Les dunes en forme de croissant appelées barchans sont des structures qui apparaissent dans une grande variété d'environnements, y compris les plages et les déserts, les lits des rivières et les fonds marins, à l'intérieur des conduites d'eau et des oléoducs, et à la surface de Mars et d'autres planètes sablonneuses avec une atmosphère.

Malgré des différences d'échelle allant d'ondulations de 10 centimètres pour les dunes sous-marines à des montagnes de plusieurs kilomètres pour les dunes martiennes, la dynamique de la formation et du mouvement des barkhanes semble être partout très similaire.

Des recherches menées à l'Université de Campinas (UNICAMP) au Brésil avec le soutien de la Fondation de recherche de São Paulo—FAPESP clarifient la dynamique des dunes aquatiques. Les résultats peuvent également contribuer à une meilleure compréhension de la topographie de Mars et ainsi augmenter la probabilité de succès des missions martiennes ou à l'optimisation et à la rentabilité des flux de pétrole.

"Les barkhanes sont des dunes en forme de croissant qui résultent de l'interaction entre la matière granulaire, généralement du sable, et l'écoulement d'un fluide tel qu'un gaz ou un liquide dans des conditions d'écoulement principalement unidirectionnelles. Les deux cornes du croissant sont tournées dans le sens de l'écoulement du fluide, " dit Erick de Moraes Franklin, l'un des auteurs de la recherche. L'étude vient d'être publiée dans Lettres d'examen physique .

Leurs découvertes contredisent l'explication privilégiée pour l'origine et le mouvement de ces structures, au moins dans le cas des dunes subaquatiques (sous-marines). "Nos recherches montrent que l'émergence des cornes de barkhane ne s'explique pas par le modèle conventionnel, selon laquelle le sable se déplace principalement dans une direction longitudinale et tout mouvement latéral des grains est dû à un mécanisme similaire à la diffusion. La vitesse locale de déplacement de la structure initiale est supposée inversement proportionnelle à sa hauteur locale de sorte que les parties les plus basses sur les côtés du tas de sable se déplacent le plus rapidement et forment des cornes. Ce n'est pas ce que nous avons observé expérimentalement, ", a déclaré Franklin.

Ce que lui et Alvarez ont observé dans un milieu liquide, c'est que les grains se déplaçaient en roulant et en glissant selon des trajectoires circulaires. « Les cornes sont formées principalement de grains qui migrent des régions amont vers la région des cornes. La croissance d'une barkhane subaquatique a une composante transversale importante, qui n'a pas de caractéristiques diffusives, ", a déclaré Franklin.

Tous les barchans ont les mêmes proportions en termes de rapport longueur/hauteur et suivent les mêmes lois de mouvement, quelle que soit l'origine ou l'échelle. Leur hauteur est toujours un dixième de leur longueur, par exemple. Par conséquent, l'étude menée dans le laboratoire de l'UNICAMP avec des dunes formées à des vitesses ultrarapides peut aider à comprendre la dynamique du terrain martien, comme l'évolution des dunes géantes de la planète rouge et à quoi elles ressembleront dans des milliers d'années.

Selon Franklin, la formation et le mouvement d'une barkhane sous-marine résultent de l'interaction complémentaire ou contradictoire de trois facteurs :l'écoulement du fluide, la gravité, et l'inertie des grains. Les dunes se développent à mesure que le flux de fluide déplace les grains des régions inférieures vers les régions supérieures.

La gravité agit en sens inverse, tirant les grains vers le bas et tendant à aplatir la dune. Inertie des grains, ou plus exactement, la différence inertielle entre les grains et le fluide, détermine comment les grains interagissent avec le fluide. Si l'inertie du grain est bien supérieure à l'inertie du fluide, le mouvement des grains est plus lent que le mouvement des fluides. Au lieu de s'installer au bord de la dune, les grains sont déposés dans une région aval inférieure.

"La complication est que le fluide est un milieu continu dont le mouvement peut être décrit par des équations différentielles connues, et les physiciens savent les résoudre, alors que les grains constituent un milieu discontinu. Une dune contient des milliards de grains. L'échelle est précisément celle-ci, de l'ordre du milliard. En outre, les grains sont tous différents les uns des autres, " expliqua Franklin.

"Jusque là, il a été impossible de décrire le mouvement de tous les grains avec une seule équation différentielle. On peut les décrire grain par grain, mais comment pouvons-nous tous les intégrer à la fin ? Par conséquent, plusieurs questions sur la dynamique des dunes restent ouvertes. L'une de ces questions est pourquoi un tas de grains, quelle que soit sa forme, évolue pour former un barchan, une dune en forme de croissant. En d'autres termes, pourquoi les deux cornes ?"

Dynamique de formation

Parmi les différents types de dunes, un barchan est connu pour se former lorsque le mouvement d'un fluide (le vent sur le désert ou l'écoulement de l'eau dans une rivière, par exemple, se produit en moyenne dans un seul sens d'écoulement. Il peut y avoir des variations occasionnelles, mais en termes statistiques, un seul sens d'écoulement prévaut. Vue d'en haut, ce type de dune ressemble à une lettre C. Cette forme signifie que le fluide se déplace du côté convexe vers les cornes, les pointes jumelles du C.

La nouveauté des résultats de cette étude est liée à la dynamique de la formation de la corne. L'ancien modèle supposait que chaque grain se déplaçait balistiquement, comme un projectile décrivant une parabole dans le plan vertical, et dans le même sens que le fluide. En mouvement unidirectionnel, les parties inférieures se déplacent plus rapidement puisque leur vitesse est inversement proportionnelle à la hauteur locale. D'où, les deux cornes se forment. L'expérience des chercheurs à l'UNICAMP, cependant, a montré que ce n'était pas le cas, du moins pas dans l'eau.

"Nous avons réalisé une expérience avec des grains de verre sous un écoulement d'eau turbulent. À l'aide d'une caméra ultra-rapide capable d'enregistrer environ un millier d'images par seconde, nous avons filmé le mouvement de la pile d'en haut et produit une énorme quantité d'images, ", a déclaré Franklin.

"L'étape suivante consistait à créer un programme informatique qui ouvrait le film image par image et identifiait chaque particule qui s'était déplacée. En surveillant les grains, nous avons pu suivre les grains qui formaient les cornes et les chemins qu'ils suivaient. Nous avons découvert qu'ils n'allaient pas tous dans la même direction, comme le supposait l'ancien modèle. La plupart d'entre eux ont coulé autour du tas initial dans un mouvement circulaire, et c'est ainsi que les cornes ont pris forme."

Franklin a souligné que la découverte s'applique aux dunes formées dans un milieu liquide, mais pas nécessairement aux dunes formées en milieu gazeux. L'explication physique de la différence possible est simple et intéressante, il a noté. "Le modèle précédent était basé sur des dunes éoliennes, en particulier les dunes du désert. La densité de l'air est d'environ un kilogramme par mètre cube. La densité d'un grain de sable est de 2, 500 kg/m ³ . C'est une différence de magnitude de 103, ce qui veut dire que déplacer un grain de sable dans le désert, l'air doit se déplacer très vite. Si vite que lorsqu'il déplace un grain, le grain est lancé sur une trajectoire balistique comme un projectile, " expliqua Franklin.

"Le grain s'élève d'environ un mètre et décrit une courbe parabolique. La direction du vol est la direction principale de l'écoulement. Ainsi, le mouvement global est en effet unidirectionnel. Cependant, l'eau est mille fois plus dense que l'air à 1, 000 kg/m ³ . Cela signifie que l'eau et le grain de sable sont dans le même ordre de grandeur, ainsi le débit d'eau peut déplacer le grain tout en se déplaçant beaucoup plus lentement. Comme il le fait, le grain suit à peu près le mouvement de l'eau. L'eau s'écoule autour de la pile dans un chemin circulaire, et les céréales aussi."

L'expérience a montré que le modèle précédent, qui était considérée comme une vérité absolue, ne s'applique pas à tous les cas. "Cela ouvre toute une discussion sur le phénomène, " a-t-il dit. " Des expériences devront être faites avec des dunes éoliennes pour confirmer si dans ce cas, le modèle précédent est en effet valable. Peut etre c'est, mais peut-être que non. Le sujet suscite beaucoup d'intérêt en raison des missions sur Mars. Une petite différence entre les dunes martiennes pourrait suggérer qu'il y avait de l'eau dans la région dans le passé."

En plus des applications possibles sur le long terme, le pompage de pétrole brut est une application beaucoup plus immédiate des résultats de la recherche. Le pétrole brut est principalement extrait de réservoirs contenant du sable et de l'eau, ainsi les barkhanes se forment à l'intérieur des pipelines et ralentissent le flux de pétrole, faisant grimper les coûts de production. De plus, le sable s'accumule à certains endroits, et le retrait est difficile. Une compréhension plus approfondie de la formation des dunes est indispensable pour résoudre ce problème.