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Physique

Le pouvoir des collisions

Le choc entre les grains est le principal 
moteur des tempêtes de sable

Publié en septembre 2013

Temps couvert: tempête de poussière sur la route qui relie les villes de Melbourne et de Geelong, en Australie

DAVID EAST / SCIENCE PHOTO LIBRARYTemps couvert: tempête de poussière sur la route qui relie les villes de Melbourne et de Geelong, en AustralieDAVID EAST / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Les ingrédients de base d’une tempête de sable sont, évidemment, beaucoup de vent et beaucoup de sable. Aucun chercheur n’était cependant encore parvenu à créer un modèle physique basé sur ces deux éléments qui puisse totalement expliquer la force de ces tempêtes. Une étude menée par des physiciens brésiliens et étrangers et publiée au mois d’août dans la revue Physical Review Letters (PRL) permet maintenant de comprendre pourquoi dans des régions proches des grands déserts de la terre, comme celui de Gobi, en Asie, et le Sahara, en Afrique, les tempêtes atteignent des dimensions colossales. Des millions de tonnes de sable et de poussière peuvent être soufflées sur des milliers de kilomètres, bloquant des routes, paralysant le trafic aérien, enfouissant les constructions et érodant le sol arable.

Auparavant, les chercheurs estimaient qu’il était impossible de simuler la trajectoire de chaque grain de sable dans une tempête. Les modèles étaient ainsi habituellement simplifiés. Dans l’un d’eux, les grains virtuels n’entraient pas en collision quand ils étaient soufflés par le vent car l’on pensait que les collisions entre les grains transportés par l’air freinaient l’avancée des tempêtes en limitant la trajectoire des grains. Le contraire vient d’être démontré par une équipe internationale dirigée par le physicien brésilien Marcus Carneiro, de l’Institut Fédéral de Technologie de Zurich (ETH), en Suisse. En comparant des simulations avec et sans collisions entre les grains, les chercheurs ont démontré que les chocs aériens sont fondamentaux pour accroitre le nombre de particules transportées par les tempêtes.

«Pour tenir compte des collisions, il est nécessaire de développer des codes mathématiques suffisamment efficaces et utiliser le potentiel élevé de l’informatique», affirme le physicien portugais Nuno Araújo, également de l’ETH, et deuxième auteur de l’article qui décrit cette découverte, publié dans la revue PRL. Les nouvelles simulations ont seulement suivi la trajectoire d’une poignée de sable, ce qui représente environ 4 mille grains soufflés par un profil de vent simplifié et pour la première fois elles décrivent les collisions de manière réaliste.

Saltons
Les simulations indiquent que les collisions ont plus que doublé la capacité du vent à transporter le sable. On savait déjà que les tempêtes se déclenchaient quand le vent soulevait une couche de sable à quelques centimètres du sol. Certains de ces grains, appelés saltons, volent bien plus haut que les autres, gagnant encore plus d’énergie du vent dont la vitesse augmente avec l’altitude. Parfois les saltons tombent et en créent d’autres quand ils entrent en collision avec les grains se trouvant au ras du sol. Les nouvelles simulations montrent également qu’avant d’arriver près du sol, un salton peut entrer en collision avec d’autres grains sautant un peu plus haut que la hauteur moyenne, leur transférant une partie de leur énergie. Ces collisions dans l’air créeraient davantage de saltons, épaississant ainsi les nuages de sable des tempêtes.

Ce nouveau modèle, outre le fait de prévoir l’intensité des tempêtes, devrait permettre de mieux comprendre la formation et le déplacement des dunes. Selon Nuno Araújo, cette théorie peut être démontrée dans des tests de laboratoire en observant le mouvement de grains artificiels qui possèdent différentes propriétés élastiques. n

Article scientifique
CARNEIRO, M.V. et al. Midair collisions enhance saltation. Physical Review Letters. v. 111, n. 5. 2013.

 

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