C’est une histoire qui est arrivée à un collègue physicien que nous appellerons Bob, dont la fille Alice avait décidé pour son grand oral du bac de préparer un exposé sur la communication sous-marine. Les malentendus venant se loger dans la moindre anfractuosité de nos existences, Bob y a vu aussitôt œillades entre saumons, enchevêtrement de graciles tentacules ballottés par la houle… Que nenni ! Il s’agissait en fait de dissuasion nucléaire, et de la façon dont le Terrible ou le Téméraire conversent avec Paris, le plus discrètement possible.
Or donc, voici que la chambre d’Alice s’est couverte d’ouvrages étonnants, Sous-marins et submersibles, An Introduction to Sonar Systems Engineering, Fundamentals of Underwater Acoustics…, et qu’un beau jour elle dit à son père : « Sais-tu que l’atténuation du son dans l’eau de mer est principalement due à la chimie de l’acide borique ?
– Ah ah, ma fille ! Ce que tu me racontes là, c’est du grand n’importe quoi. Vois-tu, c’est typiquement ce à quoi conduit de faire confiance à Wikipedia et ses notices fantaisistes. L’atténuation du son, c’est bien entendu essentiellement dû à la viscosité de l’eau, si si, maintenant arrête de me contredire, et va ranger ta chambre ! » (On voudra bien excuser Bob et son patriarcat mandarinal d’un autre siècle.)
Pourtant Bob a dû manger son chapeau (pompon compris), car Alice avait bien raison : le son dans l’eau de mer est, pour des fréquences audibles pour l’être humain, des centaines de fois plus atténué que dans l’eau douce, pour une raison que les chercheurs ont mis longtemps à découvrir.
Attention, on ne parle pas ici du phénomène universel de dispersion directionnelle qui amoindrit tout signal d’autant plus qu’il est perçu loin de son émetteur, mais d’une dissipation irrémédiable qui s’ajoute à cette dispersion : pour des ondes sonores, l’énergie qui se propage finit par se transformer en chaleur et l’onde s’évanouit irréversiblement. Ce phénomène est en général très faible et, dans l’eau pure, il est entièrement imputable aux effets visqueux : les couches de fluide frottent les unes sur les autres quand l’onde passe et ce frottement prélève un peu d’énergie de l’onde pour chauffer de façon imperceptible le milieu.
Une jolie molécule plane
Or, ce qu’Alice a découvert en « faisant sa biblio », c’est que dans l’eau de mer, les basses fréquences sont fortement atténuées à cause d’effets très marginaux auxquels personne ne pense d’emblée. L’eau de mer contient un tas d’espèces chimiques en plus de la molécule H₂O et des ions Na+ et Cl⁻, constituants du sel ordinaire. Parmi eux, l’acide borique B(OH)₃, 10 000 fois moins concentré que le sel, est une jolie molécule plane qui peut avec les ions (OH)⁻ présents dans l’eau former le complexe B(OH)₄⁻, dont le volume est sensiblement plus élevé que B(OH)₃, puisque lui a la forme d’un petit tétraèdre (pyramide à base triangulaire). Ce changement de géométrie rend cette molécule inhabituellement sensible aux changements de pression, et notamment ceux, oscillants, induits par le passage d’une onde sonore dans l’eau.
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