L’énergie marémotrice n’est pas renouvelable
(cs.stanford.edu)- Classer l’énergie marémotrice parmi les énergies renouvelables est trompeur, et son exploitation à grande échelle pourrait avoir des impacts environnementaux plus graves que les combustibles fossiles
- Les marées résultent de l’interaction entre la gravité de la Lune et du Soleil et la rotation de la Terre, et le renflement de marée (tidal bulge) reste presque fixe par rapport aux corps célestes, exerçant un couple de freinage sur la rotation
- Ce freinage dissipe l’énergie de rotation de la Terre et allonge la durée du jour, le nombre de jours par an étant passé d’environ 420 à 365 au cours des 400 derniers millions d’années
- Même si seulement 1 % de la demande énergétique mondiale était couvert par l’énergie marémotrice, la Terre pourrait devenir verrouillée par les marées (tidal locking) avec la Lune en environ 1 000 ans
- En cas de verrouillage gravitationnel, un côté connaîtrait un ensoleillement permanent et des températures extrêmes, l’autre une obscurité permanente et un froid extrême, ce qui pourrait entraîner l’extinction de la plupart des formes de vie (effondrement des écosystèmes)
Motivation (Motivation)
- Avec la prise de conscience du réchauffement climatique lié à l’usage des combustibles fossiles, l’énergie marémotrice attire l’attention comme alternative, mais elle n’est pas une énergie renouvelable
- Son utilisation peut provoquer des problèmes environnementaux plus graves que le réchauffement climatique
- Lors d’une présentation en séminaire de master en 1990, l’auteur a classé l’énergie marémotrice comme énergie non renouvelable et s’est vu poser à répétition la question : « en quoi l’exploitation des marées nuit-elle à l’environnement ? »
- En 1993, à l’époque de l’apparition du premier navigateur web Mosaic, il a créé un site sur le sujet, mais certaines entreprises de turbines marémotrices ont demandé la suppression de la page en affirmant qu’elle nuisait à leurs activités
- Aujourd’hui, cette page est introuvable dans les résultats de recherche pour « tidal energy », et de nombreuses pages continuent de classer l’énergie marémotrice parmi les énergies renouvelables aux côtés de l’éolien et du solaire
Collecte de l’énergie marémotrice (Collecting Tidal Energy)
- Les marées sont les montées et baisses périodiques du niveau de la mer observées sur les côtes, et l’énergie marémotrice est une forme d’hydroélectricité qui consiste principalement à les convertir en électricité
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Principaux modes de captage
- Un barrage (barrage) crée un réservoir artificiel : l’eau de mer entre à marée haute, puis la différence de hauteur d’eau actionne des turbines à marée basse
- Un tidal stream generator fait tourner une turbine grâce à l’énergie cinétique de l’eau en mouvement, comme une éolienne, dans des zones resserrées comme les détroits ou les baies où les courants sont rapides
- Le dynamic tidal power consiste à construire une longue digue depuis la côte vers la mer pour créer une différence de niveau d’eau via le déphasage des marées ; cela concerne notamment des régions à forts courants parallèles au littoral, comme en Chine et en Corée
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Centrales représentatives
- La première grande centrale marémotrice au monde est la Rance Tidal Power Station en France, mise en service en 1966
- La plus grande est la Sihwa Lake Tidal Power Station en Corée, ouverte en 2011, avec une capacité de 254 mégawatts
- Sans réglementation adaptée, une nouvelle crise environnementale serait inévitable
Principe de formation des marées (How Are Tides Formed?)
- Les marées naissent de la combinaison entre la gravité de la Lune et du Soleil et la rotation de la Terre ; des forces de marée agissent des deux côtés de la planète, attirent l’eau de mer et forment des renflements de marée
- Ces renflements restent presque immobiles par rapport à la Lune et au Soleil, tandis que les observateurs à la surface de la Terre perçoivent des variations périodiques du niveau marin en raison de la rotation terrestre
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Physique des forces de marée
- La force de marée (tidal force) correspond à la différence entre la gravité (loi de la gravitation universelle de Newton) et la force centrifuge liée à l’orbite
- Du côté intérieur tourné vers le Soleil, la gravité dépasse la force centrifuge, formant un renflement interne ; du côté extérieur, la force centrifuge est plus grande, formant un renflement externe
- Il s’agit de la solar tide, et la Lune exerce de façon similaire une force de marée qui produit la lunar tide
- La Lune étant plus proche que le Soleil, ses marées sont plus fortes, et lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont alignés, il se produit les plus grandes marées, les king tides
Ralentissement de la rotation terrestre (Decelerating Earth)
- La vitesse de rotation de la Terre diminue progressivement, comme si l’on actionnait les freins d’une voiture
- La comparaison est celle d’un disque en rotation (= la Terre qui tourne) et de plaquettes de frein immobiles (= les renflements de marée stationnaires)
- Lorsque la Terre tourne vers l’est, les renflements stationnaires semblent se déplacer vers l’ouest, et la viscosité de l’eau de mer ainsi que la friction (drag) entre les courants et le fond marin ralentissent la rotation
- Les masses continentales de l’hémisphère Nord influencent le déplacement des renflements, ce qui accentue le ralentissement
- L’énergie de rotation se dissipe dans les marées, ce qui a réduit le nombre de jours par an, un phénomène attesté par les coraux fossiles (fossil coral)
- La tidal acceleration exercée par la Terre sur la Lune éloigne celle-ci et contribue aussi au ralentissement de la rotation terrestre, mais cet effet ne représente qu’environ 4 % de la perte totale d’énergie
Verrouillage gravitationnel (Tidal Locking)
- La Lune présente toujours la même face à la Terre : c’est le tidal locking dû aux effets de marée
- La force de marée exercée par la Terre sur la Lune crée, même sur sa surface sans eau, un renflement solide qui l’étire en forme de ballon de football américain (solid tide)
- Cet effet a ralenti la rotation lunaire jusqu’à une rotation par période orbitale, de sorte qu’un même côté reste toujours orienté vers la Terre
- La Terre ralentit elle aussi progressivement et finira par se verrouiller sur la Lune ; toutes deux tourneraient alors face à face autour de leur centre de gravité commun, comme un binary system (système binaire)
Énergie de rotation (Rotational Energy)
- Un corps en rotation possède aussi un moment cinétique et une énergie de rotation, et l’énergie totale de rotation de la Terre est d’environ 2.138×10²⁹ Joules
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Méthode d’estimation
- Avec la formule du moment d’inertie d’une sphère homogène, on obtient 9.696×10³⁷ kgm², mais comme l’intérieur de la Terre est plus dense que l’extérieur, la valeur réelle est plus faible
- Une estimation plus précise du moment d’inertie terrestre est 8.04×10³⁷ kgm²
- En appliquant une période de rotation de 23,93 heures (vitesse angulaire de 7.29×10⁻⁵ rad/s), on obtient une énergie totale de rotation de 2.138×10²⁹ J
Temps restant (How Much Time Left)
- Comme un frein, l’énergie de rotation terrestre est convertie en chaleur et dissipée par les marées et la friction du fond marin ; elle est finie et finira donc par être épuisée
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Preuves issues des coraux fossiles
- Au Silurien (il y a 444 à 419 millions d’années), une année comptait 420 jours ; au Dévonien moyen, 410 jours ; au début du Carbonifère (il y a 350 millions d’années), 385 jours
- Comme il n’existe aucune preuve de changement de la masse terrestre ou de son orbite sur les 400 derniers millions d’années, la diminution du nombre de jours s’explique principalement par le ralentissement de la rotation
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Temps jusqu’au verrouillage naturel
- À partir d’une énergie de rotation de 2.83×10²⁹ J il y a 430 millions d’années, la Terre a perdu 6.92×10²⁸ J jusqu’à aujourd’hui (soit une moyenne annuelle de 1.73×10²⁰ J)
- La friction étant proportionnelle au carré de la vitesse relative, un calcul précis doit tenir compte du ralentissement progressif
- Sur la base du taux historique de dissipation, il est estimé qu’un verrouillage gravitationnel naturel avec la Lune prendrait environ 10,468 milliards d’années
Détruire la Terre en 1 000 ans (Destroy Earth in 1,000 Years)
- L’exploitation de l’énergie marémotrice accélérerait le ralentissement, et si seulement 1 % de la consommation énergétique mondiale provenait des marées, la Terre pourrait se verrouiller sur la Lune en environ 1 000 ans
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Base du calcul
- En 2013, la consommation énergétique mondiale était d’environ 5.67×10²⁰ J, en hausse de plus de 2 % par an sur les 50 années précédentes, tandis que la croissance économique mondiale était d’environ 3 %
- Si 1 % est couvert par les marées, l’énergie de rotation terrestre diminuerait de 5.67×10¹⁸ J par an
- En résolvant N lorsque l’énergie totale tombe jusqu’à la valeur au moment du verrouillage (2.32×10²⁶ J), on obtient environ 1031 ans
- C’est une estimation très grossière, mais elle montre à quelle vitesse le ralentissement de la rotation pourrait s’accélérer
À la fin (In The End)
- Le résultat de la friction de marée serait la disparition de la rotation terrestre ; la Terre et la Lune deviendraient un système binaire tournant autour de leur barycentre une fois par mois, et un jour durerait autant qu’un mois
- La Lune s’éloigne de 38.247 mm par an sous l’effet de la tidal acceleration, ce qui augmente le moment d’inertie du système Terre-Lune et ralentit encore la rotation, de sorte qu’une année compterait moins de 12 mois
- Après le verrouillage, un jour durerait plus de 30 fois plus longtemps qu’aujourd’hui ; un côté connaîtrait une chaleur extrême, l’autre un froid extrême, et les forts gradients de pression provoqueraient de puissants courants océaniques et d’énormes tempêtes, rendant la survie de la plupart des formes de vie difficile
Prédictions (Predictions)
- Une prédiction issue de cette compréhension est la super-rotation du noyau interne (inner core super-rotation), selon laquelle le noyau interne terrestre tourne plus vite que le reste de la planète
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Fondements sismiques
- Lors d’un séisme, les ondes P (mouvement dans la direction de propagation) et les ondes S (mouvement transversal perpendiculaire) se propagent ; les ondes S nécessitent une contrainte de cisaillement et ne peuvent donc pas traverser les liquides
- Comme les ondes S ne traversent pas le noyau externe, on en déduit que le noyau externe est liquide
- Le noyau externe liquide découple (decoupling) la rotation du noyau interne et celle du manteau ; quand le manteau est freiné par les marées, le noyau interne ne ralentit pas au même rythme et tourne donc plus vite
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Preuves observationnelles
- Xiaodong Song et Paul Richards, du Lamont–Doherty Earth Observatory, ont présenté des preuves sismologiques d’une super-rotation de 0,4 à 1,8 degré par an
- D’autres études estiment cette super-rotation à 3 degrés par an
Conclusions (Conclusions)
- La consommation d’énergie marémotrice pourrait entraîner des risques plus importants que la combustion de combustibles fossiles, tandis que la demande énergétique continue d’augmenter avec la diffusion de machines et d’infrastructures à haut rendement
- Si l’énergie marémotrice devait répondre à cette demande, l’épuisement de l’énergie de rotation terrestre en environ 1 000 ans deviendrait possible, bien plus vite que par dissipation naturelle
- Tout comme peu de gens croyaient il y a un siècle que les combustibles fossiles provoqueraient le réchauffement climatique, beaucoup ignorent aujourd’hui ces risques et confondent encore l’énergie marémotrice avec une ressource renouvelable
- Pour protéger la Terre, il faut éviter l’exploitation de l’énergie marémotrice et laisser aux générations futures le temps de développer des solutions durables (nécessité d’éviter l’exploitation marémotrice)
1 commentaires
Avis de Hacker News
L’hypothèse la plus importante de cet article est que la consommation d’énergie augmente de 2 % par an. Une telle croissance exponentielle porterait la quantité d’énergie marémotrice demandée par la société à un niveau absurde.
La consommation d’énergie a déjà montré des signes de découplage avec la croissance démographique ou économique. Combien d’énergie utiliserons-nous dans 1 000 ans ? La plupart des projections démographiques envisagent une stabilisation autour de 15 milliards de personnes, mais si l’on suppose avec optimisme que le taux de croissance actuel se poursuit, on arrive à environ 150 000 milliards de personnes dans 1 000 ans.
Et avec un taux de croissance de 2 %, chacune de ces personnes consommerait 20 000 fois plus d’énergie qu’un humain vers 2023. Même les technologies modernes gaspillent environ 80 % de l’énergie consommée, ce qui signifie une consommation d’énergie utile par personne 100 000 fois supérieure.
La physique présentée sur cette page me semble donc être un bon examen de l’ampleur étonnante que peut prendre l’effet composé d’une croissance exponentielle incontrôlée.
D’après l’article, l’énergie marémotrice se dissipe par frottement entre l’eau de mer et les fonds marins, et cette énergie dissipée est soustraite à l’énergie de rotation de la Terre. Une partie de l’énergie de rotation est aussi transférée à la Lune, ce qui l’éloigne davantage. Jusque-là, rien à redire.
La seconde hypothèse de l’auteur est qu’exploiter l’énergie marémotrice retire d’autant plus d’énergie supplémentaire à la rotation terrestre. Mais est-ce vraiment le cas ? Il se pourrait que l’énergie marémotrice extraite par les humains provienne d’un « budget » fixe, et que seul le reste se dissipe naturellement. Plus les humains en prélèvent, moins il y aurait d’énergie marémotrice dissipée par frottement entre l’eau de mer et les fonds marins.
C’est un peu comme l’énergie solaire entrante. Elle est énorme mais, si l’on met de côté les variations, sa quantité est fixe, et nous ne pouvons exploiter qu’une partie de ce potentiel ; la quantité totale disponible n’augmente pas. La part que les humains n’utilisent pas est absorbée par d’autres processus naturels ou rayonnée.
Je n’oserais pas deviner lequel des deux scénarios est le bon, mais il serait intéressant de déterminer quel modèle convient.
https://dothemath.ucsd.edu/2012/04/economist-meets-physicist...
L’hypothèse selon laquelle la croissance économique de long terme se poursuit à taux constant est intégrée à la majeure partie de l’économie orthodoxe et des politiques économiques actuelles. Même des auteurs apparemment hétérodoxes comme Thomas Piketty supposent dans Le Capital au XXIe siècle que la croissance se poursuit indéfiniment.
Ce n’est donc pas tant une critique de Liu qu’une critique des cibles que Liu vise généralement.
Une humanité partie dans l’espace pourrait peut-être utiliser une telle puissance, mais si elle vit dans l’espace, elle ne fait plus vraiment partie de la biosphère terrestre.
Je ne sais pas si l’auteur en avait conscience, mais en réalité il ne parle pas de la durabilité de l’énergie marémotrice, mais de l’absurdité de l’hypothèse d’une croissance exponentielle. Cela devient évident si l’on regarde ce que signifie le taux de croissance de 2 % supposé dans l’article
En 2008, la consommation mondiale d’énergie était estimée à 474 exajoules. L’énergie totale que la Terre reçoit du Soleil en un an est d’environ 5 millions d’exajoules, dont seule une partie atteint la surface. 5 millions, c’est bien plus que 474. Mais avec un taux de croissance en apparence modeste de 2 % par an, comme entre 1980 et 2006, il faudrait moins de 500 ans pour que la consommation d’énergie atteigne ces 5 millions d’exajoules
Quand on y pense, si la consommation d’énergie continue d’augmenter au rythme actuel, dans 500 ans soit nous utiliserons toute l’énergie solaire reçue par la Terre, c’est-à-dire qu’il ne restera rien pour la biosphère, soit nous devrons avoir trouvé une technologie magique produisant 5 millions d’exajoules par an. Et même avec cette technologie magique, où rejetterait-on cette chaleur supplémentaire ? Ce serait en pratique comme poser un deuxième Soleil sur Terre et nous faire cuire
Les chiffres ci-dessus viennent d’un texte écrit en 2010, ils peuvent donc être un peu datés. Mais Sabine Hossenfelder a récemment fait une vidéo sur une échelle de temps similaire, à savoir le problème des océans qui bouillent en moins de 400 ans : https://www.youtube.com/watch?v=9vRtA7STvH4
Dans quelques centaines d’années, des archéologues d’Internet retrouveront peut-être ce commentaire comme l’un des premiers signes de la crise énergétique mondiale à venir. De la même manière qu’aujourd’hui nous lisons le bref article « Coal Consumption Affecting Climate » du Rodney & Otamatea Times de 1912[0]
Puis ils retrouveront aussi ce commentaire…
[0] https://paperspast.natlib.govt.nz/newspapers/rodney-and-otam...
La population mondiale devrait atteindre un pic environ 30 % au-dessus de son niveau actuel, puis redescendre. Elle pourrait peut-être se stabiliser autour de 7 milliards d’habitants. Pour vivre vraiment heureux, il semble qu’il faille environ 200 GJ par personne[1] ; supposons donc 300 GJ par personne
Même à un niveau durable, 2 000 EJ par an suffiraient pour vivre heureux. D’après les chiffres ci-dessus, c’est moins de 1 % de l’énergie fournie par le Soleil
[1] https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2...
J’essaie de voir si c’est beaucoup ou non. D’un côté, on ne peut pas dire que ce soit forcément énorme. Il n’y a pas de limite supérieure stricte à ce ratio, et l’énergie métabolique humaine est un dénominateur arbitraire. Mais, très grossièrement, on peut quand même l’interpréter comme le fait que nous consommons en moyenne chaque jour le produit du travail de 15 personnes
Bien sûr, la distribution est très déséquilibrée. Pour un Américain ou un Européen moyen, le ratio est probablement bien plus élevé
Cela montre aussi à quel point nous menons en moyenne une vie gilded. Avant la révolution industrielle, presque toute l’énergie venait de la force musculaire, ce qui revient un peu à avoir 15 serviteurs faisant tourner un générateur pour chaque personne vivante. Une partie de ce chiffre pourrait correspondre à de vrais prestataires de services, nourris par l’alimentation produite grâce à l’agriculture mécanisée
Existe-t-il une limite logique à ce chiffre ? Si l’offre est suffisante, y a-t-il une quantité d’énergie que nous ne pourrions pas utiliser ? Après tout, toute l’énergie que nous produisons sert aux humains ; on pourrait donc voir la consommation d’énergie comme une mesure des besoins énergétiques humains
Mais ce n’est pas tout à fait vrai non plus. Beaucoup d’énergie est gaspillée. Je me demande quelle part de ce chiffre correspond à des vêtements qui vont directement de l’usine à la décharge, à la climatisation laissée allumée toute la nuit, à des moteurs inefficaces et au stockage d’énergie
Je n’ai pas vraiment de conclusion, mais je trouve ce ratio intéressant
http://insideenergy.org/wp-content/uploads//2017/01/historic...
Source :
https://insideenergy.org/2017/01/12/energy-explained/
La phrase « un taux de croissance de 2 % de la consommation mondiale d’énergie devrait être une hypothèse prudente » contient un indice important. Cet article suppose que la consommation d’énergie continue de croître exponentiellement afin d’obtenir un calendrier dans lequel l’énergie de rotation de la Terre serait épuisée en 1 000 ans
Ce qui saute aux yeux, c’est l’hypothèse d’une croissance exponentielle illimitée de 2 % par an. C’est une énorme erreur. Une vérification rapide donne 1,02^1031 = 735 829 316. J’espère que la population sera plus nombreuse et que le niveau de vie de tout le monde s’améliorera, donc je suis convaincu qu’on utilisera beaucoup plus d’énergie qu’aujourd’hui. Mais même ainsi, c’est beaucoup trop. À cette échelle, je ne vois même pas très bien où toute cette énergie devrait aller. À fabriquer de la masse ou des objets ?
Même si la consommation d’énergie atteignait un pic dans seulement 250 ans, elle serait inférieure à 150 fois la consommation actuelle. Je n’ai pas fait le calcul, mais j’ose dire que, dans ce cas, cela nous ferait gagner quelques années de plus sur cette planète.
En 2017, le monde a consommé 9,717 milliards de tonnes équivalent pétrole. En appliquant ce taux de croissance, cela voudrait dire qu’en 986, le monde entier consommait l’équivalent de 13 tonnes de pétrole, soit 515,84 millions de BTU.
Aux États-Unis, un foyer gagnant moins de 20 000 dollars par an et utilisant le bois comme principal combustible de chauffage consomme 50 millions de BTU de bois par an.
On peut discuter les chiffres dans le détail, mais pour un monde de 390 millions d’habitants, une consommation équivalente au combustible d’une dizaine de foyers paraît un peu faible.
Les marées ne dissipent-elles pas de toute façon naturellement une grande partie de cette énergie ? Par exemple, quand on voit les vagues frapper le rivage sur une plage, c’est de l’énergie marémotrice dissipée sous forme de chaleur. Si l’on place une turbine au milieu pour en extraire un travail utile avant qu’elle ne devienne de la chaleur, au final elle finit quand même en chaleur, non ?
Les générateurs marémoteurs actuels fonctionnent soit en plaçant des turbines dans l’eau en mouvement, soit avec un barrage qui retient la marée montante puis relâche l’eau à travers des turbines à marée descendante. Selon la conception précise, ils peuvent ensuite ralentir les courants qui passent au-dessus des fonds marins, réduisant ainsi l’énergie dissipée par frottement sur ces fonds. Mais rien ne garantit que cette réduction compense l’énergie prélevée par le générateur marémoteur.
On peut aussi imaginer d’autres formes de production marémotrice. Recouvrir tout le fond marin d’un immense tapis roulant, par exemple. L’eau qui passe entraînerait la surface du tapis, ce qui produirait de l’électricité. La dissipation totale serait probablement inférieure au frottement naturel des fonds marins, mais ça ne paraît pas très pratique.
Quoi qu’il en soit, tout cela passe à côté de l’essentiel. Comme d’autres commentaires l’ont dit, si la consommation d’énergie humaine augmentait vraiment de 2 % par an pendant 1000 ans, nous aurions des problèmes bien plus graves que le verrouillage gravitationnel avec la Lune.
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_acceleration#Angular_mom...
Donc si on pompe de l’eau vers le haut pour amplifier les marées, on pourrait accélérer la rotation de la Terre et supprimer les secondes intercalaires.
C’est la même vieille erreur que : « Notre enfant mesurait 2 pieds l’an dernier et 3 pieds cette année, donc adulte il sera aussi grand que la maison ! »
« Sur la base du rythme moyen d’augmentation de la consommation mondiale d’énergie au cours des 50 dernières années, si seulement 1 % de la consommation mondiale d’énergie était prélevé sur l’énergie de rotation de la Terre, la rotation terrestre se verrouillerait avec la Lune en environ 1000 ans. »
C’est absurde. J’ai fermé l’article à ce moment-là. D’après ce que je vois ailleurs dans ce fil, ils semblent obtenir ce résultat en extrapolant sur 1000 ans une courbe de croissance exponentielle passant par l’anomalie qu’est la révolution industrielle. Ça peut expliquer le résultat.
Mais ce n’est pas une simple erreur, c’est complètement insane.
Une recherche rapide indique que l’énergie cinétique de rotation de la Terre est plausiblement de 2,1e29 J, et que la consommation mondiale d’énergie est de 22,8 TWh par an. Donc, avec un calcul de coin de table, au rythme de consommation actuel, il resterait à peine… un peu plus de 2 000 milliards d’années.
Beaucoup de commentaires ici soulignent que l’hypothèse d’une consommation d’énergie augmentant de 2 % par an est absurde.
Alors, prenons quelque chose de plus raisonnable : si la consommation annuelle d’énergie se stabilisait à 5 fois son niveau actuel, et si, de façon déraisonnable, 100 % de cette énergie venait des marées, qu’est-ce que ça donnerait ?
Quelle serait alors la décélération de la rotation au bout de 1000 ans ?
Autrement dit, au bout de 1000 ans, la décélération de la rotation serait d’environ 0,001 %.
En lien : https://physics.stackexchange.com/questions/6400/are-tidal-p...
Cette théorie est très intéressante, mais l’auteur la présente avec trop d’assurance pour une affirmation aussi forte.
Pour une raison quelconque, mon téléphone a le caractère ² mais pas ^9. Le premier nombre signifie 1e29.