Morphogenesis and Dynamics of Barchan Dunes
Morphogenese et Dynamique des Barchanes
Résumé
Barchans are crescentic and mobile dunes which develop on a firm ground under a (roughly) mono directionnal wind. Since the Pioneering work of R. A. Bagnold, many studies have been performed; directly on the field or with the help of numerical models. However, barchans have a very striking property : no barchans smaller than, typically ten meters wide and long, have been observed in sand deserts. Therefore, no laboratory experiment was able to study barchans at a small scale. Here, we present and analyse a very convenient and practical experimetal setup which overwhelms this limitation. Basically the experiment consists of studing barchans directly under water rather than in the air. These subaqueous dunes develop the same shape and dynamics than eolian ones but at a 1/1000 scale. Combined with a numerical modeling, which shows that the crescentic shape comes from the lateral deflexion of grains rolling on the dune's surface, this experiment opens the way to explore new aspects of the physics of dunes. Nucleation of barchans, their interactions and their evolution in macroscale structure called ”corridor of dunes”, as well as the collisions of barchans and the effect of wind turnover are studied both experimentally and numerically. These studies provide us with a general understanding of barchans behavior. In the end, we discuss the stability of barchans, on short and long timescales, showing the high sensibility of these barchans to the properties of the sand flux. Besides, we describe an experimental work about a famous phenomenon known as the singing dunes.
Les barchanes sont des dunes en forme de croissant qui se forment sous des vents unidirectionnels (en moyenne). Ces structures ont fait l'objet ces dernières années de nombreuses études, directement sur le terrain et également numériquement au laboratoire. Néanmoins, ces objets ont une extension spatiale minimale de l'ordre de 10 m, et de ce fait aucune expérience en laboratoire n'avait réussi à reproduire des barchanes à petite échelle. Nous présentons, ici, une méthode simple et fonctionnelle, permettant d'outrepasser cette limitation. Cette méthode consiste à étudier directement les barchanes sous l'eau plutôt que dans l'air. Celles-ci se comportent en effet qualitativement et quantitativement comme leurs soeurs éoliennes, mais à l'échelle 1/1000ème. Alliée à une modélisation numérique qui permet de comprendre l'origine de la forme en croissant comme le résultat de la déflexion latérale des grains roulant sur son dos, cette expérience montre alors tout son potentiel en se penchant sur des problématiques jusqu'alors impossible à étudier. Nous étudions ainsi expérimentalement et numériquement la nucléation des barchanes, les interactions entre barchanes voisines dans ce que l'on appelle les corridors de dunes et même les collisions de deux barchanes et les retournements de vent. Finalement, nous discutons de la stabilité de ces objets, à court terme et à long terme, ce qui nous permet de montrer la grande sensibilité des morphologies et des dynamiques des barchanes par rapport aux propriétés du flux de sable. En marge de cette étude, nous présentons une étude expérimentale d'un phénomène acoustique envoûtant : le chant des dunes.