Quelques éléments de la physique des bulles de champagne

Publié le par P'titPhilou

Je mets en ligne cet article écrit il y a quatre ans.

Les fêtes se terminent, nous avons dégusté de plus ou moins bons champagnes, prenons alors un peu de temps pour comprendre la vie de ces bulles festives. Nul doute que cela ne leur enlèvera pas leur magie, bien au contraire !

Suite à un article paru dans Pour la Science de Gérard Liger-Belair, maître de Conférences à Reims,  j'avais souhaité mettre en avant cet article tout en apportant quelques précisions et références pouvant aider les passionnés dotés d'une bonne formation initiale en physique. Je l'avais contacté quelques mois plus tôt, pour lui demander des infos sur la formation en oenologie dispensée à Reims. Excellent souvenir.

Dans l'article de Gérard Liger-Belair dans le " Pour La Science " de janvier 2003 [1], on y apprend notamment qu'une bouteille de champagne (75 cL) possède en moyenne environ 10g de dioxyde de carbone dissous en excès, correspondant à un dégagement potentiel d'environ 5 L de gaz : de quoi assurer l'effervescence du champagne durant de nombreuses minutes.

 

D'où provient le dioxyde de carbone dans les champagnes et autres méthodes traditionnelles ?(°)

 

(très schématique, pour plus de détails, cf. [2], par exemple)
Lorsque le vin a terminé sa fermentation alcoolique, parfois sa malo aussi, après stabilisation tartrique, le vin est mis en bouteille, auquel on ajoute des levures, du sucre (de canne ou du moût concentré rectifié MCR) : c'est la prise de mousse.
Le sucre est dégradé progressivement (seconde fermentation) par les levures qui produisent de l'alcool et surtout du dioxyde de carbone. On dégorge ensuite pour évacuer les levures mortes (lies) et on complète par la liqueur d'expédition.

 

Mais pourquoi le CO2 veut-il " s'échapper " quand on ouvre une bouteille de champagne ?

 

Lors de la prise de mousse [2], qui a lieu à volume fixe, la pression interne augmente (jusqu'à 8 bar max.), d'où nécessité d'utiliser des bouteilles très résistantes !
Or, la quantité de CO2 dissous dans le vin est proportionnelle à la pression du gaz situé dans le goulot de la bouteille (loi de Henry). Dès que l'on ouvre la bouteille, apparaît alors un déséquilibre avec le milieu extérieur, dont la pression est égale à la pression atmosphérique. La solubilité du CO2 diminue alors brusquement et de façon irréversible, provoquant l' effervescence du vin.

 

Mais le dégagement du CO2 en excès sous forme de bulles ne représente que 15 à 30% du " dégazage ", d'après [1]. L'essentiel du dégagement gazeux se produit à l'interface entre le vin et l'air, notamment lors de l'ouverture de la bouteille. D'autre part, la nucléation des bulles au sein même du vin est très défavorable du point de vue énergétique : l'apparition d'une microbulle s' accompagne d'une très forte pression à l'intérieur de cette bulle (loi de Laplace (*) ) qui interdit la diffusion du CO2 en son sein, car la concentration en CO2 dissous est trop faible. Les forces de van der Waals (**) dominent alors, assurant la cohésion des molécules entre elles au sein du liquide et la microbulle se résorbe d'elle même.
C'est la raison pour laquelle nous ne voyons jamais de bulles apparaître et grossir spontanément au sein même du champagne, hormis si des impuretés sont présentes dans le volume du vin (microfibres, etc.).

 

La seule possibilité pour le CO2 de parvenir à s'échapper sous forme de bulles est la présence d'impuretés sur le verre. Là encore, les chercheurs du labo d'onologie de Reims ont montré (cf. [1] et réf. citées dans cet
article) que les bulles ne se forment pas au contact des irrégularités de la surface du verre, car les poches d'air emprisonnées, lorsque l'on y verse le vin, sont trop petites (***) pour engendrer des bulles stables.
Ainsi, les sites de production (ou nucléation) des bulles de champagne se situent sur les dépôts de calcaire, de tartre, de fibres de cellulose issues des torchons utilisés pour essuyer le verre, accrochés à la paroi du verre.
Quand nous versons le champagne dans le verre, des poches d'air, dont le rayon de courbure est supérieur au " rayon critique ", sont emprisonnées sur ces sites, dont l'exemple type choisi dans l'article [1] est une fibre creuse de cellulose.
Dès lors, la pression interne de la poche d'air est suffisamment basse pour que le dioxyde de carbone diffuse du liquide vers cette poche de gaz ; celle-ci s'enrichit alors en CO2 et grossit jusqu'au moment où les forces capillaires ne sont plus suffisantes pour lutter contre la poussée d' Archimède. Puis, la bulle se détache de son site de nucléation et monte vers la surface, laissant derrière elle à nouveau une poche d'air et le cycle peut recommencer jusqu'à disparition complète du dioxyde de carbone dissous.
Son diamètre, au tout début de sa courte vie, est estimée à une dizaine de micromètres.

 

En conclusion, contrairement à ce qu'on peut lire ici ou là, ce ne sont pas les irrégularités de la surface du verre qui favorisent l'éclosion des bulles de champagne, mais les impuretés déposées à sa surface ou parfois dispersées au sein même du vin.

 

Et ensuite ?

 

Lors de l'ascension de la bulle, dont le rayon augmente progressivement, le CO2 va s'y accumuler. D'autre part, plus sa taille augmente, plus la poussée d'Archimède est forte, donc plus la bulle est accélérée. En plus, c'est aisément observable dans une flûte ! Une bulle de champagne peut atteindre jusqu'à un millimètre de diamètre lorsqu'elle éclôt à la surface. Il y a tout un paragraphe sur le rôle des molécules tensioactives (notamment des protéines) pendant l'ascension, bien que le champagne semble en
comporter relativement peu : env. 10 mg/L, à comparer aux centaines de milligrammes par litre pour la bière.
Ainsi, les bulles de champagne croissent plus vite que celles dans la bière : ces molécules se placent à l'interface liquide-gaz et rigidifient la surface de contact (****), stabilisant la bulle et limitant de même sa croissance.

 

 

Ces mêmes protéines, selon [1] et [3], assurent au champagne une mousse régulière et persistante. En outre, la filtration nuit à la qualité de cette mousse, puisqu'elle supprime une partie des molécules tensioactives. Arrivée à la surface, la tension superficielle (**), qui tend à maintenir la bulle immergée, est plus forte que la poussée d'Archimède : la bulle n' émerge pas complètement de la surface et peut donc migrer sur les bords pour former une collerette tant appréciée des dégustateurs.

 

Quand les bulles s'éclatent !

 

Lorsque le champagne est versé dans la flûte, il se forme une importante mousse par accumulation de bulles à la surface qui retombe rapidement (contrairement à la bière), pour ne plus constituer pendant quelques secondes qu'une monocouche de bulles en surface. L'article [1] présente des photographies très belles de sa structure en forme de fleurs et montre que les bulles, qui éclosent, " aspirent " leurs voisines.
Un autre phénomène mentionné dans cet article concerne la durée de vie des bulles en surface. Au départ, il y a peu de molécules tensioactives en surface, donc les bulles éclatent rapidement : durée de vie de quelques dixièmes de seconde. Puis, ces molécules s'accumulent en surface, apportées par les bulles antérieures et désormais disparues : elles rigidifient la bulle qui voit son temps d'éclosion augmenter considérablement, pour atteindre plusieurs secondes.

 

D'ailleurs, on peut remarquer que plus le vin de base est bon (rendements modérés, peu de filtration, etc.), plus il y a, amTha, de " bonnes " molécules, telles ces fameuses protéines tensioactives, qui vont diminuer le coefficient de tension superficielle dans le vin et par là même, le rayon critique de la bulle de champagne. Dès lors, les amateurs pourront admirer la finesse de ces bulles et la persistance de la collerette.
Enfin, lors de l'éclosion, de fines gouttelettes sont projetées au dessus de la surface et vont constituer un nuage de particules plus ou moins aromatiques que nos organes sensoriels vont pouvoir capter. Ainsi, outre
leur rôle esthétique, les bulles semblent permettre une meilleure libération des subtiles fragrances du champagne.

 

Pour terminer, je vais m'inspirer de la conclusion de l'auteur : je suis persuadé que vous ne regarderez plus votre verre de champagne de la même façon après avoir lu l'article de Gérard Liger-Belair !
Voici en tout cas un article fort bien écrit, parsemé de poésie !

 

[1] Pour la Science n°303, janvier 2003 : p. 26 à 31
[2] J. Blouin & E. Peynaud, Connaissance et travail du vin, éd. Dunod : §7.4.1
[3] H. This, Casseroles & éprouvettes, éd. Belin/Pour la Science : p. 174 à 177
[4] E. Guyon, J.P. Hulin, L. Petit , Hydrodynamique physique, éd. EDP sciences & CNRS : §1.4

 

(°) J'assimilerai dans la suite du texte champagnes et méthodes traditionnelles.
(*) pression interne dans la bulle inversement proportionnelle au rayon de courbure de la bulle.
(**) Ce sont ces forces qui sont responsables de la cohésion des liquides, mais aussi des gaz (pas parfaits.) et de certains solides. Quand vous déchirez une feuille de papier, sachez que vous détruisez des myriades de liaisons de van der Waals ! ! !
A la surface d'un liquide ces forces de vdW sont à l'origine de la tension superficielle et de la capillarité. Pour plus d'infos, vous pouvez consulter avec profit la réf. [4].
(***) de rayon inférieur à 0,2 micromètre, appelé " rayon critique "
(****) un exemple simple est donné par les molécules de savon, à travers les bulles de savon, bien sûr ! Sans elles, point de bulles dans votre bain, point de regards rêveurs plongés dans les belles irisations qui apparaissent à la surface de ces bulles (dues à un phénomène d'interférence de la lumière.) ! ! !

 

 

Je vous adresse mes meilleurs voeux pour l'année 2007.

Publié dans Sciences

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