E1 : La formation des dunes et du climat sur Titan
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Caractérisation du climat de Titan par l’observation et la modélisation des champs de dunes
Contexte de travail et questions centrales
Sur Terre, comme sur Titan (le plus grand satellite de Saturne), il est encore impossible de déterminer avec précision les écoulements atmosphériques à partir de la forme et de l’orientation des dunes. Les lois de transport, les vents et les propriétés du milieu granulaire ayant des propriétés hautement non linéaires, cet exercice est un problème inverse d’une grande complexité qu’il convient de relever de manière collective. Pour apporter de nouvelles contraintes au climat de Titan nous nous proposons donc d’analyser la dynamique dunaire à partir de nouvelles données couplant des observations satellitaires à des résultats expérimentaux et numériques.
Suivant leur taille et leur environnement, ces dunes intègrent sur une période plus ou moins longue l’histoire des écoulements qui les ont façonnées. L’orientation et la forme des différentes dunes que nous nous proposons d’étudier nous permettront donc d’explorer une large gamme d’échelles de temps et d’appréhender de manière originale une grande diversité de processus physiques (e. g. cohésion, rôle de la topographie) qui participent aux mécanismes de transport des sédiments. Les outils utilisés seront l’acquisition de données sur le terrain, l’observation satellitaire, les expériences de laboratoires et les modèles numériques. En mettant en commun ces quatre types d’approche l’objectif est de développer de nouvelles méthodes d’inversions permettant de déterminer plus efficacement les conditions climatiques passées à partir de la forme des lits sédimentaires.Environnements exotiques
Sur Terre, comme sur Mars et Titan, la vitesse moyenne des vents atteint son maximum au niveau des zones polaires et les cristaux de glace ou même la neige peuvent s’y comporter comme un granulaire. Par conséquent, les dunes y sont fréquemment observées et les calottes polaires constituent une nouvelle frontière pour les communautés qui explorent, au travers de la morphodynamique dunaire et avec l’aide de la planétologie comparée, les conditions climatiques sous lesquelles elles y ont été produites. En effet, même si intrinsèquement la physique du transport est la même, il est bien évident que les dunes de désert froids et chauds vont avoir des particularités provenant de la nature des mécanismes qui s’y développent. Dans le cas des dunes froides sur Terre, cela sera typiquement les mécanismes de fusion et de solidication. Sur Mars et Titan, où les dunes froides sont là aussi omniprésentes, cela pourrait respectivement être la sublimation du CO2 dans les couches de subsurface ou la cohésion liée au matériau organique qui les compose.
Dunes froides.
(a,b) Barkhanes froides au site de forage européen de Kohnen. Ces dunes se forment durant les tempêtes (> 10 m/s à h = 2 m) et sont préservées dans les glaces (Birnbaum, G., et al., Journal of Glaciology, 56, 2010) Elles ont une hauteur d’environ 20 cm pour un rapport d’aspect inférieur à 0.1. Leur densité est plus élevée que celle de la surface de glace environnante.
(c) Tâches noires (“dark spots”) sur les dunes du pôle nord de Mars (Hansem et al., Science, 331, 2011).
(d) Stratification et ségrégation de barkhans dans le modèle numérique de l’IPGP. La modélisation des structures sédimentaires 3D permet d’injecter dans le modèle des processus de subsurface qui jouent certainement un rôle très important sur Terre, Mars (i. e. sublimation) et Titan (i.e. cohésion). -
Equipe de recherche sur les thématiques dunaires
En alliant les compétences d’observation et d’analyse des atmosphères et surfaces planétaires des membres de l’équipe ADP (Anneaux, Disques, Planètes) du laboratoire AIM avec des compétences numériques développées au sein de l’IPGP, le projet consiste à analyser la dynamique des lits sédimentaires sur Titan.
Les membres permanents de l’équipe de recherche sont :
- Sébastien Rodriguez (Maître de conférences AIM)
tel : +33 (0) 1 69 08 80 56
email : sebastien.rodriguez@cea.fr
- Clément Narteau (Maître de conférences IPGP)
tel : +33 (0) 1 83 95 74 23
email : narteau@ipgp.fr
site : www.ipgp.fr/~narteau
Les membres non permanents et collaborateurs sont :
- Amandine Garcia (Thésarde AIM)
tel : +33 (0) 1 69 08 80 56
email : amandine.garcia@cea.fr
- Antoine Lucas (Postdoc CNES AIM)
email : antoine.lucas@cea.fr
- Xin Gao (Thésard IPGP)
tel : +33 (0) 1 83 95 77 76
email : gao@ipgp.fr
- Lü Ping (Post-doc IPGP)
tel : +33 (0) 1 83 95 74 02
email : lvping@ipgp.fr
- Sylvain Courrech du Pont (Maître de conférences, Laboratoire MSC, Université Paris Diderot)
tel : +33 (0) 1 57 27 62 84
email : sylvain.courrech@univ-paris-diderot.fr
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1. Déserts : croissance et stabilité des dunes étoiles sous l’effet d’écoulements multidirectionnels. Vers une meilleure compréhension des modes d’orientation des crêtes dunaires.
Les dunes étoiles sont des dunes géantes dont les ramifications s’étendent dans de nombreuses directions. A partir de modèles numériques prenant en compte des régimes de vents multidirectionnels, des chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS-IPGP) et du laboratoire de Matière et Systèmes complexes (CNRS-MSC) ont montré que les dunes étoiles pouvaient être considérées comme une superposition de dunes longitudinales. L’orientation et le taux de croissance de chaque ramification peuvent alors être prédites en fonction de la configuration des écoulements et de la quantité de sable disponible. Ces nouveaux résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’analyse des champs de dunes et du transport sédimentaire dans les nombreux environnements géophysiques soumis à des écoulements multidirectionnels.
Les dunes étoiles peuvent être décrites comme un enchevêtrement de formes dunaires dont les crêtes et les faces d’avalanche se propagent dans de multiples directions. Elles se composent le plus souvent d’un dôme central sur lequel se développe toute une hiérarchie de plus petites structures n’ayant apparemment aucune orientation privilégiée. Certainement parce que ces dunes étoiles sont de très grande taille (plus de 100 m de haut) et d’une apparente complexité, leurs formes et leurs dynamiques n’ont fait l’objet, jusqu’à maintenant, que d’une poignée d’études. La majorité de ces études font appel à des écoulements secondaires qui, en fonction de la topographie, créent des courants de recirculation dans des directions obliques à l’écoulement principal. Ces flux seraient à l’origine de la croissance des bras et contrôleraient la forme finale des dunes. Les nouveaux résultats vont à l’encontre de cette hypothèse et montrent clairement que les dunes étoiles peuvent être produites à partir du transport sédimentaire associé à chacune des directions principales de l’écoulement.
Ce travail montre aussi que les ramifications de dunes étoiles ont des caractéristiques morphologiques (hauteur, largeur) et de croissance (vitesse de propagation) qui dépendent du régime de vent. Pour des raisons de symétrie, il existerait par exemple des régimes plus favorables que d’autres à la croissance des ramifications. Un autre paramètre de contrôle est la fréquence avec laquelle les vents changent d’orientation. A mesure que cette fréquence diminue, les dimensions caractéristiques des ramifications augmentent et leurs vitesses de propagation diminuent. Ces résultats sont importants car ils sont applicables à tous les types de dunes et relient pour la première fois les formes dunaires à la variabilité des écoulements. Dès lors, des géométries de dunes complexes pourraient être analyser pour permettre d’appréhender de manière indirecte la variabilité de l’orientation du vent. Cela présente de nombreux avantages dans les environnements extra-terrestres où les dunes prolifèrent et au sein desquels il est encore impossible de mesurer directement les écoulements atmosphériques.
Figure : Dune étoile obtenue par un automate cellulaire de l’espace réel dédié au transport sédimentaire. Cette morphologie est obtenue par l’action successive de 5 vents de direction différentes. L’angle entre chaque vent est le même de telle sorte que la résultante soit nulle. On note l’orientation des crêtes sur le dôme central et leurs réorientations lorsque les ramifications se propagent sur un socle non-érodable. Ces deux orientations correspondent à deux modes de développement des crêtes en présence d’écoulements multidirectionnels.
Référence : Morphology and dynamics of star dunes from numerical modelling, Zhang D., Narteau C., Rozier O. & Courrech du Pont S., Nature Geoscience, 5, Published online: 24 June 2012 | doi:10.1038/ngeo1503.
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Publications dans des journaux à comité de lecture :
1. Morphology and dynamics of star dunes from numerical modelling, Zhang D., Narteau C., Rozier O. & Courrech du Pont S., Nature Geoscience, 5, Published online: 24 June 2012 | doi:10.1038/ngeo1503.
Abstracts de conférences :
1. Singular regional brightening events on Titan as seen by Cassini/VIMS, S. Rodriguez, S. Le Mouélic, J.W. Barnes, M. Hirtzig, P. Rannou, C. Sotin, R.H. Brown, J. Bow, G. Vixie, T. Cornet, O. Bourgeois, C. Narteau, S. Courrech du Pont, C.A. Griffith, R. Jaumann, K. Stephan, B.J. Buratti, R.N. Clark, K.H. Baines, P.D. Nicholson, A. Coustenis, 43rd Lunar and Planetary Science Conference, Houston, March 2012.
2. Morphodynamics of star dunes, Zhang D., Narteau C., Rozier O., Courrech du Pont S., EGU, Geophysical Research Abstracts, abstract No. 3546, Vienna, April 2012.
3. A Real Space Cellular Automaton Laboratory (ReSCAL) to analyze complex geophysical systems, Rozier O., Narteau C, EGU, Geophysical Research Abstracts, abstract No. 5890, Vienna, April 2012.
4. [invité] Tropical storms (?) on Titan as seen by Cassini/VIMS, S.Rodriguez, “Titan workshop”, Nantes, May 2012.
5. L’atmosphère et le climat de Titan surveillés par l’imageur hyperspectral VIMS de la sonde Cassini, S. Rodriguez, S. Le Mouélic, J.W. Barnes, M. Hirtzig, P. Rannou, C. Sotin, R.H. Brown, J. Bow, G. Vixie, T. Cornet, O. Bourgeois, C. Narteau, S. Courrech du Pont, A. Coustenis, Colloque annuel de la Société Française de Télédétection Hyperspectrale, Toulouse, June 2012.
6. Equinoctial atmospheric activity over Titan dune fields revealed by Cassini/VIMS, . Rodriguez, S. Le Mouélic, J.W. Barnes, M. Hirtzig, P. Rannou, C. Sotin, R.H. Brown, J. Bow, G. Vixie, T. Cornet, O. Bourgeois, C. Narteau, S. Courrech du Pont, C.A. Griffith, R. Jaumann, K. Stephan, B.J. Buratti, R.N. Clark, K.H. Baines, P.D. Nicholson, A. Coustenis,3rd International Planetary Dunes Workshop, Flagstaff, June 2012.
7. Morphodynamics of star dunes, Zhang D., Narteau C., Rozier O., Courrech du Pont S., IUGG conference on Mathematical Geophysics, Edinburgh, July 2012.
8. [invité] Equinoctial activity over Titan dune fields revealed by Cassini/VIMS, . Rodriguez, S. Le Mouélic, J.W. Barnes, M. Hirtzig, P. Rannou, C. Sotin, R.H. Brown, J. Bow, G. Vixie, T. Cornet, O. Bourgeois, C. Narteau, S. Courrech du Pont, C.A. Griffith, R. Jaumann, K. Stephan, B.J. Buratti, R.N. Clark, K.H. Baines, P.D. Nicholson, A. Coustenis, International methane workshop, Dole, November 2012.
9. Morphology and dynamics of star dunes from numerical modeling, Zhang D., Narteau C., Rozier O., Courrech du Pont S., AGU fall meeting, San Francisco, December 2012.
10. Equinoctial activity over Titan dune fields revealed by Cassini/VIMS, . Rodriguez, S. Le Mouélic, J.W. Barnes, M. Hirtzig, P. Rannou, C. Sotin, R.H. Brown, J. Bow, G. Vixie, T. Cornet, O. Bourgeois, C. Narteau, S. Courrech du Pont, C.A. Griffith, R. Jaumann, K. Stephan, B.J. Buratti, R.N. Clark, K.H. Baines, P.D. Nicholson, A. Coustenis, AGU fall meeting, San Francisco, December 2012.