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10 Dunes de sables, dynamiques et modélisation Les déserts de la planète montre

10 Dunes de sables, dynamiques et modélisation Les déserts de la planète montrent une variété de dunes de sables aux fascinantes formes et motifs. Le point de ce chapitre se fera sur la dynamique et la modélisation par ordinateur des dunes et champs de sable. Ceci est encore un problème complexe mais en général, la dynamique des dunes de sable est gouvernée par les interactions entre le flux atmosphérique, les mouvements des grains de sable et les caractéristiques morphologiques d’une dune. Nous allons aborder ces trois sujets en détail. L’étude des dunes de désert à une histoire de plus d’un siècle. Les explorations des dunes de désert ont commencé sur la fin du 19éme siècle, et vers 1980, tous les systèmes dunaires majeurs avaient été explorés (Goudie, 1999). Une description exhaustive de ces systèmes dunaires sur l’ensemble de la planète peut être trouvée chez Wilson (1972). Le nombre de formes de base de dunes de sable est assez réduit (section 2), Mais une variété de combinaisons de type de dunes peut exister. Les combinaisons de dunes sont surtout de deux catégories : (1) des dunes composées formées à partir de deux ou plus de deux dunes de la même forme de base, en coalescence ou en superposition, et (2) les dunes complexes pour lesquelles deux ou plus de deux formes de base différentes sont combinées ou superposées. (McKee, 1979). Les récentes avancées dans l’imagerie aérienne et par satellite ont permis une meilleure classification des différents types de dune, des mesures plus fiables de la morphologie de déserts à grande échelle, et le développement d’hypothèses pour les mécanismes de formation et d’évolution de dunes. Les études sur les dunes de sable ont été réalisées à partir d’un tunnel de vent et d’expérimentations de terrain, d’analyses théoriques et de simulation par ordinateur. Les expériences par tunnel de vent sont utiles pour l’étude de l’écoulement (ou flux, ndt.) au-dessus des dunes et des mouvements microscopiques du sable, mais ne sont pas utilisables pour l’étude des dynamiques des champs de dunes à grande échelle, car il est nécessaire d’acquérir des similarités dynamiques entre le tunnel de vent et les conditions naturelles, et ceci est difficile à obtenir. Seules quelques expériences de terrain sur les dynamiques des dunes ont été recensées ( ex. McKenna Neuman et alii 1997 ; Nickling et al. 2002). Les expériences de terrain prennent du temps, coutent de l’argent, et sont limitées à des périodes plus courtes que celle de l’évolution dans le temps d’un système dunaire. fig. 10.1. Une variété de différents types de dunes de sable dans le Taklimakan (Photos de Tao Yang, approuvées) En général, il reste des lacunes au niveau des observations directes de la structure des flux, du transport et des dépôts de sable, qui sont importants pour la compréhension des dynamiques des dunes et des systèmes dunaires. Il est par conséquent intéressant de construire des modèles numériques pour simuler le comportement des dunes et systèmes dunaires sous diverses conditions atmosphériques et de surface (ex : disponibilité de réserve de sable) dans le but de prévoir leurs évolutions sur le long terme. Les simulations par ordinateur pourraient jouer un rôle important pour la compréhension de la dynamique des dunes de sable, mais pour l’instant, seules quelques études de ce genre ont été réalisées, et celles-ci ont été en majorité limitées à des cas simples. La plupart des dunes de sable ont une hauteur relativement faible lorsque l’on compare celle-ci avec leur diamètre horizontal et donc, leurs caractéristiques aérodynamiques sont similaires à celles de collines de faible taille. Les flux autour de petites collines ont été un sujet de recherche active sur la couche limite atmosphérique et sont raisonnablement bien comprises. Pendant un cas d’érosion par le vent, la surface de la dune devient mobile, et par conséquent le comportement des flux peut également être assez différent de celui existant autour d’une petite colline. Une particularité unique ici, est que le réglage du flux est réalisé à la fois sur une échelle macro, déterminée par la configuration de base d’une dune, et sur une échelle micro, sur la couche de surface, déterminée par le taux de sable transporté. Sur une courte période, la morphologie de la dune est le facteur déterminant pour transport du sable et de ses dépôts, mais sur une période plus longue, ce sont le transport et les dépôts de sable qui déterminent la morphologie de la dune. 10.1. Classification des dunes de sable Les structures hiérarchiques des champs de dunes sont habituellement classées en rides(ou ondulations), dunes et draas (ou méga dunes) d’après leur échelle spatiale. L’échelle typique des rides, dunes et draas se situe respectivement entre 10-2 et 10-1, 10 et 102 puis 102 et 103 m. Les rides peuvent apparaître sur la surface des dunes et des draas et les dunes peuvent apparaître sur des draas. Un fossé peut exister entre les échelles des ondulations et des dunes et il est considéré que les ondulations, dunes et draas coexistent dans un équilibre quasi parfait, c'est-à- dire que les ondulations ne se transforment pas en dunes et les dunes ne se transforment pas en draas (Wilson, 1972) : la formation d’ondulations est dirigée par les turbulences atmosphériques tandis que les formations de dunes et de champ de dunes sont dirigées par les régimes de vent sur l’échelle, plus longue, d’une saison. Les dunes de sables peuvent être classées d’après la forme du corps de sable et la position et le nombre de cotés escarpés. Les types basiques sont : les barkhanes, les dunes transversales, les dunes linéaires, les dunes inversées et les dunes en étoile(également appelées Ghourds, ndt.) Elles reflètent les facteurs environnementaux qui influencent le transport et les dépôts de sable, particulièrement la force du vent et sa direction, l’apport de sable, la végétation, les barrières physiques et la distance par rapport à la source. Des combinaisons variées de ces facteurs sont à la base de chaque type distinct de dune, et la genèse et le développement d’une dune de type basique permettent une généralisation. La dune de type barkhanoïde incluant les barkhanes, les crêtes barkhanoïdes et les dunes transversales sont les plus étudiées. Elles proviennent de vents allant une direction prédominante et qui sont orientés avec leurs axes perpendiculairement à cette direction. Une barkhane à une forme de faucille (Fig. 10.2a) avec deux cornes pointant en direction de la migration. Les barkhanes sont relativement petites et isolées, avec une hauteur entre 0.3 et 10 m, bien que d’exceptionnelles hauteurs atteignant les 50m aient été observées. Le versant exposé au vent à une inclinaison allant de 5° à 15° et une pente escarpée existe sur le versant sous le vent, avec une inclinaison allant de 30° à 34° dépendant des caractéristiques du grain. Une barkhane peut migrer sur de larges distances dans le sens du vent sans nécessairement changer de forme et de taille. Quand que la vitesse du vent excède le seuil d’érosion, les particules de sable sur la pente exposée au vent sont érodées et donc transportées et déposées du coté sous le vent. Les dépôts commencent à la crête, atteignent un maximum à une distance peu éloignée de cette crête, puis déclinent plus loin, en aval. En conséquence, les particules de sable s’accumulent plus rapidement sur la partie supérieure que sur la partie inférieure de la pente, en résulte, sous le vent, une pente de plus en plus escarpée, ce qui au final provoquera de petites avalanches de sable et des séparations de flux. La formation d’un flux inversé sur le versant sous le vent maintient l’escarpement du talus d’avalanche. Ce processus est accompagné par un mouvement autour de la dune et une augmentation Fig. 10.2. Ilustration schématique de formes communes de dunes ( d’après McKee, 1979) De la vitesse du vent (d’où une érosion plus forte) sur les deux cotés de la dune, ce qui mène à la formation des deux cornes. La vitesse de migration d’une barkhane est liée au taux de sable transporté par delà la crête et inversement relié à sa hauteur. Bagnold (1941) a montré que la vitesse de migration d’une barkhane est : Où Qc correspond au flux de saltation dans le sens du vent par-dessus la crête, ρb est la densité globale, et hc, la hauteur de la dune. Les observations montrent que les barkhanes évoluent entre 5 et 30m y-1. La dérivée de l’Equation est donnée en section 10.2. Là ou l’apport de sable est suffisamment grand, des barkhanes individuelles peuvent se lier entre-elles et former une corniche parallèle de forme ondulée, perpendiculairement au vent prédominant (Fig. 10.2b). Les dunes transversales sont essentiellement des corniches barkhanoïdes parallèles (Fig.10.2c), qui apparaissent avec grâce à un apport de sable encore plus grand. Comparées aux corniches barkhanoïdes, les dunes transversales ont une crête relativement droite. Comme pour les barkhanes, les corniches barkhanoïdes et les dunes transversales évoluent grâce à l’érosion, sur le versant exposé au vent et aux dépôts sur la pente escarpée. La célérité de la dune transversale est en proportion directe uploads/Litterature/ traduction-dunes-de-sables-dynamiques-et-modelisation.pdf