Comprendre les événements extrêmes des écoulements turbulents
Les écoulements turbulents, également appelés turbulences, sont des mouvements de fluides caractérisés par des changements rapides de pression et de vitesse d’écoulement. Les écoulements turbulents tels que les atmosphères planétaires, les océans et les écoulements autour d’une aile ou d’une éolienne subissent de fortes fluctuations de leur état moyen. Dans certains cas, ils peuvent même soudainement passer à une configuration d’écoulement entièrement différente. «Bien que ces événements extrêmes soient cruciaux pour la météo, le climat et tout un éventail d’applications techniques, de nombreux aspects restent mal compris», explique Corentin Herbert, chercheur en physique à l’ENS de Lyon. «Du fait que les écoulements turbulents possèdent, en général, plusieurs attracteurs métastables, on peut s’attendre à ce que des transitions abruptes existent dans l’océan et l’atmosphère du seul fait de leur nature turbulente.» Dans le cadre de TransTurb, un projet de recherche soutenu par les actions Marie Skłodowska-Curie, Corentin Herbert s’est attaché à mieux comprendre ces événements extrêmes et les transitions abruptes dans les écoulements turbulents.
Un point de basculement pour le climat mondial
L’objectif scientifique du projet était de déterminer s’il existait des transitions spontanées entre des états bi-stables dans l’atmosphère et si elles ressemblaient aux transitions induites par le bruit étudiées en physique statistique. «Bien qu’il soit impossible de savoir quand la transition aura lieu, la dynamique est généralement prévisible car le système suit toujours le même chemin pour produire l’événement rare», explique Corentin Herbert. Le phénomène sur lequel le projet s’est concentré, baptisé super-rotation équatoriale, est une inversion de la direction des vents de surface tropicaux. «Alors que les vents d’est prévalent sur Terre, des vents d’ouest sont observés dans de nombreuses atmosphères planétaires comme celle de Vénus», explique Corentin Herbert. «Des transitions abruptes vers la super-rotation pourraient fournir un nouvel exemple de point de basculement pour le climat mondial, ou plus spéculativement, le changement climatique anthropique.» À l’aide de calculs théoriques et de simulations numériques, le projet a montré sans ambiguïté qu’un mécanisme de feedback entre les ondes équatoriales dans l’atmosphère et le vent de fond entraîne une bi-stabilité et des transitions abruptes. Le projet a également précisé les conditions dans lesquelles cela se produit.
Adapter les algorithmes
Selon Corentin Herbert, l’étude des événements extrêmes dans les systèmes complexes présente des difficultés techniques majeures. «Le principal défi réside dans le fait que nous nous intéressons aux événements rares, pour lesquels, par définition, nous détenons peu d’observations», explique-t-il. «Les simulations numériques directes du système ne permettent pas vraiment d’atténuer le problème car les modèles d’écoulements turbulents ou du système climatique sont gourmands en termes de calcul.» Pour résoudre ce problème d’échantillonnage, plusieurs groupes ont développé des algorithmes numériques efficaces. «Le second objectif du projet TransTurb était de montrer que ces algorithmes peuvent être adaptés afin de répondre à des questions pertinentes à propos de phénomènes rares qui surviennent dans des écoulements turbulents», explique Corentin Herbert. «En nous appuyant sur l’expertise des algorithmes d’événements rares, nous avons démontré que ces algorithmes permettent d’évaluer le temps typique entre deux occurrences d’un événement rare, appelé “temps de retour”.»
Des outils à la disposition des autres chercheurs
Un grand nombre des outils numériques développés au cours du projet sont désormais accessibles au public via Github. «Cela devrait permettre à d’autres chercheurs d’améliorer et élargir facilement nos méthodes et de les appliquer à d’autres systèmes», ajoute Herbert. «J’espère que le projet a montré à la communauté des physiciens qu’il existe de nombreux problèmes fascinants dans la science du climat pour lesquels leurs compétences peuvent se révéler utiles.»
Mots‑clés
TransTurb, écoulements turbulents, turbulence, atmosphère, météo, climat, physique, super-rotation équatoriale, science du climat
