Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Redbran le Samedi 17/02/2018 à 12:00
Quand des états exotiques de la matière aident à comprendre un précurseur d'El Nino
L'existence d'ondes équatoriales, impliquées dans le phénomène climatique El Nino, peut être comprise à l'aide d'outils utilisés pour décrire la conduction électronique dans les isolants topologiques. Ce résultat de recherche met ainsi en évidence une analogie inattendue entre ondes géophysiques et ondes électroniques.


Propagation d'une anomalie de température dans l'océan pacifique (L'océan Pacifique, qui s'étend sur une surface de 180 000 000 km², est l'océan le plus vaste du globe terrestre. Il comprend entièrement l'Océanie et quelques autres îles et archipels qui traditionnellement font partie de...) entre le 1er novembre 2009 (à gauche) et le 1er décembre 2009 (à droite). La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) correspond à des anomalies de températures d'environ +2 degrés. On voit la propagation vers l'est d'une anomalie de température positive piégée à l'équateur. Il s'agit d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...) équatoriale, précurseur du phénomène El Nino. Image: Courtesy NASA/JPL-Caltech. Source: Jet Propulsion Laboratory (Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), basé à Pasadena aux États-Unis, est une joint-venture entre la NASA et le Caltech qui est chargé de la construction et de la supervision des vols non-habités de la NASA.).

Les ondes équatoriales atmosphériques et océaniques correspondent à des anomalies de température qui se propagent le long de l'équateur à l'échelle planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés...). Certaines de ces ondes ne peuvent se propager que d'ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).) en est. C'est le cas des ondes de Kelvin, observées notamment dans le Pacifique et identifiées comme un des précurseurs du phénomène El Nino. Ces ondes unidirectionnelles ont été découvertes dans les années 1960, mais leur origine physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) restait jusque-là mystérieuse. En utilisant des outils de topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) développés ces dernières années dans un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autre domaine de la physique, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) condensée, des physiciens du Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1) et du département de physique de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Brown ont expliqué l'origine et la robustesse de ces ondes unidirectionnelles, piégées à l'équateur. Ils ont ainsi mis en évidence une analogie inattendue entre ondes géophysiques et ondes électroniques. Ce travail a été publié dans la revue Science.

La topologie permet de classer les objets selon la possibilité que l'on a de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de l'un à l'autre de façon continue. Ainsi, une tasse à café et un donut appartiennent à la même classe topologique car l'on peut déformer continument la tasse à café jusqu'à former un donut. Les deux ont en effet un seul trou (l'anse de la tasse, le trou central du donut). Tandis que l'on ne pourrait pas déformer un croissant pour former un donut par exemple, car il faudrait creuser un trou dans le croissant, donc créer une discontinuité. La topologie permet aussi de classer des objets plus abstraits comme des familles d'ondes se propageant dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) donné. Les propriétés topologiques ne décrivent dans ce cas plus l'existence de trous dans le matériau, mais de singularités dans cet ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) d'ondes. Les physiciens de la matière condensée ont relié les propriétés remarquables de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) exotiques, isolants en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) mais très bon conducteurs électriques aux bords à l'existence de singularités dans ces familles d'ondes (l'équivalent des trous dans l'exemple de la tasse et du donut). Ils ont établi une correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt qu'administratifs.) entre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ces singularités et le nombre d'états unidirectionnels se propageant sans dissipation le long des bords de ces matériaux. La nature topologique de ces ondes confère aux matériaux des propriétés de conduction de bord très robustes, qui ne varient pas d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) à l'autre, de la même manière que le nombre de trous ne varie pas lorsque l'on passe de la tasse au donut. De même que la topologie explique l'émergence d'ondes électroniques piégées aux bords de ces matériaux, les physiciens ont montré qu'elle explique l'existence d'ondes unidirectionnelles dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), qui se comportent comme les ondes de Kelvin piégées à l'équateur.

Pour mettre en évidence l'existence d'ondes géophysiques topologiques, il a fallu dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) chercher des systèmes physiques fluides présentant les ingrédients minimaux pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) d'ondes de bords unidirectionnelles. Le choix s'est porté sur une fine couche de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des...) entourant une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de...) en rotation, modèle couramment utilisé pour décrire la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de l'atmosphère ou des océans. Ce système possède les ingrédients essentiels à l'apparition d'ondes topologiques grâce au double rôle joué par la force de Coriolis (Dans un système de référence (référentiel) en rotation uniforme, les corps en mouvement, tels que vus par un observateur partageant le même référentiel, apparaissent sujets à une force d'inertie perpendiculaire à la...). D'une part, elle brise la symétrie par renversement du temps. Or, dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de...) des isolants topologiques, il y a de fortes chances de voir apparaître des ondes avec des propriétés topologiques particulières si l'on brise cette symétrie temporelle. D'autre part, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) de Coriolis change de signe à l'équateur, lui faisant ainsi jouer le rôle d'une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) analogue au bord d'un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un isolant...) topologique.

Les chercheurs ont ensuite calculé un invariant topologique (l'équivalent du nombre de trous dans notre exemple "tasse-donut") pour les familles d'ondes du modèle fluide. Ici, l'invariant correspond au nombre de singularités dans cet ensemble d'ondes. Ils ont relié cet invariant au nombre d'états unidirectionnels observés à l'équateur (en l'occurrence 2), et réalisé des simulations numériques montrant la robustesse des ondes équatoriales en présence de topographie, qui était jusque-là vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) comme une source de désordre dans le système.

Les recherches se poursuivent afin de déterminer quelles pourraient être les autres manifestations physiques dans les fluides de cette propriété topologique.

Référence publication:
Topological origin of Equatorial waves
Pierre Delplace, J. B. Marston et Antoine Venaille
Science (2017), doi:10.1126/science.aan8819
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv

Contact chercheur:
- Antoine Venaille, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
- Pierre Delplace, chercheur CNRS

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: CNRS-INP