Blanc SIMI 5 - Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie

Caractérisation des environnements EXtra-terrestres de Mars et Titan par l’Observation et la modélisation des champs de DUNES – EXO-DUNES

EXO-DUNES

Caractérisation des environnements EXtra-terrestres de Mars et Titan par l’Observation et la modélisation des champs de DUNES

Comprendre les environnements climatiques et sédimentaires par l'observation et la simulation des dunes planétaires

Le projet EXODUNES vise à analyser les caractéristiques des dunes planétaires afin d'en apprendre davantage sur les écoulements atmosphériques et les processus sédimentaires qui les ont façonnées. <br />La morphologie et l'orientation des dunes ont toujours permis d'estimer de manière originale des paramètres environnementaux tels que la densité de l’atmosphère, la taille des grains, l’épaisseur de la couche limite atmosphérique, la direction moyenne du vent etc.... La forme et l'orientation des dunes ne permettent de conclure de manière définitive sur la nature des écoulements atmosphériques et du matériel sédimentaire. Les lois de transport, les régimes des vents et les propriétés des sédiments étant fortement couplés, cet exercice s'avère être un problème inverse d'une grande complexité. EXO-DUNES est donc un projet hautement collaboratif et interdisciplinaire, réunissant des chercheurs spécialistes des dunes planétaires possédant des compétences variés en analyse d'images, en recherche expérimentale, en modélisation numérique et sur le terrain.

Nous proposons d'étudier en détail les dunes de Mars et de Titan, à l'aide d'analogues terrestres pertinents. L'objectif de ce projet est de développer de nouvelles méthodes quantitatives afin de fournir de nouvelles informations sur la nature des sédiments et la circulation atmosphériques à partir de la morphologie, de la taille et de l'orientation des dunes.
La première partie de ce projet consiste à analyser les images satellitaires des dunes de Mars et de Titan afin d'en extraire, en comparaison avec des analogues terrestres, des informations quantitatives sur leur morphodynamique (composition, forme, orientation, direction et vitesse de migration, ...). La deuxième partie consiste en des recherches expérimentales et numériques sur la physique des dunes et les écoulements qui en sont à l'origine. Les expériences de laboratoire et les simulations numériques seront progressivement alimentées par les observations et seront menées en parallèle dans le cadre d'une interaction mutuellement bénéfique. L'objectif est d'obtenir une description détaillée des conditions climatiques (régimes des vents) et sédimentaires (disponibilité) qui ont façonné les dunes de Mars et de Titan. Cela permettra d'identifier des comportements variés permettant une meilleure compréhension des mécanismes de rétroaction à l'origine des champs de dunes terrestres.

Parmi les nombreuses contributions scientifiques du projet EXODUNES, nous avons sélectionné quelques résultats fondamentaux qui modifient significativement la compréhension des systèmes dunaires. La plus importante contribution est certainement d'avoir développé un nouveau formalisme théorique permettant de reconnaître et de prédire les modes de croissance dunaires sous des régimes de vents multidirectionnels. Construite à l'aide de résultats expérimentaux et numériques puis validée par les observations, cette théorie permet de distinguer la forme et l'orientation des dunes en fonction de la disponibilité de sable. Elle permet surtout d'expliquer la coexistence de motifs dunaires et ainsi d'apporter de nouvelles et précieuses contraintes à la résolution du problème inverse consistant à reconstruire les régimes de vents à partir de la forme et de l'orientation des dunes. En parallèle, il devient aussi possible de prédire les flux sédimentaires et de contraindre les conditions climatiques et leur évolution sur une large gamme d’échelles de temps, non seulement sur Mars et Titan mais aussi au sein des différents déserts terrestres.

Faisant suite à notre premiers résultats prometteurs, permettant de valider notre méthodologie et nos outils, nous avons l'intention maintenant de procéder aux étapes suivantes: (1) tester et valider la théorie de l'orientation des dunes avec des simulations numériques et des campagnes de terrain en Chine, (2) poursuivre les expériences de laboratoires au sujet de la transition entre les différentes morphologies dunaires, avec un nouveau dispositif expérimental, (3) cartographier les dunes martiennes et contraindre l'origine de leur orientation à la lumière de la nouvelle théorie de l'orientation des dunes, (4) de quantifier le taux de croissance des dunes terrestres et martiennes et les flux de sable correspondants, (5) développer un modèle numérique pour l'étude de la dynamique des dunes de glace incluant les cycles de sublimation/condensation.

Le projet ANR EXODUNES a permis de générer une abondante et régulière production scientifique se traduisant principalement par de nombreux articles scientifiques (32 au total) dans les plus grands journaux scientifiques dédiés aux sciences de l'environnem

L’objectif du projet EXO-DUNES est de caractériser les dunes observées sur Mars et Titan (la plus grosse lune de Saturne), et de contraindre les processus atmosphériques et sédimentaires qui les ont créées et façonnées.

Grâce aux programmes actuels d’exploration de Mars et de Titan, notre connaissance de ces deux corps s’est grandement améliorée. Les systèmes atmosphériques et les paysages de Mars et Titan présentent de très nombreuses analogies avec la Terre. En particulier, des champs de dunes ont été observés sur Mars et Titan, démontrant que celles-ci peuvent se former dans des environnements extrêmement variés. Les dunes sont des outils très puissants pour contraindre l’histoire sédimentaire et climatique des environnements arides et semi-arides (comme les déserts terrestres, ou plus globalement sur Mars et Titan).

Mars et Titan présentent des environnements « exotiques », mais les différences dans la morphologie de leurs dunes restent limitées selon les standards terrestres. Sur Mars, les dunes se forment dans un environnement froid. Leur formation et évolution semblent être fortement liées à la topographie locale, la concentration des sédiments en volatiles et au cycle saisonnier gel/dégel. Plus loin encore du soleil, la morphogénèse des dunes de Titan fait encore largement débat. Considérant le climat de Titan et la composition supposée des « grains de sable », dominée par des hydrocarbures, la cohésion semble jouer un rôle très important. Pourtant, de nombreuses questions concernant l’origine des dunes planétaires, leur composition, morphologie, âge et dynamique restent tout de même irrésolues. Dans ce contexte, Mars et Titan nous offre l’extraordinaire possibilité de contraindre la morphodynamique des dunes dans des environnements extrêmes et de faire progresser en retour notre connaissance des processus atmosphériques et sédimentaires sur Terre.

Nous nous proposons ainsi d’étudier en détail les dunes de Mars et de Titan, avec l’aide d’analogues terrestres. L’objectif de ce projet est de développer de nouvelles méthodes dans le but d’extraire les informations fondamentales sur la nature du sédiment et des régimes de vents à partir de la forme, la taille et l’orientation des dunes. Nous avons pour cela identifié trois principales questions : (1) quels sont l’origine et le rôle de la cohésion au niveau granulaire ? (2) quel est le rôle de la topographie ? (3) quels sont les rôles respectifs de l’intensité, la direction et la variabilité des vents ?

L’observation seule de la forme et l’orientation des dunes ne permet pas de lever l’ambiguïté entre les rôles combinés des propriétés mécaniques du sédiment et de l’écoulement atmosphérique. Le couplage entre les lois de transport, le vent et les propriétés du sédiment étant hautement non linéaire, ce problème inverse se révèle être d’une grande complexité. C’est pour cela que le projet EXO-DUNES s’articule autour d’une approche fortement collaborative et interdisciplinaire, rassemblant des experts dans l’analyse d’images planétaires, l’étude d’analogues terrestres, l’expérimentation et la modélisation des processus dunaires.

La première partie de ce projet consistera à traiter et analyser les dernières images des dunes martiennes et titaniennes et de quantifier leurs paramètres morphodynamiques (composition, forme, orientation, direction et vitesse de migration…), en comparaison avec des analogues terrestres. La seconde partie concerne les études expérimentales et numériques sur les climats et les processus dunaires. Les expériences et les simulations numériques seront régulièrement et conjointement contraintes et validées par les observations. A la fin du projet, nous envisageons d’obtenir une description détaillée des conditions climatiques (régimes des vents) et du lit sédimentaire (rôle de la cohésion et de la topographie) qui ont façonné les dunes de Mars et Titan. Cela aura des retours très importants sur la compréhension de la physique des dunes terrestres.

Coordinateur du projet

Monsieur Sébastien RODRIGUEZ (Astrophysique, Instrumentation et Modélisation) – sebastien.rodriguez@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MSC Matière et Systèmes Complexes
IPGP Institut de Physique du Globe de Paris
CEA/IRFU/AIM Astrophysique, Instrumentation et Modélisation

Aide de l'ANR 621 267 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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