Étude expérimentale de la formation de rides éoliennes en régime de non-équilibre dans des atmosphères terrestres et extra-terrestres

Experimental study of the formation of out-of-equilibrium aeolian ripples in terrestrial and extraterrestrial atmospheres

• Auteur / Autrice : Aurore Collet
• Direction : Nicolas Mangold, Alexandre Valance, Sabrina Carpy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des planètes
• Date : Soutenance le 10/07/2024
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Planétologie et Géosciences (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Bernadette Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Mangold, Agnès Cousin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Allemand, Sébastien Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Surfaces

Mots clés libres

Photogrammétrie

Analogue planétaires

Rides éoliennes

Photogrammetry

Planetary analogue

Aeolian ripples

Résumé

Dans les déserts terrestres, sur les plages ou encore sur les champs de dunes de Mars, les rides éoliennes sont des motifs périodiques et orientés qui traduisent l’interaction entre un écoulement de type couche limite atmosphérique et des surfaces meubles. La compilation bibliographique d’études réalisées sur le terrain et en soufflerie expérimentale indique des comportements différents en fonction de la taille des grains, de leur polydispersité et de la vitesse de l’écoulement. Dans cette thèse, la formation des rides éoliennes est étudiée en soufflerie à pression atmosphérique par reconstruction de modèles tridimensionnels photogrammétriques. Cette étude met en lumière un régime de transport en non- équilibre pour leur formation et leur développement. Les caractéristiques morphologiques (longueur d'onde, amplitude, vitesse de migration, zone d'établissement) et les caractéristiques environnementales (vitesse du fluide, taux d'érosion, flux de masse) sont alors évaluées dans ce régime de non-équilibre en fonction de la vitesse de l’écoulement pour du sable de Fontainebleau d = 312 μm. Des grains plus grossiers avec une distribution bimodale ont également été étudiés dans cette soufflerie. Enfin, une expérience en condition de basse pression, avec une densité de fluide similaire à celle de l’air martien, a été menée dans la soufflerie de Aarhus, Danemark. Sur Terre comme sur Mars, les rides se comportent de manière similaire : pour des conditions proche du seuil de transport, la longueur d'onde augmente avec la vitesse du vent passe par un maximum puis décroit jusqu'à atteindre un nouveau régime de transport pour des vitesses plus fortes. Les rides ainsi observées apparaissent dans une zone en nette érosion. L’étude spatiale et temporelle des rides permet de remonter à des informations sur l’intensité des vents et leur direction ainsi que les flux de masse transportés. Ces informations seront utiles pour contraindre les régimes dans des expériences futures mais également pour l’analyse de flux de sable par drone sur Terre ou sur d’autres planètes.

In terrestrial deserts, on beaches or even on the dune fields of Mars, aeolian ripples are periodic, oriented patterns that reflect the interaction between an atmospheric boundary layer-type flow and loose surfaces. A compilation of field and wind-tunnel studies indicates that they behave differently depending on grain size, polydispersity and flow velocity. In this thesis, the formation of wind ripples is studied in an atmospheric pressure wind tunel by reconstructing three-dimensional photogrammetric models. This study highlights a out-of-equilibrium transport regime for their formation and development. Morphological characteristics (wavelength, amplitude, migration velocity, establishment zone) and environmental characteristics (fluid velocity, erosion rate, mass flux) are then evaluated in this out-of- equilibrium regime as a function of flow velocity for Fontainebleau sand d = 312 μm. Coarser grains and with bimodal distribution were also studied. Finally, a low-pressure experiment, with a fluid density similar to that of martian air, was carried out in the wind tunnel in Aarhus, Denmark. On Earth as on Mars, ripples behave in a similar way: for conditions close to the transport threshold, the wavelength increases with wind speed, passes through a maximum and then decreases until it reaches a new transport regime for higher speeds. The ripples thus observed appear in a clearly eroding zone. The spatial and temporal study of the ripples provides information on wind intensity and direction, as well as the mass fluxes transported. This information will be useful for constraining regimes in future experiments, as well as for the analysis of sand flows by drone on Earth or on other planets.