Les vagues gazeuses dérivantes, Etudes françaises.

Les premières recherches concernant ce mode de dissémination furent débutées le 1er mai 1915 et les premiers essais de production de vague gazeuse eurent lieu dès le 4 mai 1915. Ils se poursuivirent tout au long du conflit. Ces travaux furent conduits sous la direction des capitaines Bied-Charreton et Beccat. Ils nécessitèrent la participation de nombreux chimistes, comme Delépine, Urbain, et Kling. 

Après une première période de recherches et d'essais, il fut convenu que le chlore était le gaz le plus indiqué pour la formation de vague. Successivement, il fut envisagé l'emploi du chlore liquide évacué à l'état de gaz ou gazéifié à la sortie du tube ; chlore combiné au souffre et au charbon dans des fourneaux ; chlore incorporé à des fumées de naphtalines ou d'huiles d'anthracène ; chlore combiné à l'acide chromique en dissolution et chauffé ; chlore réagissant sur une solution de phosphore dans le sulfure de carbone ; chlore barbotant dans des bacs contenant du souffre en fusion ; chlore combiné au sulfure de carbone, vaporisé dans des fourneaux spéciaux : essais de différents types de fourneaux à coke ; essais de fourneaux à brûleurs à liquides. Parallèlement, on étudiait l'emploi des vapeurs nitreuses par un procédé basé sur la réaction de l'acide sulfurique sur un mélange de nitrate de soude, pyrite de fer, réaction qui donne du chlore et des vapeurs nitreuses. Une certaine quantité de chlorosulfure de carbone, introduite dans le mélange, était en outre vaporisée par la chaleur dégagée par la réaction qui était effectuée dans des bacs. 

Les premières expérimentations de toxicité furent pratiquées sur des animaux, des chiens dans un premier temps. Les essais demandèrent des concentrations de chlore extrêmement importantes pour obtenir la mort de l'animal, très souvent supérieures à 6g/m3. On s'aperçut que l'homme présentait une sensibilité particulière au chlore, et que des concentrations plus faibles étaient létales. L'utilisation de nombreux produits fut envisagée et leur utilisation fut comparée à celle du chlore, mais aucun ne fut reconnu supérieur. 

De nombreux essais furent entrepris pour déterminer les propriétés du mélange chlore-phosgène, notamment après la demande du Général commandant en chef du 18 décembre 1915, visant à "prendre des dispositions pour qu'à l'avenir la Collongite entre dans la proportion de 10% dans les envois aux armées pour la formation des vagues" . Ces travaux remarquables permirent de fixer de façon précise, dès janvier 1916, les conditions d'utilisation de ce mélange, notamment grâce aux études du professeur Lebeau . Ainsi, on pu déterminer que la concentration maximale en phosgène dans les bouteilles destinées à l'émission ne pouvait pas dépasser certaines valeurs ; une proportion minimale de 56% de chlore en volume était nécessaire. Au point de vue chimique, les mélanges les plus riches en chlore étaient ceux qui attaquaient le moins le métal mou des robinets des bouteilles. En dessous de ces valeurs en chlore, des cristaux se formaient fréquemment et bouchaient les robinets des bouteilles. La vitesse de vidange était d'autant plus grande que la teneur en chlore était importante. Des essais montrèrent que l'utilisation de phosgène pure ne donnait pas lieu à la vaporisation correcte du gaz, mais à la projection de liquide à la sortie des bouteilles avec une émission de gaz insignifiante. Au delà de 50% de phosgène, la durée de vidange des bouteilles était extrêmement ralentie et incomplète, surtout à température basse (en dessous de 20°C). Plus le mélange était riche en phosgène, plus l'émission donnait lieu à une projection de liquide à la sortie des tuyaux d'émission, préjudiciable à la bonne vaporisation du mélange gazeux. 

Les français adoptèrent le ratio de 25% de phosgène pour 75 % de chlore, avec parfois près de 5kg d'opacite ajouté au mélange. Rappelons également que le phosgène n'est gazeux qu'au dessus de 8°C et que son utilisation pure en bouteille est absolument inenvisageable aux faibles températures. Les bouteilles ne se vidangent pas et si l'on chasse leur contenu par de l'air comprimé, le phosgène ne se vaporise pas. Le chlore est le vecteur de la vague, il entraîne avec lui le phosgène.

Voici le résumé de quelques essais qui permirent de déterminer les conditions les plus favorables aux émissions : 

Expérience du 6 juillet 1915 :

Vague opaque à 16h53, vent de 3,2m/s. On ouvre une bouteille de chlore + chlorure d'étain. La vague est très dense, sa dispersion à 150m ne dépasse pas 12m en hauteur. Avec un appareil Draeger et des lunettes, on tient très bien au centre du nuage à une vingtaine de m du point d'émission ; seul un léger picotement des yeux gêne l'observateur.

Vague transparente à 17h03, mélange chlore + chlorosulfure. A 170m, l'agressivité est telle qu'on ne peut pas tenir à 170m. L'emploi du masque et du baillon est nettement insuffisant pour tenir quelques instants. 

Expérience du 8 juillet 1915 (prélèvements et analyses par Delépine et son collaborateur, Monsieur Douris) :

3 bouteilles sont placées tous les 20 mètres. La première est ouverte à 16h17, la deuxième 6 minutes 15 après et la troisième 2 minutes 30 après.

Dans la vague chlore + chlorure d'étain, les expérimentateurs ne tiennent que quelques instants avec l'aide d'un baillon. Le chlorure d'étain . A 500m, il est impossible de tenir plus de quelques secondes sans protection. A plus de 2km, l'effet du gaz était encore extrêmement gênant. 

Un lapin placé à 100m du point d'émission présente dès l'arrivée du nuage une respiration très saccadée, puis un arrêt respiratoire et des signes de suffocation. Après le passage de la vague, sa respiration redevient normale. Un autre lapin convulse rapidement et décède dans les dix minutes. 

Expérience du 14 janvier 1616

à 15h20. Vague chlore + opacite et chlore + clairsite

Température : 5,4, humidité 61, vent : 2,1 à 1,1

10 bouteilles de 33l vidées, placées de 3m en 3m, durée moyenne d'évacuation : 10m30. dB : 1,33kg/m/min

à 15h42. Vague chlore + opacite + phosgène

Température : 4,5 humidité 70, vent : 1,4 à 1,7

8 bouteilles de 33l vidées, placées de 3m en 3m, durée moyenne d'évacuation : 10m05. dB : 1,25kg/m/min

Teneur en chlore en mg/m3

Expérience du 19 janvier à 15h. Vague chlore + opacite

Température : 7,2, humidité 79, vent : 5

5 bouteilles de 22l vidées et 5 de 10l, placées de 3m en 3m,  dB : 0,95kg/m/min

Mr Lebeau rappel qu'il avait effectué un dosage dans une tranchée située à quelques mètres des bouteilles pour trouver un résultat moyen de 0,7 g/m3.

Expérience sur les vagues chlore + phosgène.

Toutes les bouteilles sont chargées en mélange binaire chlore+phosgène (75/25)

Expérience du 19 mars :

Température : 0, humidité 50, vent : 0,5

2 bouteilles distantes de 10 m. Soit 2g/m/s

Données exprimées en chlore total (dosage après prélèvement par ampoules de 1,08 litres, trois prélèvements à chaque poste)

Données comparatives : 

Expérience du 29 mars : 

Température : 3,9, humidité 64, vent : 2,3 à 1,70

7 bouteilles partagées en 3 postes : un de 3 et deux de 2, espacés de 20m (près de 5g/m/s).

Première période de 17h15 à 17h26 ; deux prélèvements consécutifs de 5 minutes sont faits avec l'appareil à prélèvement continu de Delépine, à 70 m du front d'émission, au font d'une tranchée.

Seconde période, de 17h30 à 17h36 ; on a dosé le chlore libre à la surface du sol au même endroit, sur un prélèvement de 5 minutes.

La vitesse du vent a baissée, de 2,30 jusqu'à 1,5m/s ; la vague qui avait un aspect alors uniforme et transparent, est devenue opaque et verdâtre sur une hauteur de près d'un mètre,  jusqu'à 70 à 80 mètres du front. Cela correspond à une élévation très sérieuse de la concentration en chlore libre (1,87 à fleur de sol  au lieu de 0,7 au fond de la tranchée).

Ce changement léger de la vitesse du vent donne un concentration de chlore jusqu'à près de trois fois supérieure à celui du début de l'émission. Cette expérience met ainsi en exergue l'importance primordiale de la vitesse du vent sur la concentration de la vague.

La vidange de ces bouteilles a été très irrégulière : de 2 à 3,55 kg/min. L'examen des tubes plongeurs de ces bouteilles fait ultérieurement, montrera un dépôt de chlorure ferreux, dus à une dessiccation insuffisante des bouteilles avant chargement.

Expérience du 9 avril : 

Par vent de 3 à 3,5 m, le but de l'essai était de faire des dosages de Chlore libre et de chlore total à des distances entre 30 et 300m.

On utilisa quinze bouteilles répartis en groupe de 3 sur cinq postes, distant de 20 mètres, soit 80 mètre de front. Deux vagues successives ont été émises. A 50 mètres, le débit est de 7g/m.

Première vague :

Température : 14, humidité 41, vent : 3 à 3,5

Deuxième vague :

Température : 14, humidité 43, vent : 2,6 à 2

Ces données confirmes que la vague s'est fortement dispersée avant 200m.

Pour la suite des calculs, on admit que la teneur en phosgène, fut égale à la différence entre le chlore libre et le chlore total, malgré la transformation d'une faible proportion de chlore libre en HCl à l'air libre (ces données seront validées ultérieurement lors de nouveaux dosages).

Le rapport phosgène/chlore, par vent faible, augmente considérablement tout au long de la progression de la vague. La densité du phosgène étant plus élevée, il diffuse moins en hauteur que le chlore et colle plus au sol.

Expérience du 20 avril :

Elle avait pour but de reproduire les essais précédant, mais par vent fort.

Deux séries de prélèvements furent effectués : première série avec appareil à prélèvement continu de Delépine pour mesurer le chlore libre ; la deuxième avec appareil de Kling à prélèvement continu permettant de mesurer le chlore libre et le phosgène directement.

Le professeur Lebeau s'est placé directement dans la vague à différents points pour apprécier la possibilité de tenir sans masque dans celle-ci.

L'émission a été prolongée sur une durée de 23 minutes, en remplaçant les bouteilles vides par une pleine, au fur et à mesure de la vidange. Le débit fut de 7,6g/m/s. Température : 10, humidité 45, vent : de 6 à 8 m/s

Résultats de Mr Kling et Delépine

A 300 m, Le professeur Lebeau, en soulevant son masque, a perçu l'odeur du chlore mais pas celle du phosgène. A 600m, il estime qu'il aurait pu tenir la durée de la vague, l'odeur n'étant que peu perceptible.

On constate que par vent au delà de 6m, les teneurs chlore et phosgène ne sont plus toxiques au delà de 200m, que la proportion chlore/phosgène reste constante dans la progression de la vague (la teneur en phosgène comparée au chlore augmentait dans une vague par vent de 2 à 3m).

Une nouvelle série de mesures fut entrepris pour déterminer les conditions d'émission les plus favorables.

Lors de ces nouveaux essais, le front d'émission fut à chaque fois identique, d'une longueur de 100 mètres, et constitué de 5 postes distants de 20 mètres.

Expérience du 1er mai 1916 : 

Vague chlore-phosgène-opacite, 3 bouteilles de 33l par poste, chaque bouteille reliée à une lance d'émission individuelle, située à 1,50m du sol. La vague dure 10 minutes.

Température : 16, humidité 60, vent : 1,30 à 0,6. Le poids émis par seconde et mètre de front est de 9g. Le temps est couvert, le vent est absolument régulier en vitesse et en direction ;  la vague garde une cohésion parfaite.

Expérience du 9 mai 1916 : 

Vague chlore-phosgène-opacite, 6 bouteilles de 33l par poste, accouplées par tuyauterie métallique à 6 branches et se vidant par une seule lance d'émission, située à 0,15 m du sol. La vague dure 10 minutes.

Température : 21, humidité 40, vent : 2,5 à 6. Soleil assez fort.  Le poids émis par seconde et mètre de front est de 21,4g, la valeur la plus forte obtenue jusque là. Le vent fort rendra la vague peu homogène.

Malgré une intensité d'émission 2,4 fois plus élevée que celle du 1er mai, les valeurs en concentration sont nettement inférieurs à celles du 1er mai. Ces différences sont corrélatives aux différences de conditions météorologiques.

L'influence des conditions atmosphériques sur la teneur nocive des vagues domine donc nettement celle de l'intensité de l'émission. Ce point est absolument fondamental et fut découvert lors de cette journée.

Expérience du 17 juin : 

Deux vague successives chlore-opacite. Première : 3 bouteilles de 33l par poste, accouplées par tuyauterie métallique à 3 branches et se vidant par une seule lance d'émission, située à 0,15 m du sol. Deuxième : 6 bouteilles de 33l par poste, accouplées par tuyauterie métallique à 6 branches et se vidant par une seule lance d'émission, située à 0,15 m du sol.

Température : 12, humidité 45, vent : 4. Soleil faible. Vent de direction variable . Le poids émis par seconde et mètre de front est de 8,6g pour la première vague et de 21,7g/s/m pour la deuxième. Le vent irrégulier rendra la vague peu homogène.

L'intensité d'émission de la 2iem vague a été 2,52 fois plus forte que la première, alors que le nombre de bouteilles par poste était seulement double. Cette supériorité de débit est le résultat de la forme plus favorable donnée à la tuyauterie d'accouplement de 6 bouteilles par rapport à 3. Il correspond à un débit de 26,1 kg/m par groupe de 6 bouteilles accouplées. Comparé au débit d'émission obtenu en abris profond aux mêmes températures (15,06 kg), on constate que l'émission en abris profond réduit considérablement le débit.

Les teneurs aux différentes distances ont été 3 à 4 fois plus fortes dans la deuxième vague que dans la première, pour une intensité d'émission seulement 2,52 fois plus forte. Et comparée à la vague du 1er mai, la deuxième vague du 17 juin malgré une intensité d'émission 2,4 fois plus forte, a donné des valeurs 2 à 5 fois plus faibles.

Les conclusions de cette série d'essais sont les suivantes : 

Il y a un avantage sérieux, au point de vue des valeurs nocives, à opérer par vent aussi faible et régulier que possible, à opérer en l'absence de soleil (temps couvert ou de nuit). L'émission en abris profonds par groupes de bouteilles accouplées en série réduit l'intensité du débit dans un rapport qui peut atteindre 40%. Les tuyauteries d'accouplement à 6 bouteilles donnent un débit par bouteille supérieur à celles d'accouplement à 3 bouteilles.

Les concentrations nocives obtenues sont essentiellement fonction des conditions atmosphériques. Elles dominent très nettement celles de l'intensité de l'émission. Une opération par vague gazeuse ne peut être réussit que si différents facteurs sont réunis. L'essentiel est la vitesse et la constance du vent. Vient ensuite les phénomènes de convection qui résultent essentiellement de la chaleur diffusée par les rayons du soleil. Enfin, le débit de gaz obtenue à la sortie des bouteilles. 

D'une façon plus générale :