TURBULENCE
Carte mentale
Élargissez votre recherche dans Universalis
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
Tableau
Géophysique : quelques chiffres caractéristiques des milieux (adapté de Nataf et Sommeria, complété).
Crédits : Encyclopædia Universalis France
– 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 naissan [...]
1
2
3
4
5
…
pour nos abonnés,
l’article se compose de 36 pages
Écrit par :
- Gérard TAVERA : directeur d'études ESM2
- Michel COANTIC : professeur émérite à l'université de la Méditerranée
- Fabien ANSELMET : directeur de recherche au C.N.R.S.
Classification
Autres références
« TURBULENCE » est également traité dans :
AÉRODYNAMIQUE
Dans le chapitre « L'aérodynamique et la théorie » : […] Les équations dites de Navier-Stokes 'constituent le principal modèle mathématique de l'aérodynamique « classique », c'est-à-dire limitée au régime continu pour lequel les échelles de longueur caractéristiques sont grandes par rapport au libre parcours moyen des molécules et à des niveaux d'énergie excluant les interactions physico-chimiques des molécules d'azote et d'oxygène constituant l'air. C […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/aerodynamique/#i_20339
AÉRONOMIE
Dans le chapitre « Phénomènes de transport » : […] La distribution des constituants atmosphériques soumis à l'action du rayonnement solaire et impliqués dans de nombreuses réactions chimiques ne peut pas être évaluée en faisant uniquement un bilan des productions et des pertes. Il faut aussi tenir compte des phénomènes de transport capables de modifier fortement la répartition en altitude et en latitude des constituants de l'atmosphère. Il y a lie […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/aeronomie/#i_20339
ATMOSPHÈRE - Thermodynamique
Dans le chapitre « Effets de la rugosité du sol et de l'orographie » : […] Aussitôt qu'une particule d'air se déplace, surtout au voisinage du sol, les phénomènes de turbulence interviennent pour accroître les possibilités de mélange et de diffusion. Toutes les échelles peuvent être envisagées, depuis les microturbulences liées au sillage aérodynamique d'un brin d'herbe jusqu'aux vastes tourbillons thermoconvectifs générateurs des nuages d'orage. Si nous considérons ici […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/atmosphere-thermodynamique/#i_20339
BERGÉ PIERRE (1934-1997)
Pierre Bergé, chercheur et expérimentateur talentueux, fut un grand physicien dans le domaine de la matière condensée. Originaire de Pau, il fit ses études supérieures à l'École centrale de Nantes. Toute sa carrière de physicien fut effectuée au Commissariat à l'énergie atomique, centre d’études de Saclay, où il entra en 1957. Il y exerça les fonctions de chef du service de l'état condensé de 1979 […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/pierre-berge/#i_20339
CHAOS DÉTERMINISTE THÉORIE DU
L'article « Sur la nature de la turbulence », publié en 1971 dans la revue Communications in Mathematical Physics , marque les débuts de la théorie du chaos déterministe. Le physicien belge David Ruelle et le mathématicien néerlandais Floris Takens y développent une vision nouvelle de la turbulence. Ils y analysent des modèles mathématiques de systèmes qui dissipent une part […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-du-chaos-deterministe/#i_20339
DÉRIVÉES PARTIELLES (ÉQUATIONS AUX) - Équations non linéaires
Dans le chapitre « Les équations de Navier-Stokes » : […] Le chapitre précédent était consacré aux systèmes hyperboliques non linéaires, domaine où la différence entre le comportement des problèmes linéaires et les comportements des problèmes non linéaires apparaît de manière très évidente. Mais ces systèmes présentent les inconvénients suivants : Il n'existe que des résultats partiels et la plupart des questions restent largement ouvertes. Les applicati […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/derivees-partielles-equations-aux-equations-non-lineaires/#i_20339
ÉNERGIES RENOUVELABLES
Dans le chapitre « La technologie des aérogénérateurs » : […] L'aérogénérateur ne peut pas extraire la totalité de l'énergie cinétique du vent. Une première limitation théorique est la limite de Betz, du nom du chercheur qui a démontré que la puissance maximale extractible d'une veine de vent stable est au maximum de 16/27 (soit 59 p. 100) de la puissance théorique. Ensuite, l'aérogénérateur a un rendement global, par rapport à cette limite de Betz, inféri […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/energies-renouvelables/#i_20339
EXOPLANÈTES - Méthodes de détection
Dans le chapitre « L’imagerie, méthode directe » : […] Les méthodes indirectes souffrent d’une limitation importante : elles requièrent d’observer l’étoile pendant au moins une période de révolution de l’hypothétique exoplanète pour assurer une détection. Ainsi, pour mettre en évidence une exoplanète qui serait à la même distance de son étoile que Jupiter du Soleil, il faut observer l’étoile hôte pendant douze ans, pendant trente ans pour une analogue […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/exoplanetes/#i_20339
FLUIDE, physique
Dans le chapitre « Viscosité » : […] Au plan macroscopique, la première manifestation d'un liquide est la viscosité dont on fait spontanément l'expérience quand, pour tester les caractéristiques d'une huile, on en place une goutte entre deux doigts qu'on déplace parallèlement l'un par rapport à l'autre. Dans cette opération, dite de cisaillement, on évalue la force de résistance au mouvement. Elle est proportionnelle aux aires des su […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/fluide-physique/#i_20339
FLUIDES MÉCANIQUE DES
Dans le chapitre « Couches limites turbulentes » : […] Lorsque la turbulence est établie, les équations de Navier-Stokes demeurent valables pour décrire le mouvement instantané du fluide au sein de la couche limite, mais la résolution du problème devient impossible, du fait du caractère aléatoire des fluctuations de toutes les grandeurs physiques. C'est à Osborn Reynolds que revient l'idée d'introduire dans ces mêmes équations la décomposition en val […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/mecanique-des-fluides/#i_20339
FORME
Dans le chapitre « Dynamique qualitative et TCG » : […] Cela conduit à la TC généralisée où l'on déploie dans les espaces externes W non plus des singularités de potentiels, mais des instabilités de systèmes dynamiques généraux. Ce modèle, dont nous avons évoqué l'extrême complexité mathématique, possède évidemment des applications innombrables dont il est exclu de faire ici le bilan. En effet, il inclut toutes les bifurcations de systèmes dynamiques […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/forme/#i_20339
HYDRAULIQUE
Dans le chapitre « Divers types d'écoulement » : […] La viscosité de l'eau étant faible (à 20 0 C, = 0,001 N.s/m 2 ), on peut souvent en première approximation négliger les forces de frottement qui en résultent. C'est l'hypothèse dite du fluide parfait. Dans certains cas, au contraire, la viscosité prend une importance prépondérante. Les écoulements correspondants sont les écoulements laminaires. La […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/hydraulique/#i_20339
KOLMOGOROV ANDREÏ NIKOLAÏEVITCH (1903-1987)
Dans le chapitre « Mathématiques appliquées » : […] Kolmogorov a consacré de nombreuses publications aux équations aux dérivées partielles de la physique. Les équations de Navier-Stockes étaient le prototype des équations qui interviennent dans l'étude de la réaction-diffusion, la turbulence et la mécanique statistique. En 1931, Kolmogorov a introduit une vaste classe d'équations aux dérivées partielles dont le champ naturel est l'espace de Hilber […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/andrei-nikolaievitch-kolmogorov/#i_20339
MATIÈRE (physique) - Plasmas
Dans le chapitre « Instabilités et turbulence dans les plasmas » : […] La formation de vagues à la surface de l'eau sous l'effet du vent ou le développement de la turbulence dans les écoulements hydrodynamiques à nombre de Reynolds élevé sont des manifestations familières des instabilités et de la turbulence dans les fluides. Les plasmas, qui sont des fluides constitués de particules chargées, peuvent être de même le siège de nombreux phénomènes instables, conduisan […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/#i_20339
PHYSIQUE - Physique et informatique
Dans le chapitre « Turbulence » : […] Maints systèmes physiques dans l'Univers sont des fluides. Notre compréhension de la Terre, des planètes, des étoiles et des galaxies dépend crucialement de la dynamique des fluides. Cette discipline mathématique est à la base des développements en météorologie, en océanographie et même en astrophysique. L'observation des fluides astronomiques montre une grande richesse de structures dynamiques, […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-physique-et-informatique/#i_20339
SOUFFLERIES
Dans le chapitre « Vers la soufflerie numérique ? » : […] Dans les années 1980, l’avènement d’ordinateurs avec de grosses capacités de calcul et le développement conjoint des méthodes numériques laissaient augurer la disparition à moyen terme des souffleries. L’abandon de ces laboratoires aérodynamiques au sol que sont les souffleries n’est toutefois toujours pas à l’ordre du jour. Pourtant, grâce à l’évolution de l’informatique, l’aérodynamique numériq […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/souffleries/#i_20339
TORNADES ET TROMBES
Les tornades et les trombes sont des colonnes d'air tourbillonnant en forme de colonne tubulaire ou de cône renversé qui se développent sous la base de certains nuages d’orage . Tornade, trombe ou trombe marine, ces termes désignent le même phénomène météorologique, mais le premier est plus souvent utilisé pour les tourbillons se produisant au-dessus de surfaces terrestres, et les seconds au-dessu […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/tornades-et-trombes/#i_20339
Voir aussi
Pour citer l’article
Gérard TAVERA, Michel COANTIC, Fabien ANSELMET, « TURBULENCE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 19 octobre 2019. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/turbulence/