Surface-Atmosphere interaction in Planetary Sciences : Dunes formation

Interaction Surface-Atmosphère en Planétologie Comparée : Application à la formation des dunes

Erwan Reffet (1, 2)

1 LESIA - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique
2 MSC - Matière et Systèmes Complexes

In this manuscript, we look at the interaction between surface and atmosphere. More specifically, we deal with the formation of dunes in the Solar System. We use laboratory experiments to produce downsized dunes under controlled conditions and a numerical model completes this experimental approach. These tools allow the study the formation of dunes and to follow their evolution. We highlight the formation of transverse dune fields and longitudinal dune fields under symmetrical bimodal wind regimes respectively for small and large angular separation between the two directions of wind. The transition between these two kinds of bedform occurs around an angle of 90° but is shown to depend on the wind regime period. For short period, in comparison to the time-scale of the adaptation of the dunes to instantaneous wind, the transition is shifted towards the small angular separations. This behavior goes with a more efficient coarsening of the longitudinal dunes fields. This study is followed by a work on solitary structures which emphasizes the difference of long-term stability of transverse and longitudinal dunes. When the latter remain stable, the former are instable and break into barchans (or barchanoids) when the sand supply, or the quantity of sand available, is too low. Under these bimodal wind regimes, the evolution of a sand pile leads to a great variety of morphologies. Barchanoids which shape depends on the angle between the two winds are formed for small angular separation. For an angle of 90° ̊a "chestnut"-like dune is sculpted and a longitudinal extension develops for larger angular separations. The growth of this solitary longitudinal dune reemphasizes that the longitudinal morphology is an attractor in its domain of formation. Finally, our results are compared with dune observations and used to constrain wind regimes globally on Titan and locally on Mars.

Dans ce manuscrit, nous nous intéressons aux interactions entre surface et atmosphère et plus spécifiquement à la formation de dunes dans le Système Solaire. Pour mener notre étude, nous procédons à des expériences en laboratoire qui reproduisent des dunes à l'échelle réduite et de manière contrôlée. Ces expériences sont accompagnées d'une étude par modélisation numérique. Ces deux outils nous permettent d'étudier la formation des dunes mais également d'en suivre l'évolution. En utilisant des régimes bimodaux et symétriques de vents, nous mettons en évidence la formation de champs de dunes transverses et de champs de dunes longitudinales pour de faibles et grandes séparations angulaires respectivement. Notre étude montre que la transition entre ces deux domaines se situe proche d'un angle de 90° mais dépend de la période choisie pour le régime de vents par rapport au temps caractéristique d'adaptation des structures. Cette transition est décalée vers les faibles séparations angulaires pour les courtes périodes et s'accompagne d'un mûrissement plus rapide des structures longitudinales. L'étude sur les champs de dunes est approfondie par un travail sur les dunes isolées qui souligne la différence de stabilité des dunes transverses et longitudinales à long terme. Les premières deviennent instables et se cassent en barchanes (ou barchanoïıdes) lorsque l'apport de sable, ou la quantité de sable mobilisable, est trop faible alors que les dunes longitudinales restent stables. Sous ces régimes bimodaux de vents, l'évolution d'un tas de sable aboutit à une grande diversité de morphologies. Des barchanoïdes, dont l'aspect évolue avec l'augmentation de l'angle entre les vents, sont formées pour de faibles séparations angulaires. Pour un angle de 90° une dune en forme de "châtaigne" est modelée et une extension longitudinale se développe pour des angles plus importants soulignant le côté attracteur de la structure longitudinale pour ce domaine de régimes de vents. Enfin, nos résultats permettent d'utiliser les dunes pour contraindre les régimes de vents lorsque des mesures directes ne sont pas possibles. Ainsi, elles représentent une contrainte à l'échelle globale sur Titan et nous donnent des informations locales à la surface de Mars.

Mots clés: Planetary Sciences; Earth; Models

Mots clés: Titan; Mars; Terre; Modélisation; Sciences planétaires; Surface; Interaction; Dunes

Domaines: Planétologie et astrophysique de la terre [astro-ph.EP]

Erwan Reffet. Interaction Surface-Atmosphère en Planétologie Comparée : Application à la formation des dunes. Planétologie et astrophysique de la terre [astro-ph.EP]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2010. Français. ⟨NNT : 2010PA077246⟩. ⟨tel-00656378⟩