Imaginez une énorme tasse de froid, crème dense avec du café chaud versé sur le dessus. Placez-le maintenant sur une table tournante. Heures supplémentaires, les fluides se mélangeront lentement les uns aux autres, et la chaleur du café finira par atteindre le fond de la tasse. Mais comme la plupart d'entre nous, les buveurs de café impatients le savent, mélanger les couches ensemble est un moyen plus efficace de répartir la chaleur et de profiter d'une boisson qui n'est ni brûlante ni glacée. La clé, ce sont les tourbillons, ou des tourbillons, celle formée dans le liquide turbulent.

"Si vous attendiez juste de voir si la diffusion moléculaire l'a fait, cela prendrait une éternité et vous n'obtiendrez jamais votre café et votre lait ensemble, " dit Raffaele Ferrari, Cecil et Ida Green professeur d'océanographie au département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS).

Cette analogie aide à expliquer une nouvelle théorie sur les subtilités du système climatique sur Terre - et d'autres planètes en rotation avec des atmosphères et/ou des océans - décrite dans un article récent du PNAS par Ferrari et Basile Gallet, un chercheur invité EAPS du Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, La France.

Il peut sembler intuitif que l'équateur solaire de la Terre soit chaud tandis que les pôles relativement privés de soleil sont froids, avec un gradient de températures entre les deux. Cependant, la portée réelle de ce gradient de température est relativement petite par rapport à ce qu'elle pourrait être autrement en raison de la façon dont le système terrestre transporte physiquement la chaleur autour du globe vers des régions plus froides, modérer les extrêmes.

Autrement, "vous auriez des températures insupportablement chaudes à l'équateur et [les latitudes tempérées] seraient gelées, " dit Ferrari. " Alors, le fait que la planète est habitable, comme nous le savons, a à voir avec le transport de la chaleur de l'équateur aux pôles."

Encore, malgré l'importance des flux de chaleur mondiaux pour le maintien du climat contemporain de la Terre, les mécanismes qui conduisent le processus ne sont pas complètement compris. C'est là qu'interviennent les récents travaux de Ferrari et Gallet :leurs recherches présentent une description mathématique de la physique qui sous-tend le rôle que jouent les tourbillons marins et atmosphériques dans la redistribution de cette chaleur dans le système mondial.

Le travail de Ferrari et Gallet s'appuie sur celui d'un autre professeur du MIT, feu le météorologue Norman Phillips, qui, en 1956, propose un ensemble d'équations, le "modèle Phillips, " pour décrire le transport de chaleur global. Le modèle de Phillips représente l'atmosphère et l'océan comme deux couches de densité différente l'une sur l'autre. Alors que ces équations capturent le développement de la turbulence et prédisent la distribution de la température sur Terre avec une précision relative, ils sont encore très complexes et doivent être résolus avec des ordinateurs. La nouvelle théorie de Ferrari et Gallet fournit des solutions analytiques aux équations et prédit quantitativement le flux de chaleur local, l'énergie alimentant les tourbillons, et les caractéristiques d'écoulement à grande échelle. Et leur cadre théorique est évolutif, ce qui signifie que cela fonctionne pour les tourbillons, qui sont plus petits et plus denses dans l'océan, ainsi que des cyclones dans l'atmosphère qui sont plus gros.

Mettre le processus en marche

La physique derrière les tourbillons dans votre tasse de café diffère de celle de la nature. Les milieux fluides comme l'atmosphère et l'océan sont caractérisés par des variations de température et de densité. Sur une planète en rotation, ces variations accélèrent les courants forts, tandis que la friction - sur le fond de l'océan et de l'atmosphère - les ralentit. Ce bras de fer entraîne des instabilités du flux de courants à grande échelle et produit des flux turbulents irréguliers que nous ressentons comme des conditions météorologiques en constante évolution dans l'atmosphère.

Des tourbillons, des écoulements circulaires fermés d'air ou d'eau, naissent de cette instabilité. Dans l'atmosphère, ils sont appelés cyclones et anticyclones (les modèles météorologiques) ; dans l'océan, on les appelle les tourbillons. Dans les deux cas, ils sont transitoires, formations ordonnées, émergeant de manière quelque peu erratique et se dissipant avec le temps. Alors qu'ils sortent de la turbulence sous-jacente, elles ou ils, trop, sont gênés par le frottement, provoquant leur éventuelle dissipation, qui achève le transfert de chaleur de l'équateur (le haut du café chaud) vers les pôles (le bas de la crème).

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Alors que le système Terre est beaucoup plus complexe que deux couches, l'analyse du transport de chaleur dans le modèle simplifié de Phillips aide les scientifiques à résoudre la physique fondamentale en jeu. Ferrari et Gallet ont découvert que le transport de chaleur dû aux tourbillons, bien que directionnellement chaotique, finit par déplacer la chaleur vers les pôles plus rapidement qu'un système plus fluide ne le ferait. Selon Ferrari, « les vortex font le travail de chien de la chaleur en mouvement, mouvement non désorganisé (turbulence)."

Il serait impossible de rendre compte mathématiquement de chaque caractéristique de tourbillon qui se forme et disparaît, les chercheurs ont donc développé des calculs simplifiés pour déterminer les effets globaux du comportement du vortex, en fonction de la latitude (gradient de température) et des paramètres de friction. En outre, ils considéraient chaque vortex comme une seule particule dans un fluide gazeux. Lorsqu'ils ont intégré leurs calculs dans les modèles existants, les simulations qui en ont résulté prédisaient assez précisément les régimes de température réels de la Terre, et a révélé que la formation et la fonction des tourbillons dans le système climatique sont beaucoup plus sensibles à la traînée de friction que prévu.

Ferrari souligne que tous les efforts de modélisation nécessitent des simplifications et ne sont pas des représentations parfaites des systèmes naturels - comme dans ce cas, avec l'atmosphère et les océans représentés comme de simples systèmes à deux couches, et la sphéricité de la Terre n'est pas prise en compte. Même avec ces inconvénients, La théorie de Gallet et Ferrari a attiré l'attention d'autres océanographes.

« Depuis 1956, les météorologues et les océanographes ont essayé, et échoué, pour comprendre ce modèle Phillips, " dit Bill Young, professeur d'océanographie physique à la Scripps Institution of Oceanography, "L'article de Gallet et Ferrari est la première prédiction déductive réussie de la façon dont le flux de chaleur dans le modèle Phillips varie avec le gradient de température."

Ferrari dit que répondre aux questions fondamentales sur le fonctionnement du transport de chaleur permettra aux scientifiques de comprendre plus généralement le système climatique de la Terre. Par exemple, dans le passé profond de la Terre, il y avait des moments où notre planète était beaucoup plus chaude, quand les crocodiles nageaient dans l'Arctique et que les palmiers s'étendaient jusqu'au Canada, et aussi des moments où il faisait beaucoup plus froid et les latitudes moyennes étaient couvertes de glace. "Il est clair que le transfert de chaleur peut changer sous différents climats, donc vous aimeriez pouvoir le prédire, " dit-il. " C'est une question théorique dans l'esprit des gens depuis longtemps. "

Comme la température mondiale moyenne a augmenté de plus de 1 degré Celsius au cours des 100 dernières années, et est en passe de dépasser de loin celui du siècle prochain, le besoin de comprendre et de prévoir le système climatique de la Terre est devenu crucial car les communautés, Gouvernements, et l'industrie s'adaptent à l'environnement changeant actuel.

« Je trouve extrêmement gratifiant d'appliquer les principes fondamentaux des flux turbulents à un problème d'une telle actualité, " dit Gallet, "À long terme, cette approche basée sur la physique sera essentielle pour réduire l'incertitude de la modélisation climatique. »

En suivant les traces de géants de la météorologie comme Norman Phillips, Jules Charney, et Pierre Pierre, qui a développé des théories climatiques séminales au MIT, ce travail adhère également à une mise en garde d'Albert Einstein :« Hors de l'encombrement, trouver la simplicité."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.