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Actualité de l'ENS de Lyon

Une atmosphère en laboratoire

Atmosphère
Publication
 

Publication du Laboratoire de géologie de Lyon dans Phys. Rev. Fluids le 25 mars 2019.

Figure 1
L'expérience est installée dans le rotor d'une centrifugeuse (a). Elle est contenue dans le capuchon de titane à gauche (cellule). La connexion électrique avec l'expérience est assurée grâce à un collecteur électrique qui permet de piloter l'expérience et de recueillir les mesures de température et de pression. Sur la photo du bas (b), on voit la cavité expérimentale avant montage dans son capuchon, avec l'isolation thermique des parois (couche d'aérogel), les sondes de température (thermistances) et de pression.

Dans l'atmosphère terrestre, sous l'action du soleil, les masses d'air qui s'élèvent subissent une décompression ce qui abaisse leur température, tandis que courants descendants sont soumis au processus inverse : compression et élévation de température. Conclusion, un gradient de température s'installe, qui explique les grands froids des régions élevées comme les températures glaciales au niveau des vols commerciaux.

Pour la première fois, nous avons pu reproduire ce phénomène dans une expérience de laboratoire. Dans l'atmosphère, la température baisse de 1 degré Celsius chaque fois que l'on s'élève de 100 mètres, cependant, dans notre expérience de convection thermique, nous obtenons une augmentation de 13 degrés pour 5 cm. D’ordinaire, pour une expérience de cette taille, l'augmentation de température devrait être difficilement détectable, de l'ordre d'un millième de degré. Pour amplifier ce gradient de température, nous avons installé le dispositif expérimental dans le rotor d'une centrifugeuse capable d'engendrer une gravité apparente 8000 fois supérieure à la gravité ordinaire. De plus, nous avons remplacé l'air par du xénon pressurisé à 20 bars. Ce gradient de température, appelé gradient adiabatique, constitue un aspect indissociable de la convection thermique dans tous les grands systèmes naturels tels que les atmosphères des planètes, y compris les planètes géantes, l'intérieur du soleil et des étoiles, ainsi que l'intérieur des planètes telluriques tels que la convection mantellique et sa manifestation de surface la tectonique des plaques.

Figure 2
Les mesures de température le long de la cavité permettent de tracer le profil de température selon le rayon, en dans la direction de la gravité apparente. Ce profil suit la courbe théorique (pointillée) dans le gaz, avec une pente de plus en plus forte à mesure que la vitesse de rotation (et la gravité apparente) devient plus forte. Le dernier point de ces profils, au rayon 7,2 cm, est mesuré à la surface de la paroi chauffée. Il permet de déterminer le saut de température à travers la fine couche thermique stagnante (Delta T _{SA}).

Nos expériences ouvrent ainsi la voie à des études expérimentales de cette facette importante de la dynamique planétaire et stellaire. Par rapport aux études numériques, les expériences pourront fournir des données dans des régimes de convection bien plus intenses, intermédiaires entre ce qui est accessible au calcul numérique et ce qui se produit à l'intérieur des objets naturels.

Source : Experimental study of convection in the compressible regime. Rémi Menaut, Yoann Corre, Ludovic Huguet, Thomas Le Reun, Thierry Alboussière, Michael Bergman, Renaud Deguen, Stéphane Labrosse, Marc Moulin. Phys. Rev. Fluids 4, 033502, 25 mars 2019.

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