Mathématiciens et physiciens s’associent pour prédire la turbulence d’ondes

Résultat scientifique Mécanique des fluides

La théorie de la turbulence d’ondes a des champs d'application très vastes : en optique, dans l'océan, au cœur des planètes ou encore en astrophysique. Un projet international et interdisciplinaire entre sciences mathématiques et physiques, impliquant plusieurs chercheurs du CNRS, a été lancé afin d’approfondir les connaissances sur cette théorie. Il vise, à terme, l’amélioration des modèles de météorologie des vagues ou l’étude des plasmas magnétisés dans les réacteurs nucléaires.  

La théorie de la turbulence d’ondes correspond à la superposition d’une grande variété d’ondes échangeant constamment de l’énergie entre elles. Bien que les chercheurs l’utilisent pour étudier de nombreux phénomènes physiques, cette théorie est régulièrement mise en défaut par les observations expérimentales. Un nouveau projet international, lancé pour quatre ans, regroupant mathématiciens, physiciens théoriciens et physiciens expérimentateurs, vise à lever les incertitudes autour de son application.

Un des axes centraux du projet international est ainsi de partager le savoir empirique des physiciens avec des mathématiciens. Les échanges porteront sur des résultats expérimentaux ou numériques mais aussi sur les problèmes associés à l’application de la théorie qui impose aux chercheurs plusieurs approximations plus ou moins réalistes sur le comportement des ondes (taille de domaine d’étude considéré comme infini, etc.). En effet, l’approche par les mathématiques pourrait permettre de valider certains aspects de la théorie existante mais aussi de faire émerger de nouvelles relations entre des paramètres d’études. Pour cela, des recherches s’appuieront sur des études théoriques et/ou expérimentales en mécanique des fluides, en physique statistique, en théorie des équations aux dérivées partielles ou en théorie des probabilités.

Les résultats qui en découleront seront particulièrement importants car la théorie de la turbulence s’applique à un grand nombre d’ondes. Les vagues à la surface des océans en sont un exemple typique. Elle intéresse également l’étude des plasmas soumis à un champ magnétique intense comme dans le réacteur nucléaire Iter où la turbulence d’ondes dégrade le confinement indispensable à l’initiation de la fusion nucléaire. Les plasmas magnétisés existent aussi dans la nature et sont présents dans les vents solaires qui peuvent endommager les installations spatiales. D’autres champs comme les ondes internes dans l’océan, les ondes gravitationnelles et l’optique sont également concernés. Le but ultime du projet est de donner des bases rigoureuses à la théorie pour améliorer les modèles prédictifs.

Ce projet, dirigé par J. Shatah (NYU), a récemment obtenu un financement de 8 millions de dollars par la Fondation Simons de New York. En France, le consortium regroupe des chercheurs du CNRS, des Écoles Normales Supérieures de Lyon et de Paris, de l’Université Grenoble Alpes, de l’Université Paris-Diderot et d’Inria. Ils collaboreront avec leurs collègues américains et italiens.

Expérience de turbulence d’onde dans la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble. La plateforme sera utilisée dans le projet pour l’étude des écoulements stratifiés en densité pour la modélisation de la dynamique interne des océans.
© Cyril FRESILLON/LEGI/CNRS Photothèque
Expérience de turbulence d’onde dans la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble. La plateforme sera utilisée dans le projet pour l’étude des écoulements stratifiés en densité pour la modélisation de la dynamique interne des océans.

 

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