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 facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de forçage. 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).) 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 composition interne · notée multiplicativement, est un...) 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 interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets...). 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 à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée d'hydrogène...). 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 amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations...) 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 l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont...) dominant est-ouest dans la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère...) 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 arbitraire.). 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 l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan...) 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 région donnée pendant une période de temps donnée. Il se...) hivernal en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...). Elle tire son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) non-linéaire du Laboratoire de physique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de données....) 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 d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) Diderot/Sorbonne Université) a construit une expérience consistant à placer un 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...) stratifié en densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) 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 organismes vivants connus.) salée, a ainsi une masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du...) plus faible en haut qu'en bas, situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre...) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) 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 moyens à grands félins. Ce terme est également employé pour distinguer les grands félins — grand fauves — du...)
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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) au 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).)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique statistique de l'ENS (LPS, CNRS/ENS Paris/Univ. Paris Diderot/Sorbonne Université)
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