Le mystère des mini-dunes élucidé
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Sur les plages comme dans les déserts, ils sont pendant longtemps passés inaperçus, éclipsés par leurs cousines les dunes. Ces petits dépôts de sable affichent des mensurations bien moins impressionnantes – quelques mètres de long et de largeur sur quelques centimètres de hauteur. On les retrouve entre les dunes, au milieu des graviers, ou sur les plages lorsque le sable est humide. Et ils ont beaucoup à nous dire sur la formation des structures de sable par le vent [7].
Jusqu’à présent, leur origine demeurait bien mystérieuse. Une équipe internationale de chercheurs, dont des physiciens du CNRS, vient de résoudre l’énigme. S’appuyant sur des mesures précises effectuées sur le terrain, ils sont parvenus à mettre au point un modèle capable pour la première fois de reproduire la formation de ces structures1. Leurs résultats sont publiés dans la revue scientifique PNAS2.
Entre dunes et rides, les mini-dunes
Les dunes, rides et autres objets nés de l’interaction entre le sable et le vent intéressent au plus haut point les physiciens des milieux granulaires, qui peuvent étudier avec ces structures naturelles des comportements collectifs complexes. En une vingtaine d’années d’observations et de mesures expérimentales, les chercheurs ont pu ainsi bâtir une théorie solide pour expliquer la formation des dunes. Quant aux rides, un modèle permet aussi de comprendre leur naissance.
Mais voilà que ces nouveaux venus, les « patchs » de sable, comme les appellent les scientifiques (on parle aussi de « mini-dunes »), viennent quelque peu semer la zizanie et poussent les physiciens à revoir leur copie. « En effet, selon la théorie classique de formation des dunes, aucune structure de sable de moins de 10 mètres de long ne peut apparaître à partir d’un lit de sable plat. C’est la taille élémentaire d’une dune, et de tels patchs ne devraient donc pas exister », explique Philippe Claudin, coauteur de l’étude, au laboratoire Physique et mécanique des milieux hétérogènes3.
Alors, comment expliquer la genèse de ces mini-dunes ? Pour répondre à la question, plusieurs membres de l’équipe sont partis sur le terrain, dans le désert du Namib (Namibie) et dans le parc national des Great Sand Dunes (Colorado, États-Unis).
Leurs premières observations ont mis en évidence que les dépôts de sable n’apparaissent pas n’importe où, mais dans des endroits particuliers où le sol est dur : sur des graviers présents dans les zones interdunaires, dans le désert du Namib, et sur du sable mouillé, du fait de la présence d’une rivière, aux Great Sand Dunes. La différence de nature entre une surface meuble, érodable (un lit de sable sec) et une surface plus dure, consolidée, doit donc jouer un rôle central.
Le saut du grain de sable
C’est ce que confirment les mesures (vitesse du vent, flux de sable) réalisées in situ, qui sont venues quantifier précisément le processus. « Elles montrent que pour une vitesse de vent donnée, la capacité de transport du sable (autrement dit, la quantité de sable transportée par le vent) est beaucoup plus grande sur un sol consolidé que sur un sol érodable », précise Camille Rambert, auteure principale des travaux, en thèse au PMMH et à l’Institut de physique du globe de Paris
Pourquoi ? Parce que lorsqu’ils sont emportés par le vent, les grains de sable se déplacent en effectuant des petits sauts sur le sol – on parle de « saltation ». Or, sur des graviers ou du sable humide, ces sauts sont bien plus efficaces, plus hauts et plus longs que sur une couche de sable sec, où les rebonds sont amortis. Davantage de sable est ainsi déplacé.
Avec tous ces éléments mis bout à bout, le mécanisme de formation des patchs apparaît alors clairement. « Imaginez une grande quantité de sable transportée par le vent sur une surface solide. Tout à coup, ce sable rencontre une zone où il y en a déjà un peu. La capacité de transport se met alors à chuter et le vent ne peut plus déplacer autant de sable. Résultat : une partie du sable se dépose à cet endroit, et le phénomène se poursuit ainsi jusqu’à engendrer un patch bien visible », détaille Camille Rambert.
Capacité de transport et vitesse de formation
Voilà pour le scénario dans ses grandes lignes. Mais, en réalité, les choses sont un peu plus compliquées. « Ce que nous avons découvert, c’est que le passage d’une grande capacité de transport à une plus petite ne se fait pas de manière instantanée quand on passe d’une surface à l’autre. Ce changement s’opère au bout d’une certaine distance, de l’ordre de 1 mètre. D’où ce nouveau paramètre, la longueur de transition, que nous avons introduit dans notre modèle », explique Philippe Claudin.
Avec ces deux ingrédients réunis – le changement de la capacité de transport et la longueur de transition entre ces deux régimes –, les simulations numériques issues du modèle reproduisent fidèlement les observations. Non seulement on retrouve les mêmes profils topographiques des dépôts de sable que ceux mesurés sur le terrain4 (5 mètres de longueur et une hauteur au sommet de 5 centimètres pour les structures observées dans le Namib), mais aussi la même dynamique de ces mini-dunes, qui mettent environ une heure et demie à se former et qui se déplacent, pendant ce même intervalle de temps, de 2 mètres dans la direction du vent.
Quand la mini-dune devient dune
Grâce à leur modèle, les chercheurs ont même pu réaliser des prévisions sur le devenir de ces dépôts de sable. Et les simulations ont mis en évidence un fait remarquable : ces objets pourraient constituer des précurseurs de futures dunes.
« Dans certaines conditions, si le vent souffle constamment dans la même direction et qu’il apporte suffisamment de sable, alors les patchs pourraient se mettre à grossir et engendrer une dune en l’espace de quelques jours, observe Camille Rambert. Ces conditions semblent toutefois rarement réunies dans les déserts. La plupart du temps, comme le vent change de direction ou que les sources de sable à proximité ne sont pas assez importantes, les patchs finissent par disparaître. »
Déjà suspectés par certains avant ces travaux, de tels événements seraient donc rares, mais possibles. Comme en atteste d’ailleurs une observation effectuée par l’équipe aux Great Sand Dunes. Deux relevés réalisés à deux heures d’écart ont mis en évidence la croissance d’un dépôt de sable, qui a grossi jusqu’à s’étendre sur une dizaine de mètres – la fameuse taille minimale à partir de laquelle un amas de sable peut évoluer en une dune. Avec ces patchs, les chercheurs auraient ainsi mis le doigt sur une manière alternative de créer des dunes !
Une hypothèse qu’ils comptent bien confirmer à l'avenir avec de nouvelles campagnes d’observation, mais cette fois menées sur des plages, où les mesures font encore défaut. Avec un vent soutenu soufflant souvent dans la même direction (de la mer vers les terres) et la présence en permanence de sable asséché par le vent, les plages constituent en effet un environnement plus propice que les déserts pour assister à la naissance d’une dune à partir d’un dépôt de sable. Ces observations seront aussi l’occasion pour les physiciens de peaufiner leur modèle, en déterminant précisément quels facteurs influencent la longueur de transition (la vitesse du vent ? la taille des grains de sable ?), dont l’origine physique est encore mal comprise.
Jusque sur Mars !
Avec ce nouveau modèle, les patchs sortent de l’ombre et obligent les physiciens à changer de regard sur la dynamique de transport du sable. Ces objets leur révèlent en effet que le déplacement des grains de sable d’un endroit à un autre est bien plus riche que ce qu’on pensait jusqu’à présent.
Le sable n’est pas simplement transporté par le vent d’une dune à l’autre de façon linéaire, mais ses mouvements sont plus complexes : des dépôts de sable prennent naissance çà et là entre les dunes, se déplacent avant de disparaître et d’alimenter ensuite ces mêmes dunes, et, dans certains cas, contribuent à la formation de nouvelles dunes.
Mieux encore : grâce à cette découverte, il sera possible d’estimer le mouvement des sables, qu’on connaît justement très mal dans les zones situées entre les dunes, sans avoir à déployer d’appareils de mesure compliqués. « Connaissant les caractéristiques des patchs (leur taille, leur vitesse d’avancement...), notre modèle pourrait permettre de remonter au flux de sable qui les a créés, avance Philippe Claudin. Avec de simples photos prises à intervalles de temps réguliers, on pourra alors évaluer la quantité de sable transporté. Et ce, sur des échelles de temps beaucoup plus courtes que pour les dunes, car les patchs apparaissent et se déplacent bien plus vite que ces dernières. »
Cette idée pourrait même être utilisée sur Mars ! Sur des clichés pris par le robot de la Nasa Perseverance sur la planète Rouge, le chercheur pense avoir repéré au milieu d’un champ de pierres la présence de structures ressemblant fortement à nos patchs terrestres. Un suivi régulier de ces dépôts de sable permettrait de connaître le déplacement du sable et, de là, certaines caractéristiques du vent et de l’atmosphère de Mars. Les tas de sable n’ont pas fini d’inspirer les physiciens. ♦
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- 1. L'équipe est composée de chercheurs français, anglais et américains. Les chercheurs français ont mis au point le modèle à partir des observations réalisées par leurs collègues anglais et américains.
- 2. Vol. 122, e2426143122 : doi.org/10.1073/pnas.2426143122
- 3. PMMH, unité CNRS/ESPCI Paris-PSL/Sorbonne Université/Université Paris Cité.
- 4. Mesures réalisées par des scanners laser montés sur trépied qui capturent le relief alentour à quelques millimètres près.
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