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Des "manèges" pour simuler l’atmosphère et les océans en laboratoire

Jeudi 15 mars 2012, Frédéric Moisy, Laboratoire Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques

jeudi 10 mai 2012

Le jeudi 15 mars 2012, c’est au laboratoire FAST (Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques) que les participants au jeudi de la recherche avaient rendez-vous. Frédéric MOISY, Maître de Conférences à l’Université Paris-Sud, était là pour les accueillir et les emmener faire un petit tour au sein de turbulences en rotation…

Simuler les océans… pour prédire le temps.

L’un des axes de recherche du laboratoire est l’étude des écoulements géophysiques (flux océaniques et atmosphériques). Si Frédéric Moisy s’est penché de plus près sur les océans, c’est que pour bien comprendre le climat, il faut avant tout bien comprendre les courants océaniques (tels que le Gulf stream). Les grands courants atmosphériques (comme les alizés) jouent quant à eux un rôle primordial en météorologie pour la prédiction de formation de cyclones ainsi que de leur trajectoire. Afin de mieux appréhender ces notions, la visite commence par une petite conférence dans les locaux du FAST. Ouragans dans l’océan atlantique, typhons dans le pacifique, les cyclones se créent tous de la même façon et possèdent le même schéma de parcours. Tout d’abord, s’ils naissent au-dessus des eaux, c’est qu’ils nécessitent une force ascendante verticale qui vient de l’évaporation de la mer et qui sert de moteur. Et s’ils tournent, c’est dû à la force de Coriolis, chef d’orchestre des grands courants océaniques et atmosphériques. Leur rotation va toujours dans le même sens : celui des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère sud, celui inverse dans l’hémisphère nord. Mais d’ailleurs, la force de Coriolis, c’est quoi au juste ? Eh bien déjà, ce n’est pas une force à proprement parlé ! Tout est question de référentiel, et le notre, c’est celui de la Terre, qui tourne. Imaginons un tourniquet, avec deux enfants l’un en face de l’autre, cherchant à se passer un ballon en le faisant rouler. Si nous sommes l’un de ces enfants, lorsqu’on fait rouler le ballon vers notre camarade, le ballon refuse d’aller droit, en apparence. Il tourne, et notre ami en face de nous ne parvient pas à l’attraper. Mais si nous nous mettons à la place d’un observateur extérieur – ce qui implique un changement de référentiel – nous voyons bien que le ballon va tout droit, et qu’en réalité, ce sont les enfants qui ont tourné avec le tourniquet ! Et voilà la force de Coriolis démystifiée, mais expliquée. Ainsi, de par l’effet de la "force" de Coriolis, c’est parce que la Terre est en rotation que les cyclones se forment en tournant, puis qu’ils observent une trajectoire courbe. Une fois le mouvement entamé, la rotation s’amplifie grâce aux courants d’air ascendants, et devient autonome. Afin de comprendre précisément la formation mais aussi la trajectoire des écoulements géophysiques, il faut prendre en compte la rotation, la stratification (due à la concentration en sels et la température dans les océans) et la topographie des sols océaniques.

Etude des mouvements en laboratoire

Nous avons donc notre sujet d’études : les cyclones – turbulences en rotation. Pour les étudier pleinement, il faudrait prendre en compte les trois influences précitées. Mais un bon chercheur sait qu’il est plus simple et parfois même plus efficace d’étudier un phénomène séparément, sans que d’autres ne viennent interférer. Voilà pourquoi Frédéric Moisy et son équipe ont décidé de se concentrer sur le processus de rotation. Si cette étude ne peut suffire à elle seule à comprendre les écoulements géophysiques, la caractérisation de la rotation permettra d’avancer dans cette compréhension. Une fois les autres influences étudiées (stratification, topographie), restera à assembler les données et déterminer les interactions menant à la formation et l’évolution des cyclones. Mais avant d’en arriver là, revenons à notre rotation : comment la reproduire en laboratoire ? Première chose : se placer dans un référentiel tournant ! L’idée est de mettre un réservoir d’eau au centre d’une plateforme en rotation – qui peut atteindre 30 tours/min –, d’y créer une turbulence en agitant simplement l’eau, puis d’observer ce qui se passe. Et voilà, nous avons tout ce qu’il faut pour créer notre propre manège. Place à la pratique !

Un petit tour de Gyroflow

Frédéric Moisy invite ensuite les participants à se rendre dans la partie expérimentale des locaux. Point de vu technique, la "manip" est plutôt simple. Le but est de voir comment va réagir l’eau une foi la turbulence créée, et ce alors que la plateforme tourne. Mais les flux d’eau ne sont pas directement détectables. Du coup, de petites billes de verre, invisibles à l’œil nu (10µm de diamètre), sont placées au fond du réservoir. Très légères, elles sont emportées par les remous et servent ainsi de "rapporteur" des mouvements du liquide. Une caméra de très haute sensibilité, capable de suivre les déplacements d’objets microscopiques, va enregistrer ce qui se passe. Pour que les billes deviennent visibles à cette caméra, le réservoir est éclairé par un faisceau laser. Ce dernier offre une lumière monochrome précise, sans diffusion spatiale, quelque soit la distance. Afin d’observer ce qui se passe sur toute la profondeur du réservoir, le laser utilisé n’est pas un point, mais une nappe – faisceau de lumière vertical. Bien entendu, les appareils de mesure (caméra et laser), sont placés sur la plateforme, pour être dans le même référentiel que le réservoir d’eau. Ainsi, les invités découvrent le "manège" du FAST, gardé en cage. Attention, Gyroflow méchant ? "Pas d’inquiétude, rassure Frédéric Moisy, mais quand un tel engin est poussé à sa vitesse maximale, il faut définir un périmètre de sécurité". La plateforme vaut le déplacement. Caméra, laser et réservoir d’eau, le tout bien arrimé (fig.2a). Les participants ont même eu droit à une petite démonstration, laser allumé dans les limites de sécurité autorisées (fig.2b). La plateforme est mise en rotation, le laser activé. Une turbulence est créée dans le liquide par un bras mécanique. La caméra va alors enregistrer le mouvement des billes de verre. D’abord désorganisées, ces billes vont suivre le mouvement des tourbillons. On constate alors que l’axe des ces tourbillons est vertical, et qu’ils tournent dans le même sens que celui de la plateforme. L’équipe du FAST vient de simuler un cyclone en laboratoire (fig.3). Par ces expériences, l’équipe de Frédéric Moisy cherche à caractériser les flux d’énergie dépendant de la direction, qui sont créés dans les cyclones. Par l’étude des propriétés géométriques et statistiques des mouvements verticaux, ils espèrent mieux comprendre l’influence de la force de Coriolis dans les turbulences en rotation et ainsi mieux appréhender ce qui se passe au niveau des écoulements océaniques.

Quand la recherche réserve des surprises

Dans leurs expériences, Frédéric Moisy et son équipe créent des turbulences dans le liquide une fois la plateforme en rotation. Récemment, ils ont découvert un phénomène inattendu. En mettant la plateforme en rotation à vitesse constante, le fluide du réservoir doit se mettre à tourner à la même vitesse si aucune turbulence n’est créée. La caméra embarquée dans le référentiel ne doit donc enregistrer aucun mouvement. Mais lors d’une vérification de cet état "contrôle", l’équipe a pu observer que la caméra enregistrait un mouvement du liquide, qui ne tourne pas à la même vitesse que la plateforme. La différence de vitesse est certes légère, mais constante et répétitive d’expérience en expérience. Après diverses observations et calculs, nos chercheurs ont pu mettre en évidence que ce phénomène est dû à l’influence de la rotation terrestre sur la rotation du liquide dans la plateforme Gyroflow.

Pour plus de renseignements : http://www.fast.u-psud.fr/gyroflow/. Le laboratoire FAST est une unité mixte du CNRS associée à l’UPMC et à l’Université Paris-Sud.