TURBULENCE

La turbulence en sciences de la Terre

Puisqu'elle y contrôle les transports et les échanges d'énergie et de matière, c'est en définitive la turbulence qui conditionne notre environnement global en fixant son équilibre dynamique, que l'on peut craindre fragile. Cette intervention de la turbulence, qui s'observe des couches profondes de la lithosphère jusqu’aux niveaux supérieurs de l’atmosphère et à des échelles spatiales et temporelles extrêmement variées, est une difficulté majeure pour la prévision de l'évolution de l'écosphère.

Les facteurs essentiels

– L'échelle considérée. Les processus turbulents s'étendent du dixième de millimètre jusqu'à plusieurs milliers de kilomètres : un ordre de grandeur de 1 à 10¹⁰. L'échelle horizontale maximale L des enveloppes fluides externes est de 100 à 1 000 kilomètres, alors que l'échelle verticale H est de l'ordre de 1 (pour l'océan) à 10 (pour l'atmosphère) kilomètres, et souvent même moins en raison d'une stratification stable. Les mouvements de grande échelle ou synoptiques, se déroulant dans de minces coquilles sphériques, sont donc quasi bidimensionnels et hydrostatiques, ceux de petite échelle sont les seuls à présenter une turbulence tridimensionnelle et non hydrostatique. Pour les masses « fluides » (manteau et noyau) internes, les échelles horizontale et verticale sont de l'ordre du millier de kilomètres.

Quelques chiffres caractéristiques des milieux géophysiques

Géophysique : quelques chiffres caractéristiques des milieux (adapté de Nataf et Sommeria, complété). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

– Les variations de la masse spécifique, en combinaison avec la gravité. La densité des fluides géophysiques dépend de leur température, de leur pression et enfin de leur teneur en éléments mineurs (humidité, salinité, minéraux...). Lorsque la stratification est stable (fig. 3.2), la force d'Archimède conduit au développement d'ondes internes gravitaires à la fréquence de Brunt-Väisälä, N, mais inhibe les mouvements turbulents verticaux et les flux associés : il en résulte une turbulence bi-dimensionnelle dans des couches horizontales qui peuvent être découplées les unes des autres. Inversement, si la stratification est instable, des mouvements de convection prennent naissance et une turbulence tridimensionnelle, où les grands déplacements verticaux et les échanges correspondants sont particulièrement favorisés, se développe.

– La rotation terrestre, à l'origine de la force de Coriolis, qui domine les mouvements de grandes échelles dont le nombre de Rossby est petit : la Terre est une planète « en rotation rapide ». Dans les enveloppes fluides, les mouvements quasi horizontaux sont affectés par la composante verticale de la vitesse de rotation, caractérisée par le paramètre de Coriolis, f = 2Ω Sin ϕ, dont la variation avec la latitude ϕ est à l'origine d'ondes de très grande échelle. Il existe le plus souvent un équilibre géostrophique entre le gradient de pression et la force de Coriolis : les mouvements suivent les surfaces d'égale pression (ou isobares) et seraient uniformes verticalement si ρ l'était horizontalement. Cela conduirait à une turbulence géostrophique bi-dimensionnelle avec des tourbillons verticaux (les colonnes de Taylor-Proudman) et à des ondes inertielles horizontales (les oscillations d'inertie). Le principal mécanisme de génération de la turbulence géostrophique est l'instabilité barocline qui transforme une partie de l'énergie potentielle en énergie cinétique à l'échelle du rayon interne de déformation de Rossby R_d  = NH/f.

– Les interactions déterminantes de la turbulence avec différents processus physiques : les rayonnements solaire et terrestre, les changements de phase (en particulier pour l'eau) et les effets de chaleur latente associés, les effets polyphasiques, l'échauffement radioactif et les mécanismes magnétohydrodynamiques.

Le système océan-atmosphère et la turbulence

Les deux minces enveloppes fluides qui entourent la Terre constituent une gigantesque machine thermique dont la source chaude est fournie par l'absorption du rayonnement solaire et la source froide par l'émission vers l'espace du rayonnement terrestre. Près de la moitié du rayonnement solaire incident est réfléchie directement (d'où l’albedo) ou absorbée dans l'atmosphère, le reste est absorbé pour partie par le sol et pour l’essentiel par les couches superficielles de l’océan. Ces processus sont déjà fortement affectés par la turbulence, qui en fixe indirectement les taux et qui gouverne directement le stockage et le transport de la chaleur dans l’océan, puis son retour vers la surface. La chaleur est ensuite injectée à la base de l' [...]

1  2  3  4  5 …
pour nos abonnés,
l’article se compose de 36 pages

Médias de l’article

Turbulences : exemples de bifurcations
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Turbulence : exemple de tore T6
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Turbulence : le système de Lorenz et la SCI
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Turbulence: un exemple de S.C.I.
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Afficher les 43 médias de l'article