L’activité éolienne et, lorsqu’elle existe (sur Terre et Titan), l’activité fluviale participent efficacement au transport des sédiments des surfaces planétaires dotées d’une atmosphère. L’initiation de ce mouvement se fait plus ou moins facilement en fonction de la nature des sédiments (densité), des caractéristiques du fluide (densité et viscosité de l’air ou de l’agent liquide) et de la pesanteur. C’est ce qu’illustre cette appliquette.
Le modèle simplifié sur lequel s’appuie cette appliquette est décrit en partie dans la section activité éolienne. Pour plus de détails se référer à : « Planetary Surface Processes » de H. Jay Melosh, Cambridge University Press, 2011.
A vous de jouer en essayant de répondre aux questions ci-dessous.
Mise en mouvement des sédiments sur Vénus, la Terre, Mars et Titan
Les caractéristiques (densité, viscosité) des fluides (atmosphères, liquides) présents à la surface de Vénus, la Terre, Mars et Titan sont donnés ici. Rappelons que la composition des sédiments varie d’un corps planétaire à l’autre : du quartz (2650 ) sur Terre, du basalte (2900 ) sur Vénus et Mars et de la glace d’eau (992 à 92 K) et/ou de la matière organique (1500 ) sur Titan.
Auteur: Alice Le Gall
Questions
Question 1)
Testez l’appliquette pour un cas quelconque et expliquez la courbe obtenue et notamment les 2 régimes qui se dégagent.
Solution
Lorsque les grains sont suffisamment grands, la vitesse seuil nécessaire à leur mise en mouvement augmente en sqrt(d). Dans ce cas, le vent s’oppose simplement à la gravité (c’est-à-dire au poids des grains).
Lorsque les grains sont petits, les forces de cohésion (entre particules ou avec le sol) ne sont pas négligeables et prennent même le dessus sur la gravité ; la vitesse seuil nécessaire à la mise en mouvement des petites particules varie alors en 1/d (approximation).
A la transition entre ces deux régimes, il existe une taille limite de grain pour laquelle la vitesse seuil de mise en mouvement est minimum.
Question 2)
Sur quel objet planétaire le transport des particules sédimentaires par le vent est-il le plus facile ? Classez les planètes par ordre de facilité du transport éolien et expliquez.
Solution
Dans l'ordre: Vénus, Titan, Terre, Mars.
Les vitesses seuil de mise en mouvement des grains sur Vénus et Titan sont nettement plus faibles que sur Mars et la Terre. Ceci est lié au fait que les densités atmosphériques de Vénus et Titan sont significativement plus grandes. Sur Vénus, de plus, la viscosité de l’atmosphère est élevée et sur Titan la pesanteur est faible (7 fois plus faible que sur Terre).
Question 3)
Toutes ces planètes présentent des dunes à leur surface, sur laquelle les grains constituant ces dunes sont sans doute les plus fins ?
Solution
Vénus. Sur Vénus, la taille des grains les plus facilement transportables (c’est-à-dire requérant la vitesse d’écoulement la plus faible pour être mis en mouvement) est d’environ 94 μm (le minimum de la courbe) contre 160 μm sur Titan, 220 μm sur la Terre et 1100 μm sur Mars.
Question 4)
Trouvez la combinaison Planète-Atmosphère-Sédiments pour laquelle l’entrainement de la matière sédimentaire à la surface requiert les vents les plus faibles.
Solution
Titan - Atmosphère Vénus – Glace d’eau.
Question 5)
La taille typique des grains constituant les dunes sur Terre est de l’ordre de 200 μm. Commentez.
Solution
Cette taille correspond à la taille des grains les plus facilement transportable par le vent sur Terre (le minimum de la courbe est atteint pour un diamètre de grain de 220 μm).
Question 6)
Comparez la mise en mouvement d’un grain à la surface par le vent à celle d’un grain situé au fond d’une rivière sur Terre. Expliquez.
Solution
En raison de la plus grande densité de l’eau par rapport à l’air, l’activité fluviale sur Terre déplace plus facilement (seuil d’entrainement plus petit) des grains en moyenne plus gros (le minimum de la courbe est atteint pour un diamètre de grain de 560 μm) que l’activité éolienne.
Question 7)
Même question pour Titan. Notez que la composition des sédiments sur Titan n’est pas encore bien identifiée. Il pourrait s’agir de matière organique, de glace d’eau ou d’un mélange de ces composés. L’agent liquide est le méthane liquide.
Solution
L’activité fluviale sur Titan déplace plus facilement (seuil d’entrainement plus petit) des grains en moyenne plus gros, que ceux-ci soient composés de glace d’eau ou de matière organique (le minimum de la courbe est atteint pour un diamètre de grain de 400-500 μm) que l’activité éolienne.
Question 8)
Comparez le transport fluvial sur Titan à celui sur Terre.
Solution
Selon ce modèle, le transport fluvial est plus facile à initier sur Titan.
Question 9)
Dans le passé, de l’eau liquide coulait sans doute à la sa surface de Mars. Comparez l’activité paléo-fluviale de Mars à celle présente de la Terre. Que se passe-t-il pour les grains les plus petits ?
Solution
La faible pesanteur de Mars rend le mouvement des particules les plus grandes plus facile. Pour les petits grains, en revanche, les forces de cohésion qui s’opposent au transport fluvial sont les mêmes sur la Terre et sur Mars.
Question 10)
Quelle doit être la vitesse minimum du vent à 1 m du sol pour la mise en mouvement de grains à la surface de Mars. Qu’en déduisez vous ?
Solution
Les seuils de vitesse d’écoulement requis pour la mise en mouvement des grains sédimentaires sur Mars sont particulièrement élevés.
On rappelle que la vitesse de l’écoulement (lorsqu’il est turbulent) à 1 m du sol est liée à la vitesse de cisaillement par la relation (approximative) :
Il faut donc, à 1 m du sol, un vent minimum de 37 m/s soit de plus de 130 km/h pour déplacer des particules sur Mars! Sur la planète rouge, les sédiments sont donc transportés essentiellement pendant des épisodes de tempête.