Suite à la Fête de la Science, en 2020, qui sur Nantes a eu lieu « pour de vrai », je voulais vous montrer quelques petites expériences pour présenter les écoulements dans les planètes. Tout est faisable depuis chez vous!

La question pourrait être « pourquoi et comment ça bouge, dans une planète? ». Moi, j’ai un faible pour les noyaux (des planètes), mais les principes sont applicables aux océans des lunes glacées, aux manteaux solides (sur des temps plus longs), etc.

Les petites expériences sont courtes, faciles, et assez visuelles. L’idée est de faire démarrer la discussion, et d’avoir des choses qui puissent attirer petits et grands. Les colorants (et les paillettes!) sont un must par chez nous!

Liste de courses

Voilà votre liste de courses pour votre voyage vers les profondeurs des planètes, depuis votre cuisine:

  • des colorants alimentaires liquide (ou en paillettes à dissoudre dans un peu d’eau/d’huile), des paillettes, de la craie: de quoi voir comment bouge le fluide!
  • des contenants transparents (en verre s’il faut les chauffer, en plastique sinon ce sera très bien)
  • des liquides: de l’eau, de l’huile, tout ce qui semble pouvoir bouger et que vous êtes OK de nettoyer après coup!
  • de quoi changer la température: une bougie, par exemple, ou des glaçons.
  • de quoi faire tourner… Un tourne-disque ou alors une plaque tournante comme celle proposée par DIYnamics avec quelques légos et des accessoires de placard de cuisine.

Pourquoi ça bouge?

Commençons par… Pourquoi? Tout est question de densité, et de variations de densité. Grosso modo, les morceaux légers montent, les morceaux lourds s’enfoncent. On peut voir ça en jouant avec la température: ici avec une bougie. Ce processus est la convection et permet de transférer efficacement la chaleur (depuis le bas du becher, jusqu’en haut)

L’autre effet qui peut changer la densité, c’est la composition: c’est pour ça que au départ, le colorant reste au fond, il est plus lourd!

À la maison, c’est l’occasion de tester les différents moyens de changer la densité de l’eau. En rajoutant du colorant, du sucre, du sel: on a quelque chose de plus lourd. En chauffant, c’est plus léger… Et donc de l’eau froide qui sort du frigo, ou de l’eau qui fond d’un glaçon sera plus dense, plus lourde!

Qu’est-ce qui empêche de bouger?

Ou aussi… Pourquoi avoir testé de l’huile et de l’eau? C’est une question de viscosité! Et c’est quoi, un fluide visqueux?

La viscosité, c’est une propriété physique des matériaux qui mesure comment un fluide s’oppose au mouvement. On peut par exemple la mesurer en regardant comment tombe une bille dans un fluide:

(ici: de l’eau, de l’huile et puis je voulais tester avec le liquide vaisselle de la maison, en vert!)

Plus la bille tombe vite, moins le milieu est visqueux (et plus la viscosité est faible). On mesure la viscosité en Pascal par secondes (Pa.s), et pour exemple, la viscosité de l’eau est de l’ordre du millième de Pa.s, de l’huile de l’ordre de la dizaine de Pa.s, et celle du manteau terrestre d’environ 1020 Pa.s !

Si vous retournez jeter un coup d’oeil aux vidéos de convection, vous voyez que d’avoir choisi deux fluides avec deux viscosités différentes, on a obtenu de la convection, mais les formes de convection sont assez différentes: l’eau fait des mouvements tous petits, des tourbillons (on parle alors de turbulence!) et l’huile monte sous un gros panache qui s’étale sans tourbillon (on parle d’écoulement laminaire).

Et quand on tourne?

Vous avez remarqué que je vous ais proposé de vous équiper de quelque chose pour faire tourner vos liquides… Pourquoi?

Et en rotation, les écoulements prennent des formes bien différentes. Et à l’échelle d’une planète, les écoulements rapides « ressentent » la rotation: dans l’atmosphère, l’océan, ou le noyau liquide.

Pour vous donner une idée voilà des panaches de colorants dans une cuve qui ne tourne pas: le colorant alimentaire, plus lourd, tombe au fond et forme des petits « champignons », des panaches.

Sans rotation (du colorant alimentaire dans un verre d’eau)

En rotation, la structure des panaches change drastiquement! Voilà un exemple (même type de colorant, dans de l’eau, sur un tourne disque transformé avec un bout de carton en table tournante)

Les colonnes que l’on voit se former ici sont une visualisation des colonnes de Taylor. Pour expliquer simplement, le fluide en rotation s’organise en colonne: ce qui se passe en haut ou en bas est « directement » transmis tout le long de la colonne. Le colorant tombe bien dans le fluide (il est plus lourd!), mais au lieu de s’étaler dans toutes les directions, l’écoulement est contraint dans une colonne.

Dans un fluide en rotation, comme par exemple l’atmosphère ou les océans, cet effet force les écoulements (à grande échelle, donc par exemple les courants et les grands anticyclones) à se comporter basiquement comme s’il ne voyait que 2 dimensions, qu’ils étaient simplement dans un plan au lieu d’être dans un milieu en 3 dimensions. Cet effet est visible dans l’atmosphère, et il très important pour la dynamique du noyau terrestre, et la génération du champ magnétique.

Pour aller plus loin

Les expériences proposées ici ont été présentées lors de la Fête de la Science 2020, à Nantes, sur un stand tenu par le Laboratoire de Planétologie et Géodynamique.