La scène classique du cosmonaute dans l'espace

[jacknicklaus]

On a tous vu dans des films la scène du cosmonaute qui casse son casque, et se retrouve instantanément gelé. Ca fait un bel effet au ciné, mais est-ce réaliste ? Combien de temps pour (se les) geler ?

Soit donc un cosmonaute à poil dans l'espace, le pauvre.

Une première approche consiste à voir que le seul phénomène à prendre en compte est le rayonnement. De convection ou de conduction, point.
Nous prendrons quelques simplifications : la scène est à l'ombre, pas de rayonnement solaire. Pour simplifier encore, nous supposerons que le cosmofrigorifié ne reçoit absolument aucune source de rayonnement.

Une première approche brutale des équations donne :







avec des notations évidentes.

Ceci donne un temps de gel (disons 37°C -> 0°C) de 8 heures. (Le réalisateur était d'accord pour dire que le plan séquence était trop long. Ils ont coupé au montage.)
Cette approche n'est pas satisfaisante car elle suppose une homogénéité de température de l'astrogelé.

Explicitons le défi ouvert par ce post :
- pouvez-vous estimer, ou du moins encadrer, le temps au bout duquel tout le derme du taïkoglaçon est gelé (disons les x premiers millimètres) ?
- idem pour que le dernier petit bout de barbaque interne soit à 0°C ?
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[mach3]

L'essentiel de la perte de chaleur se fait par l'évaporation des fluides, c'est un détail à ne pas négliger.

m@ch3

[Lansberg]

Bonjour,

il y a eu des discussions sur le sujet. Ici par exemple : http://forums.futura-sciences.com/ph...orps-vide.html

Ou encore là : https://physics.stackexchange.com/qu...-down-in-space

Avec des résultats différents parce que le problème est complexe. Ce qui est sûr c'est qu'on ne gèle pas instantanément, vu les propriétés thermiques du vide.
L'urgence absolue pour un cosmonaute perdant son casque c'est d'être rapatrié le plus rapidement possible dans la station spatiale pour avoir une chance de le réanimer.

[Dynamix]

Salus

c'est un détail à ne pas négliger.

Un gros détail ...
Le sang se met à bouillir et le corps gèle très vite .
La mort est quasi immédiate.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Un gros détail ...
Le sang se met à bouillir et le corps gèle très vite .
La mort est quasi immédiate.

J'avais lu (mais à confirmer) que si on ne "respirait" pas on pouvait tenir près d'une minute. Mais que si on essayait de respirer, couic immédiat (à cause de l’hémorragie ou le sang qui bout dans les poumons ?).

[Lansberg]

Le sang se met à bouillir et le corps gèle très vite .
La mort est quasi immédiate.

Non. C'est plus complexe. La baisse de température est relativement lente et ce n'est pas un problème.
La peau est très résistante et maintient une pression qui empêche l'évaporation rapide des fluides. La salive est d'abord concernée et l'eau des vaisseaux sanguins superficiels. Le corps gonfle mais "n'explose" pas comme on peut le lire parfois. Le gonflement fait en gros doubler de volume.
Lors d'une décompression brutale amenant à une pression nulle, il est essentiel de ne pas retenir sa respiration pour que l'air puisse s'échapper (sinon, gros dégâts au niveau des alvéoles pulmonaires). On a ensuite une dizaine de secondes maximum avant de perdre connaissance par manque d'oxygène. Des expériences (ou des accidents de décompression brutale) ont montré qu'on peut réanimer dans les 90 secondes qui suivent sans séquelles voire même plusieurs minutes.

[jacknicklaus]

Attention ne nous méprenons pas. Ma question ne porte pas sur les chances de survie ni sur les causes précises de la mort.

ma question est de tenter de chiffrer le temps de gel, quitte à donner des minorations ou majoration grossières de ce temps.

Est-ce 10 minutes ou 10 heures ? Plus précisément :

- au bout de combien de temps le corps est, en tout point, à 0°c ou en dessous ?
- au bout de combien de temps le corps est, en tout point de sa surface (x millimètres) à 0 ou en dessous ?

[minushabens]

Il me semble qu'il faut dans le calcul tenir compte de la surface de la peau (environ 2m^2) en plus de la masse.

[jacknicklaus]

oui, tout à fait. un calcul qui ne tient en compte que le perte par rayonnement donne 8 heures. C'est un majorant du temps de gel, car d'autres phénomènes ont été indiqués, qui doivent être estimés, notamment les changements de phase :


- perte par évaporation des fluides (source mach3, repris par Dynamix (le sang se met à bouillir) )
- gradients de température internes

..; etc...


Plusieurs intervenants pensent que le gel est très rapide. D'autres avancent que le phénomène est relativement lent. J'ai l'intuition qu'il est assez lent...

Peut-on commencer par chiffrer, grossièrement, un minorant du temps de gel ?

[Gilgamesh]

repost :

Je traduit de là : http://www.geoffreylandis.com/vacuum.html

Un certain degré de conscience sera probablement maintenu pendant 9 à 11 secondes. En séquence rapide pour ce qui suit, la paralysie sera suivie de convulsions généralisées puis de paralysie à nouveau. Pendant ce temps, la vapeur d'eau se forme rapidement dans la les tissus mous, un peu moins rapidement dans le sang veineux. Cette évolution de la vapeur d'eau provoque un gonflement marqué de l'organisme peut-être à deux fois son volume normal si le corps n'est pas contenu par un vêtement. (Il a été démontré qu'un vêtement bien ajusté élastique peut prévenir tout ebullisme à des pressions aussi faibles que 15 mm Hg absolus [Webb, 1969, 1970].) Le rythme cardiaque augmente dans un premier temps, mais chute rapidement par la suite. La pression artérielle chute également sur une période de 30 à 60 secondes, tandis que la pression veineuse augmente en raison de la distension du système veineux par le gaz et les vapeurs. La pression peut atteindre ou dépasser la pression artérielle en moins d'une minute. Il n'y a alors pratiquement plus de circulation du sang. Après un premier afflux de gaz dans les poumons lors de la décompression, les gaz et la vapeur d'eau vont continuer de s'écouler vers l'extérieur par les voies respiratoires. Cette évaporation continuelle de l'eau réfrigère la bouche et le nez jusqu'au quasi-gel. Le reste de l'organisme sera également refroidi, mais plus lentement.
(...)

Would Your Blood Boil?

No. (...)

Would You Freeze?

No. (...)


Donc pas de perte de conscience instantanée, le corps n'explose pas, ne se congèle pas, le sang ne se met pas à bouillir . La scène de Mission to Mars où l'astronaute enlève sa visière et congèle instantanément est totalement fantaisiste. Le vide est un excellent isolant thermique : pour perdre de la chaleur il faut rayonner ce qui dépend de la température de surface de la peau et le phénomène devient de moins en moins efficace au fur et à mesure que la température de la peau s'abaisse. Donc ça prend du temps. Le froid va s'établir plus rapidement sur les surfaces humides : la température d'ébullition est abaissée et l'eau des muqueuses externes (bouche) va se transformer en vapeur rapidement en absorbant de la chaleur.

Concernant la perte de pression, comme cela a été dit, les tissus conjonctif et capillaire ont une résistance suffisante pour maintenir la pression interne. Il ne faut pas trop retenir sa respiration car la fragile muqueuse pulmonaire peut subir de graves dégats à cause du différentiel de pression (idem en sens inverse en cas de blast sous l'effet d'une onde de choc : il vaut mieux laisser l'air de poumon s'équilibrer en pression avec l'extérieur).

L'exposition au vide de l'espace est possible sans sequelle pendant 10 sec environ. Sans séquelle grave pendant 30 s environ. Au dela, perte de conscience ; la mort subvient dans les une a deux minutes qui suivent environ, par manque d'O2.

[minushabens]

Le vide est un excellent isolant thermique

d'ailleurs même dans une atmosphère à la pression usuelle je ne pense pas qu'on gèle instantanément par grand froid. Dans ce qu'on appelle cryothérapie une personne est plongée dans un air à -120 degrés pendant une ou deux minutes. D'accord, -120 c'est pas -270 mais au bout de deux minutes la personnes n'est pas du tout gelée, même en surface.

[jacknicklaus]

Texte très intéressant, Gilgamesh. En particulier :

Would You Freeze?

No.
A few recent Hollywood films showed people instantly freezing solid when exposed to vacuum. In one of these, the scientist character mentioned that the temperature was "minus 273"-- that is, absolute zero.
But in a practical sense, space doesn't really have a temperature-- you can't measure a temperature on a vacuum, something that isn't there. The residual molecules that do exist aren't enough to have much of any effect. Space isn't "cold," it isn't "hot", it really isn't anything.
What space is, though, is a very good insulator. (In fact, vacuum is the secret behind thermos bottles.) Astronauts tend to have more problem with overheating than keeping warm.

If you were exposed to space without a spacesuit, your skin would most feel slightly cool, due to water evaporating off you skin, leading to a small amount of evaporative cooling. But you wouldn't freeze solid!

[Deedee81]

Salut,

d'ailleurs même dans une atmosphère à la pression usuelle je ne pense pas qu'on gèle instantanément par grand froid. Dans ce qu'on appelle cryothérapie une personne est plongée dans un air à -120 degrés pendant une ou deux minutes. D'accord, -120 c'est pas -270 mais au bout de deux minutes la personnes n'est pas du tout gelée, même en surface.

Ca me rappelle "la nuit des temps" de Barjavel. Le journaliste qui entre dans une chambre à -270 sans protection en pensant "je vais juste retenir ma respiration le temps de prendre une photo" et qui meurt presque instantanément gelé.

[Lansberg]

À -270°C, l'air est plutôt...liquide, non ?

[Plumbus]

Mais Jacki tu me déçois !

Tu n'as rien suivi à ce que j'ai raconté à Youri ici :
http://forums.futura-sciences.com/ph...e-lespace.html

Ceci donne un temps de gel (disons 37°C -> 0°C) de 8 heures

=> Raisonnement faux

Plusieurs intervenants pensent que le gel est très rapide. D'autres avancent que le phénomène est relativement lent. J'ai l'intuition qu'il est assez lent...

=> Intuition fausse

Imagine toi entrain de tremper ton biscuit dans de l'azote liquide ou de le sortir pour pisser la nuit dans la neige autour de la base Concordia (Antarctique -70°C) !
Tu crois vraiment que tu vas mettre 8 h pour sentir que ça caille ?
Bien sûr que non !

Le problème avec ta formule c'est que tu considères un refroidissement dans toute la masse et que tu en déduis que ça met longtemps à refroidir.
La température n'évolue de manière homogène dans toute la masse.
Refaits ton calcul en remplaçant M/S par e.rhô.
e : épaisseur [m]
rhô : masse volumique [kg/m^3].
Et choisis e = 1 ou 2 mm.
Dans cette faible épaisseur (une couche mince de peau) tu peux considérer que la température évolue de manière homogène (couche mince).

Par ailleurs, la température descend très très vite dans ta formule, car tu ne tiens pas compte de la température ambiante.

Autre possibilité (sans prendre en compte les effets du changement brutal de pression, les délires du sang qui bout, la production d'énergie interne par notre corps...), c'est résoudre l'équation de la chaleur avec une température imposée en surface (condition limite de Dirichlet) et qui donne :

T(x,t) = (Ti-To).erf(x/(2.(a.t)^1/2))+To

T(x,t) en K : température en fonction de la profondeur x et du temps t
t : le temps en secondes
x : la profondeur en mètres
a en m²/s : diffusivité du corps, elle varie en fonction de la température, mais on peut prendre celle de l'eau liquide jusqu'à 0°C.
erf : c'est la fonction "erreur" (elle y est sous excel).

Cette expression ne tient pas compte du rayonnement du corps, donc la cinétique de perte de chaleur est sous-estimée.
Mais ce n'est pas grave car en faisant l'application numérique tu verras que ça refroidit déjà très vite :
En considérant que le cosmonaute a les mêmes caractéristiques que l'eau liquide, et qu'il est jeté dans l'espace à poil à -100°C :
Sous 1 mm de peau la température passerait de 37°C à 0°C au bout de 4 s.
Au bout de quelques minutes la température est quasiment à l'équilibre avec l'environnement si on considère que les grandeurs physique rho, cp, conductivité... du cosmonaute restent constantes, ce qui est bien sûr totalement faux !

[Deedee81]

À -270°C, l'air est plutôt...liquide, non ?

Dans l'histoire c'est plutôt "pas d'air" et des scientifiques perplexes ne comprenant pas comment la température de la pièce (et son contenu) est maintenu à -270 degrés (à l'intérieur il y a deux corps et un mur couvert d'inscriptions anciennes et inconnues, c'est ça que le journaliste voulait photographier sans autorisation)

[Lansberg]

Dans l'histoire c'est plutôt "pas d'air"

Mais alors...comment peut-il rentrer ?

[Deedee81]

Mais alors...comment peut-il rentrer ?

Ou alors c'était "l'air ne se liquéfie pas et les scientifiques ne comprennent pas pourquoi". Un peu d'indulgence, j'ai lu ce roman il y a trente ans

[Plumbus]

Jacko ni ton approche, ni la mienne ne reflète ce qu'il va se passer (changement brutal de pression, évaporation de l'eau).
La résolution du problème est bien sûr plus complexe que les 2 formules balancées plus haut, qui restent des cas très scolaires :
- d'un solide qui se refroidit par rayonnement pur plongée dans une température ambiante de 0K,
- soit solide soumis à une température externe fixe.

Mais ta formule ne permet pas du tout de dire que le refroidissement est lent.
La densité de flux de chaleur au moment où ton cosmonaute est jeté dans l'espace est ~epsilon.sigma.(T^4)= 0,98.sigma.310^4 ~ 500W/m², ce qui est beaucoup.

Ze question c'est quelle est la température de ce "vide" ? -100°C ??
Il faudrait plutôt regarder le flux perçu par le cosmonaute.
S'il est en plein cagnard il recevra plus de 1000 W/m² ce qui n'est pas du tout négligeable !

[jacknicklaus]

Imagine toi entrain de tremper ton biscuit dans de l'azote liquide ou de le sortir pour pisser la nuit dans la neige autour de la base Concordia (Antarctique -70°C) !
Tu crois vraiment que tu vas mettre 8 h pour sentir que ça caille ?
Bien sûr que non !

on a dit dans le VIDE. Pas de convection. pas de conduction. il se passe quoi à ton avis, plongé dans de l'azote liquide ?

Le problème avec ta formule c'est que tu considères un refroidissement dans toute la masse et que tu en déduis que ça met longtemps à refroidir.
La température n'évolue de manière homogène dans toute la masse.

oui, c'est gentil de répéter ce que je dis dès l'introduction dans le post 1.

Par ailleurs, la température descend très très vite dans ta formule, car tu ne tiens pas compte de la température ambiante

elle descend pas si vite que çà dans "ma" formule? c'est bien le problème.
par ailleurs, comment définis tu la température ambiante du vide ?
(ne me parle pas du rayonnement CMB à 3K, correction absolument négligeable pour un corps à 273K)

résoudre l'équation de la chaleur avec une température imposée en surface

justification physique de cette hypothèse, pour un corps dans le vide ?

Au bout de quelques minutes la température est quasiment à l'équilibre avec l'environnement

justification physique de cette hypothèse, pour un corps dans le vide ?

S'il est en plein cagnard il recevra plus de 1000 W/m² ce qui n'est pas du tout négligeable !

relire les hypothèses de départ, post #1

PS
cher plimba moi c'est jacknicklaus, pas jacki
cher plombi moi c'est jacknicklaus, pas jacko

[jacknicklaus]

La densité de flux de chaleur au moment où ton cosmonaute est jeté dans l'espace est ~epsilon.sigma.(T^4)= 0,98.sigma.310^4 ~ 500W/m², ce qui est beaucoup.

Et donc, ca donne combien de temps , selon quel calcul ?

[Gilgamesh]

Mais Jacki tu me déçois !

Tu n'as rien suivi à ce que j'ai raconté à Youri ici :
http://forums.futura-sciences.com/ph...e-lespace.html


=> Raisonnement faux


=> Intuition fausse

Imagine toi entrain de tremper ton biscuit dans de l'azote liquide ou de le sortir pour pisser la nuit dans la neige autour de la base Concordia (Antarctique -70°C) !
Tu crois vraiment que tu vas mettre 8 h pour sentir que ça caille ?
Bien sûr que non !

Dans le cas de l'azote liquide ou de l'Antarctique, le corps est plongé dans un fluide dense très froid et l'essentiel du transfert thermique se fait par conduction.
Dans le vide, pas de conduction. En première approche, il faut considérer que le vide n'a pas de température. Donc pas de choc thermique.

Il n'y a que le transfert par rayonnement qui fonctionne.

[Plumbus]

on a dit dans le VIDE. Pas de convection. pas de conduction. il se passe quoi à ton avis, plongé dans de l'azote liquide ?

Est-ce que tu vois dans mon approche un terme lié à la perte de chaleur par convection ?
Non et pourtant ça refroidit quand même très vite.
De la conduction il y a en a dans le solide.

elle descend pas si vite que çà dans "ma" formule? c'est bien le problème.

Comme tu le dis dans le post 1 tu raisonnes avec une température homogène dans la masse.
Tu ne peux conclure sur la vitesse de refroidissement.
Tant que n'auras pas compris cela...

par ailleurs, comment définis tu la température ambiante du vide ?

C'est bien le problème, je n'ai pas creusé plus le sujet.
J'ai pris l'hypothèse d'une température à -100°C

(ne me parle pas du rayonnement CMB à 3K, correction absolument négligeable pour un corps à 273K)

Tu n'as pas compris ce que j'ai voulu te dire.
La perte de chaleur par rayonnement d'un corps dépend de sa température et de celle de son environnement.
Ta formule considère que l'environnement est au zéro absolu, ce n'est absolument pas négligeable du tout pour la perte de chaleur, puisque l'écart est maximal.
Si la température ambiante est de 173K la perte de chaleur sera beaucoup moins rapide.

justification physique de cette hypothèse, pour un corps dans le vide ?

Effectivement c'est bien la question. C'est quoi la température de ce "vide" ? qui sait répondre ?
Est-ce-que ça a un sens de parler de température dans le vide ?
Comme je disais on pourrait aussi se baser sur un flux incident.

Et donc, ca donne combien de temps , selon quel calcul ?

Je te l'ai dit : remplace M/S par e.rho dans ta formule avec e= qq mm et tu auras une idée assez juste de la cinétique.

Dans le cas de l'azote liquide ou de l'Antarctique, le corps est plongé dans un fluide dense très froid et l'essentiel du transfert thermique se fait par conduction.

L'azote liquide ou l'air un fluide dense ?
Mais bien sûr.
La perte se fait par convection et aussi par rayonnement si le corps est très chaud par rapport au fluide.



### Désobligeant. Plumbus, merci d'adopter un ton plus courtois sur le forum ####

[Lansberg]

D'autres avancent que le phénomène est relativement lent. J'ai l'intuition qu'il est assez lent...
Peut-on commencer par chiffrer, grossièrement, un minorant du temps de gel ?

Un autre lien : https://www.quora.com/How-long-would...in-outer-space

Difficile de donner une valeur minimale compte-tenu des paramètres qui interviennent. En tout cas, plusieurs heures.

[RomVi]

Salut,



Ca me rappelle "la nuit des temps" de Barjavel. Le journaliste qui entre dans une chambre à -270 sans protection en pensant "je vais juste retenir ma respiration le temps de prendre une photo" et qui meurt presque instantanément gelé.

Si ma mémoire est bonne (j'ai lu ce roman il y a plus de 30 ans) ce n'était pas un journaliste, mais un espion qui essayait de subtiliser une arme en forme de gant.

[RomVi]

Difficile de suivre dans ces échanges désordonnés...
Si un cosmonaute retire son casque dans l'espace son sang ne va pas se mettre à bouillir : A 37°C la pression de vapeur saturante est d'environ 60mb, soit 4.5cm de mercure. Une personne "normale" verra sa pression artérielle passer environ à 17/18, ce qui reste du domaine du possible.
L'eau à la surface de la peau va s'évaporer, provoquant une baisse de température rapide, mais nous ne sommes pas des têtards, et le phénomène ne va pas durer très longtemps. La surface de la peau va surtout devenir sèche. Par contre les muqueuses vont pouvoir évaporer assez d'eau pour provoquer un gel en surface.
En ce qui concerne la température à cœur il faudra attendre un bout de temps pour constater une diminution.

[chatelot16]

l'espace est vide mais pas forcement froid ... suivant que c'est a l'ombre ou au soleil ça peut même etre très chaud

la mort pour cause de vide arrivera assez rapidement , mais pas instantanement avec le corps qui explose ... le probleme de refroidissement a l'ombre ou de rechauffement au soleil arrivera plus lentement , et peu importe la vitesse puisqu'on est mort

donc bien sur le givrage instantané qu'on voit dans certain film ne tient pas debout

en plus pour que le froid fasse du givre il faut que de l'humidité vienne se condenser : completement contradictoire avec le vide qui evapore tout

[jacknicklaus]

C'est bien le problème, je n'ai pas creusé plus le sujet.
J'ai pris l'hypothèse d'une température à -100°C

##############
Je te suggère de lire le lien du post #10 et celui du post #24 [Time to Freeze Solid Phase Change (4.62 + 5.97)= 10.59 Hours]. Un autre calcul à proposer ?

[Mickey-l.ange]

Bonjour,

L'avis de Roland Lehoucq dans PlS n° 455 :
http://www.pourlascience.fr/ewb_page...pace-35753.php

[Lansberg]

Dommage qu'il n'y ait que quelques lignes...