atmosphère ≈ 101300 Pa) |
| M | masse molaire (en kg/mol) |
| R | constante des gaz (environ 8,31 J/(mol·K)) |
| T | température absolue (en K ; 20 °C ＝ 293 K) |
| Masse molaire de l'air | environ 0,029 kg/mol |
| Masse molaire du dioxyde de carbone | environ 0,044 kg/mol |
| Masse molaire du sulfure d'hydrogène | environ 0,034 kg/mol |
| Dénominateur (R × T) | 8,31 × 293 ≒ 2435 |
| Numérateur pour l'air (P × M) | 101300 × 0,029 ≒ 2938 |
| Densité de l'air | 2938 ÷ 2435 ≒ 1,21 kg/m³ |
| Numérateur pour le CO₂ | 101300 × 0,044 ≒ 4457 |
| Densité du CO₂ | 4457 ÷ 2435 ≒ 1,83 kg/m³ |
| Numérateur pour le H₂S | 101300 × 0,034 ≒ 3444 |
| Densité du H₂S | 3444 ÷ 2435 ≒ 1,41 kg/m³ |
| CO₂ par rapport à l'air | 1,83 ÷ 1,21 ≒ 1,51 fois |
| H₂S par rapport à l'air | 1,41 ÷ 1,21 ≒ 1,17 fois |
Dans une boîte de 1 m³, le dioxyde de carbone pèse environ 0,6 kg de plus que l'air. L'écart équivaut à peu près à une bouteille d'eau, mais sans vent, cette seule différence suffit à le maintenir au fond d'une cuvette. L'affichage du poids dans la figure 2 est calculé à partir de ces valeurs.
LycéeLycée +Pourquoi un gaz chaud finit-il par s'enfoncer en refroidissant ?
LycéeDans la formule ci-dessus, la densité est inversement proportionnelle à la température absolue T. Le gaz qui vient de sortir d'une fumerolle, proche de 100 °C, peut être plus léger que l'air même s'il s'agit de dioxyde de carbone, et il monte donc d'abord. En refroidissant jusqu'à la température ambiante, la différence de masse molaire se traduit directement en différence de densité, et le gaz commence à s'enfoncer.
Lycée +Les gaz se mélangent naturellement, peu à peu, par le mouvement de leurs molécules (diffusion). Mais si le gaz d'une cuvette met autant de temps à se diluer, c'est que cette diffusion est très lente. Sans brassage par le vent, la couche de gaz lourd peut persister pendant plusieurs heures.
Université« Écoulement » des gaz lourds et effets sur le corps
En mécanique des fluides, l'écoulement d'un gaz plus lourd que son environnement, qui se propage en rampant au sol, est appelé « courant de gravité » (ou courant de densité). L'intensité du mélange dépend de l'équilibre entre la diffusion, décrite par la loi de Fick, et le mélange turbulent dû au vent. On sait que le sulfure d'hydrogène bloque le fonctionnement d'une enzyme utilisée par la respiration cellulaire (la cytochrome c oxydase). Il n'appauvrit donc pas seulement l'oxygène disponible : il agit lui-même comme un poison puissant.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : loi de Fick (Wikipédia, en japonais) ／ sulfure d'hydrogène (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal connu
- Quelle cuvette devient dangereuse, et quand ? Le débit de gaz émis varie selon les jours, et l'influence du vent et de la température est complexe. Des recherches se poursuivent pour prédire l'accumulation à partir du relief et de la météo.
- Comment évacuer en sécurité le gaz accumulé au fond d'un lac ? Au lac Nyos, on pompe progressivement l'eau du fond par des tuyaux pour en extraire le gaz. L'évaluation du niveau de sécurité atteint se poursuit.
- La concentration à laquelle l'odeur disparaît varie selon les personnes. On pense que le seuil de paralysie olfactive diffère d'un individu à l'autre ; on ne peut donc pas affirmer « à telle concentration, on s'en rendra forcément compte ».
Le contenu de cet article reflète donc, lui aussi, « l'état actuel des connaissances ». Les chiffres sont indicatifs : donnez toujours la priorité aux panneaux sur place et aux informations des autorités locales.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 1re année « propriétés des gaz », 2e année « transformations de la Terre (volcans) » | Le dioxyde de carbone plus lourd que l'air, les gaz volcaniques |
| Lycée | Chimie générale « quantité de matière », chimie « équation d'état des gaz » | Calcul de la densité ＝ P × M ÷ ( R × T ) |
| Lycée + | Chimie « diffusion », sciences de la Terre « risques volcaniques » | Pourquoi le gaz se dilue mal, le refroidissement et l'enfoncement du gaz chaud |
| Université | Mécanique des fluides (courants de gravité), toxicologie | L'écoulement du gaz au sol, la toxicité du sulfure d'hydrogène |
| Recherche | Volcanologie, sciences de la prévention des risques | Prédiction de l'accumulation de gaz, dégazage du lac Nyos |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Randonnée, promenade dans une zone de sources chaudes, comportement les jours de neige près d'une station thermale |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), explication sur les « gaz volcaniques » (connaissances de base sur les volcans)
- Lac Nyos (Wikipédia, en japonais)
- Sulfure d'hydrogène (Wikipédia, en japonais)
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Évolution annuelle de la concentration de CO₂ »
- Kling, G. W. et al. (1987) The 1986 Lake Nyos gas disaster in Cameroon, West Africa. Science 236, 169–175.
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les chiffres indiqués sont des repères approximatifs destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. Dans les zones volcaniques et les stations thermales, suivez les panneaux locaux, les consignes des pompiers et des autorités, ainsi que les informations volcaniques de l'Agence météorologique japonaise. En cas de malaise, déplacez-vous immédiatement vers un point haut et, si nécessaire, appelez les secours.