LA MÉCANIQUE DES FLUIDES

La dynamique des fluides est un sujet qui s'applique largement : en biologie, en géophysique et en astrophysique, en océanographie et en météorologie, ainsi qu'en génies chimique, nucléaire, aéronautique, hydraulique et en écologie. Dans tous ces contextes, le fluide, qui est soit en phase liquide, soit gazeuse, soit sous forme de plasma (gaz ionisé), est traité comme un milieu continu représenté par les champs de densité, de pression et de vitesse satisfaisant la fameuse équation de Navier-Stokes. Cette équation décrit des phénomènes se produisant sur une très grande gamme d'échelles de longueur, allant de l'échelle ‘sub-micron' des phénomènes biologiques à un extrême, jusqu'à l'échelle ‘super-parsec' des phénomènes cosmologiques et astrophysiques à l'autre. Nous présenterons un point de vue sur ces phénomènes et discuterons en particulier l'effet dynamo, qui correspond à l'auto-excitation du champ géomagnétique due aux mouvements se produisant dans le noyau liquide terrestre, problème classique pour lequel des progrès remarquables ont été réalisés depuis ces cinq dernières décennies. Deux aspects de ce problème peuvent être illustrés par des phénomènes analogues, mais plus simples, provenant de la dynamique des corps rigides. Tout d'abord, l'auto-excitation d'un champ magnétique dans un fluide conducteur est associée à la chiralité de l'écoulement turbulent, propriété que possède le ‘rattleback', toupie asymétrique qui présente un curieux comportement quand on la fait tourner sur une table. Nous montrerons ensuite que l'instabilité dynamo est dissipatrice par nature, car il faut de la dissipation par effet Joule pour permettre l'intensification du champ magnétique, ceci sur l'échelle du temps de dissipation qui est de l'ordre de 10,000 ans dans le contexte terrestre. L'instabilité dissipatrice peut être illustrée par le phénomène familier de ‘l'oeuf montant'. La conférence sera agrémentée par quelques démonstrations simples de ce genre d'instabilités.

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FLUIDES ET TOURBILLONS

"Les récents ouragans sur la France nous ont brutalement rappelé l'importance des fluides tels que l'air et l'eau. Ces fluides obéissent aux lois de la mécanique classique de Newton. Ils sont très instables: dans le sillage d'un obstacle (sur une automobile, un TGV, un avion ou un navire), les différences de vitesse engendrent de magnifiques tourbillons en spirale, qui, tels des vagues sur l'océan, déferlent en turbulence. Cette turbulence est bien décrite à petite échelle par la fameuse "" cascade de Kolmogorov "", où les différences de vitesse entre deux points sont proportionnelles à la puissance un tiers de leur distance. La turbulence est en fait considérée comme un des derniers grands problèmes non résolus de la physique moderne. A l'heure où les biologistes élucident la structure du génome humain, des progrès décisifs sur la structure de la turbulence et des tourbillons qui la composent ont pu être faits par la résolution numérique sur super-calculateur scientifique des équations du mouvement. Un traitement d'image performant permet de visualiser les tourbillons et de suivre leur évolution. Une avancée considérable a en particulier été faite grâce au concept de "" simulation des grandes échelles "", où les fluctuations à petite échelle sont éliminées et modélisées par une viscosité turbulente intelligente. On montre des exemples de ces simulations réalisées à Grenoble (par "" viscosités spectrale ""), avec les anneaux-vortex (responsables des ronds de fumée) dans un jet, et les tourbillons en arche au voisinage d'une paroi et sur une cavité. La simulation numérique est un outil très précieux pour le contrôle de la turbulence en aérodynamique, acoustique, combustion et pollution."

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LA TURBULENCE

Cinq siècles après les travaux de Léonard de Vinci sur le contrôle des tourbillons et de leur effet dans la rivière Arno, le sujet n'est toujours pas clos. Au XXème siècle ce sont d'abord les innombrables applications pratiques (par exemple dans le domaine de l'aéronautique) qui ont été le moteur d'un progrès qui se concrétisait plutôt par le développement de modèles empiriques que par de véritables percées fondamentales. A partir de 1940, grâce en particulier au mathématicien russe Andrei Nikolaevich Kolmogorov, une véritable théorie a été proposée. Elle s'est révélée à la fois féconde en applications (en modélisation pour l'ingénieur) et pas tout à fait correcte : la théorie de Kolmogorov est invariante d'échelle (auto-similaire) alors que dans la réalité cette invariance d'échelle est brisée (un peu comme l'homogénéité de l'Univers est brisée par la présence de galaxies, d'étoiles, de cristaux, d'êtres vivants, etc.). on commence seulement depuis peu à comprendre le mécanisme physique et mathématique de cette brisure. Une véritable théorie de la turbulence pourrait naître dans les prochaines années.

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Paris, 22 JANVIER 2014

De la vapeur d'eau découverte pour la première fois autour d'un astéroïde

Une équipe internationale, comprenant des chercheurs du CNRS et de l'Observatoire de Paris au LESIA1 (Observatoire de Paris/CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot) et à l'IMCCE2 (Observatoire de Paris/CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Lille 1), vient de découvrir des émissions intermittentes de vapeur d'eau sur Cérès, le plus gros des astéroïdes, grâce au télescope spatial Herschel3. Ce résultat est à paraître dans la revue Nature du 23 janvier 2014.
Cérès a été le premier astéroïde découvert en 1801 par Giuseppe Piazzi en Sicile. C'est également le plus gros d'entre eux, avec un diamètre de près de 950 km : il est d'ailleurs maintenant classé planète naine tout comme Pluton. Il se situe dans la ceinture principale d'astéroïdes (entre les orbites des planètes Mars et Jupiter) dont il concentre à lui seul 1/5e de la matière.

Cela faisait plus de trente ans que l'on soupçonnait la présence d'eau à la surface de Cérès. L'équipe d'astronomes, en utilisant le télescope spatial Herschel, a clairement détecté la présence d'eau sous forme gazeuse autour de Cérès à plusieurs reprises en 2012 et 2013. Mais cette vapeur d'eau n'est émise que lorsque Cérès, dont l'orbite n'est pas parfaitement circulaire, est au plus près du Soleil. Les astronomes ont pu déterminer que l'eau était alors éjectée par deux sources bien localisées, à la manière de deux geysers géants. En utilisant un modèle de jets cométaires développé au LESIA, ils ont même pu montrer qu'une partie de cette vapeur d'eau retombait sur Cérès.

Cette découverte met fin à une controverse scientifique qui durait depuis la fin des années 1970. Une signature dans le proche infrarouge dans le spectre de Cérès était vue par certains chercheurs comme la trace de la présence de glace à sa surface, mais d'autres chercheurs l'attribuaient tout simplement à certains minéraux de l'astéroïde. Le produit de photodissociation de l'eau autour de Cérès avait été marginalement détecté en 1992, mais cette observation n'avait jamais pu être confirmée par la suite, malgré divers essais incluant le Very Large Télescope (VLT) de l'observatoire européen austral (ESO).

Si l'émission de vapeur d'eau de Cérès est désormais prouvée et s'explique facilement par un comportement cométaire, la question de l'origine de cette eau reste ouverte : Cérès possède-t-il un océan souterrain ? Ou bien ces deux régions correspondent-elles à deux poches isolées ? Dans un tel cas, quelle est leur origine ? La sonde Dawn de la NASA lancée en 2007 est actuellement en route vers Cérès après avoir étudié l'astéroïde Vesta en 2011. Attendus pour 2015, les images et spectres à haute résolution de la surface de Cérès nous permettront de mieux comprendre l'origine de ces geysers.

La présence d'eau sur Cérès a de fortes implications sur notre conception générale de l'origine de l'eau dans le Système solaire, et sur la Terre en particulier. La vue traditionnelle sépare en effet le Système solaire primitif en une partie "sèche" et une partie riche en glaces, la limite se situant environ à l'orbite de Jupiter. La présence d'eau sur Cérès serait alors en accord avec les derniers modèles d'évolution du système solaire, qui montrent que la migration des planètes aurait engendré un brassage entre astéroïdes et comètes, laissant la ceinture principale actuelle composée d'une multitude de corps divers. Cette migration a placé de nombreux objets riches en eau sur des orbites croisant l'orbite de la Terre, lui apportant l'eau de ses océans.

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