Projet ANR-12-BS05-0001 – EXO-DUNES : Caractérisation des environnements EXtra-terrestres de Mars et Titan par l’Observation et la modélisation des champs de DUNES
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Sébastien RODRIGUEZ (Astrophysique, Instrumentation et Modélisation)
Partenaires : Astrophysique, Interprétation - Modélisation, Paris-Saclay; Institut de physique du globe; Laboratoire Matière et Systèmes Complexes
Montant : 621267.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : EXO-DUNESCaractérisation des environnements EXtra-terrestres de Mars et Titan par l’Observation et la modélisation des champs de DUNES
Comprendre les climats planétaires par l’étude de la géologie et la physique des dunesNous nous proposons d'étudier en détail les dunes de Mars et Titan, avec l'aide d'analogues terrestres. L'objectif de ce projet est de développer de nouvelles méthodes quantitatives afin de contraindre la nature des sédiments et les régimes de vents atmosphériques qui sont contenues dans la morphologie, la taille et l'orientation des dunes.
Observation et modélisation expérimentale et numérique de la morphogénèse des dunes planétairesNous allons procéder à l'analyse des propriétés structurelles des dunes sur Mars et Titan (et de leurs analogues terrestres), et compiler nos résultats dans une base de données exhaustives sur les dunes planétaires. En parallèle, nous allons également mener des études théoriques, expérimentales et numériques, sur la morphogenèse et la morphodynamique des dunes afin de comprendre les conditions environnementales qui conduisent à la formation des champs de dunes observés.
Résumé de la soumission : L’objectif du projet EXO-DUNES est de caractériser les dunes observées sur Mars et Titan (la plus grosse lune de Saturne), et de contraindre les processus atmosphériques et sédimentaires qui les ont créées et façonnées.Grâce aux programmes actuels d’exploration de Mars et de Titan, notre connaissance de ces deux corps s’est grandement améliorée. Les systèmes atmosphériques et les paysages de Mars et Titan présentent de très nombreuses analogies avec la Terre. En particulier, des champs de dunes ont été observés sur Mars et Titan, démontrant que celles-ci peuvent se former dans des environnements extrêmement variés. Les dunes sont des outils très puissants pour contraindre l’histoire sédimentaire et climatique des environnements arides et semi-arides (comme les déserts terrestres, ou plus globalement sur Mars et Titan).Mars et Titan présentent des environnements « exotiques », mais les différences dans la morphologie de leurs dunes restent limitées selon les standards terrestres. Sur Mars, les dunes se forment dans un environnement froid. Leur formation et évolution semblent être fortement liées à la topographie locale, la concentration des sédiments en volatiles et au cycle saisonnier gel/dégel. Plus loin encore du soleil, la morphogénèse des dunes de Titan fait encore largement débat. Considérant le climat de Titan et la composition supposée des « grains de sable », dominée par des hydrocarbures, la cohésion semble jouer un rôle très important. Pourtant, de nombreuses questions concernant l’origine des dunes planétaires, leur composition, morphologie, âge et dynamique restent tout de même irrésolues. Dans ce contexte, Mars et Titan nous offre l’extraordinaire possibilité de contraindre la morphodynamique des dunes dans des environnements extrêmes et de faire progresser en retour notre connaissance des processus atmosphériques et sédimentaires sur Terre.Nous nous proposons ainsi d’étudier en détail les dunes de Mars et de Titan, avec l’aide d’analogues terrestres. L’objectif de ce projet est de développer de nouvelles méthodes dans le but d’extraire les informations fondamentales sur la nature du sédiment et des régimes de vents à partir de la forme, la taille et l’orientation des dunes. Nous avons pour cela identifié trois principales questions : (1) quels sont l’origine et le rôle de la cohésion au niveau granulaire ? (2) quel est le rôle de la topographie ? (3) quels sont les rôles respectifs de l’intensité, la direction et la variabilité des vents ?L’observation seule de la forme et l’orientation des dunes ne permet pas de lever l’ambiguïté entre les rôles combinés des propriétés mécaniques du sédiment et de l’écoulement atmosphérique. Le couplage entre les lois de transport, le vent et les propriétés du sédiment étant hautement non linéaire, ce problème inverse se révèle être d’une grande complexité. C’est pour cela que le projet EXO-DUNES s’articule autour d’une approche fortement collaborative et interdisciplinaire, rassemblant des experts dans l’analyse d’images planétaires, l’étude d’analogues terrestres, l’expérimentation et la modélisation des processus dunaires.La première partie de ce projet consistera à traiter et analyser les dernières images des dunes martiennes et titaniennes et de quantifier leurs paramètres morphodynamiques (composition, forme, orientation, direction et vitesse de migration…), en comparaison avec des analogues terrestres. La seconde partie concerne les études expérimentales et numériques sur les climats et les processus dunaires. Les expériences et les simulations numériques seront régulièrement et conjointement contraintes et validées par les observations. A la fin du projet, nous envisageons d’obtenir une description détaillée des conditions climatiques (régimes des vents) et du lit sédimentaire (rôle de la cohésion et de la topographie) qui ont façonné les dunes de Mars et Titan. Cela aura des retours très importants sur la compréhension de la physique des dunes terrestres.
Résultats : A ce stade d'avancement de notre projet, nous avons déjà apporté un certain nombre d’avancées importantes concernant : (1) la cartographie et la caractérisation physique à l’échelle globale des champs de dunes de Titan, (2) la compréhension de la structure des méga-dunes de glace observées sur la calotte polaire nord de Mars, (3) la théorie des modes majeurs d’orientation des crêtes de dunes en fonction de la variabilité des régimes de vents, et (4) mise en place d'un scénario cohérent expliquant simultanément l'origine de la forme, de l'orientation et de la direction de propagation des dunes de Titan, ainsi que de leur confinement équatorial.
Perspectives : Faisant suite à notre premiers résultats prometteurs, permettant de valider notre méthodologie et nos outils, nous avons l'intention maintenant de procéder aux étapes suivantes: (1) tester et valider la théorie de l'orientation des dunes avec des simulations numériques et des campagnes de terrain en Chine, (2 ) poursuivre les expériences de laboratoires au sujet de la transition entre les différentes morphologies dunaires, avec un nouveau dispositif expérimental, (3) cartographier les dunes martiennes et contraindre l'origine de leur orientation à la lumière de la nouvelle théorie de l'orientation des dunes, (4) de quantifier le taux de croissance des dunes terrestres et martiennes et les flux de sable correspondants, (5) développer un modèle numérique pour l'étude de la dynamique des dunes de glace incluant les cycles de sublimation/condensation.
Publications et brevets : Au total, seize articles présentant nos résultats ont déjà été publiés dans des journaux à comités de lecture. Notre projet a aussi permis de nombreuses participations actives à des conférences nationales et internationales.