Rides éoliennes sur dunes de sable: énigme résolue

Publié par Isabelle le 23/10/2014 à 00:00
Source: ESPCI Paris Tech
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Sur Terre comme sur Mars, les flancs des dunes de sables sont typiquement décorés de rides éoliennes, dont la régularité est particulièrement impressionnante. Mais au-delà de l'émerveillement esthétique, la formation de ces rides reste une énigme. Comment de tels motifs peuvent émerger avec un agencement aussi ordonné, alors que l'espacement des rides est bien plus grand que la taille des grains de sable ?


Rides éoliennes sur des dunes du Sahara Atlantique ©Bruno Andreotti

Le modèle "classique" proposé jusqu'à présent ne prend en compte que les sauts locaux des grains, au voisinage immédiat du lit de sable. Ces sauts sont induits par l'impact d'autres grains, emportés plus tôt en amont par le vent et retombant comme une "pluie" homogène et régulière, indépendante de la présence de rides.
Ce modèle prédit effectivement la formation de rides, mais espacées d'une distance de quelques grains seulement. Or, dans la réalité, les rides éoliennes sont espacées d'une distance 100 à 1000 fois supérieure: ce modèle n'est pas satisfaisant. Il faut inventer un nouveau modèle qui, pour expliquer la croissance et l'espacement des rides, doit introduire des paramètres liés à leur présence.

C'est dans cette optique que Philippe Claudin et Bruno Andreotti, du laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) des milieux hétérogènes, et Orencio Duran, de l'université de Brême (L' université de Brême, fondée en 1971, est le principal établissement...) (Allemagne), ont développé un modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) inédit de grains en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) en écoulement.

Ce modèle décrit ainsi le mécanisme de formation des rides éoliennes: les grains de sable emportés par le vent délogent, lorsqu'ils atterrissent, des grains immobiles du lit de sable. Ceux-ci font alors de petits sauts, plutôt vers le haut, et s'accumulent pour former la crête des rides, comme le montre la vidéo ci-dessous.


Les grains emportés par le vent ne contribuent pas tous de manière égale à la croissance des rides: leur contribution dépend en fait de leur trajectoire. Les grains qui contribuent le plus à la croissance des rides sont ceux qui atterrissent après avoir parcouru une distance proche de l'espacement des rides déjà formées. En d'autres termes, ils atterrissent à peu près au même endroit que celui d'où ils sont partis, mais sur la ride suivante en aval du vent, et délogent à cet endroit-là d'autres grains qui vont s'accumuler vers le sommet de la ride aval. Ce mécanisme "de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...)", illustré par la figure ci-dessous, est l'élément central de ce nouveau modèle numérique: il prend en compte l'espacement des rides pour expliquer leur croissance.


Simulation numérique de la croissance de rides (figure 1 de la publication)©Bruno Andreotti

Lorsque les rides émergent à partir d'un lit de sable initialement plat, leur espacement est le résultat d'un compromis entre ce mécanisme de croissance et un mécanisme de transport des grains vers l'aval de la pente de chaque ride.

Ce nouveau modèle offre une description bien plus exacte de la croissance des rides éoliennes. Contrairement au modèle "classique", il prédit notamment que l'espacement (ou longueur d'onde) des rides, ainsi que la vitesse (On distingue :) avec laquelle les rides "avancent" sous l'effet du vent (vitesse de propagation), augmentent linéairement avec la force du vent. Cette prédiction est en accord avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentales en soufflerie et sur le terrain, non seulement sur Terre mais aussi sur Mars, où l'espacement des rides est typiquement 20 fois plus grand, du fait des différences de paramètres fondamentaux: gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du flux en écoulement (vent).

Mais le modèle va encore plus loin: il prédit que le produit de la longueur d'onde et de la vitesse de propagation est proportionnel au flux de sable transporté par le vent.

La mesure de ce flux nécessite habituellement l'utilisation, sur le terrain, de pièges à sable ou bien de capteurs sensibles au mouvement des grains.


Piège circulaire pour mesurer le transport de sable ©Bruno Andreotti

Comme l'espacement et la vitesse de propagation des rides éoliennes peuvent être facilement mesurés à partir de photos suffisamment résolues, ce nouveau modèle permet d'estimer à distance, à partir de simples calculs, les transports de sable ayant lieu sur Terre, comme sur Mars.

Pour plus d'information voir:
- http://www.pnas.org/content/early/2014/10/15/1413058111
- http://www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2014/rides-dunes.htm
- http://www.pmmh.espci.fr/fr/morphodynamique/index.html
- http://www.espci.fr/fr/actualites/2014/rides-eoliennes-sur-dunes-de-sable-enigme-resolue
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