Reproduire un phénomène de la stratosphère en laboratoire

Publié par Redbran le 17/12/2018 à 14:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens ont créé un dispositif expérimental capable de reproduire à petite échelle l'oscillation quasi-biennale de la stratosphère équatoriale. Il s'agit d'un exemple rare d'étude expérimentale d'un phénomène climatique, domaine où l'on dispose surtout de simulations numériques.


Diagramme spatio-temporel montrant l'écoulement moyen d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) pris entre les deux cylindres du dispositif expérimental (hauteur 404 mm), soumis à des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de forçage. La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) correspond à la vitesse (On distingue :) de l'écoulement moyen (en mm/s). On observe qu'il s'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) toutes les 3000 secondes, une période bien supérieure à celle des ondes de forçage (15 s). @ 2018 American Physical Society

La plupart des phénomènes périodiques climatiques ont une période liée à un forçage astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...). Par exemple, le cycle des saisons dure un an parce que cela correspond à la durée d'une révolution terrestre autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Toutefois, un phénomène est célèbre pour ne pas s'y plier: l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) quasi-biennale (QBO). Il s'agit d'un renversement du sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) dominant est-ouest dans la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la...) équatoriale, qui oscille avec une période d'environ 28 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...). L'oscillation quasi-biennale a une influence sur les ouragans en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et sur le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une...) hivernal en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...). Elle tire son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) d'ondes dans la stratosphère, en particulier des ondes internes de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (analogues aux vagues dans l'océan), qui engendrent un écoulement moyen correspondant au vent observé.

Ce phénomène atmosphérique atypique demande des conditions particulières qu'il est difficile de récréer en laboratoire. Deux expériences (1978 et 1998) ont réussi à reproduire qualitativement le phénomène, mais il manquait une étude quantitative du mécanisme sous-jacent. Alors qu'une anomalie a récemment été détectée dans l'oscillation (en 2015- 2016), il est d'autant plus précieux d'adjoindre aux modèles de simulation du climat les rares études expérimentales des phénomènes climatiques.

L'équipe de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) non-linéaire du Laboratoire de physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...) de l'ENS (LPS, CNRS/ENS Paris/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Diderot/Sorbonne Université) a construit une expérience consistant à placer un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) stratifié en densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) entre deux cylindres concentriques (diamètre et hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de l'ordre de 0,5 m). Le fluide, de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) salée, a ainsi une masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) plus faible en haut qu'en bas, situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) analogue à celle observée dans la stratosphère. Des ondes internes sont forcées dans le liquide, grâce à un système de 16 membranes oscillantes au contact de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'eau.

Grâce à cette expérience, les chercheurs ont montré que si l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du mouvement des membranes (et donc celle des ondes émises) est suffisante, ces ondes de période courte (15 s) engendrent un écoulement moyen qui se renverse avec une période beaucoup plus longue (de l'ordre de 3 000 s).

L'étude publiée dans Physical Review Letters est la première à détailler la nature de la bifurcation, c'est-à-dire la manière suivant laquelle on passe d'un état sans écoulement moyen (à faible amplitude de forçage) à un état où l'écoulement moyen est non nul (à forte amplitude de forçage). Suivant le mécanisme dominant de dissipation des ondes, le scénario est différent: la transition d'un état avec un fort écoulement moyen à un état sans écoulement peut se faire de manière brutale ou continue.

Cette étude sur un système modèle montre que différents scénarios d'évolution de l'oscillation quasi-biennale sont possibles ; scénarios qui pourraient permettre une meilleure compréhension des phénomènes climatiques. Cette approche s'appliquerait également à l'étude d'oscillations comparables au QBO se produisant dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) des planètes géantes comme Saturne ou Jupiter, ou encore à l'intérieur des étoiles.

Référence publication:
Nonlinear saturation of the large scale flow in a laboratory model of the quasibiennial oscillation
B. Semin, N. Garroum, F. Pétrélis et S. Fauve (Fauve se réfère au sens large aux Mammifères carnivores, et en particulier aux...)
Physical Review Letters(2018), doi: doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.134502

Contact chercheur:
Benoit Semin, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de l'ENS (LPS, CNRS/ENS Paris/Univ. Paris Diderot/Sorbonne Université)
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