Comment les variations extrêmes de température dans les déserts agitent le sable et la poussière | La science

Le champ de dunes de White Sands est désolé et isolé, loin de toute activité humaine, traits qui ont fait du désert du Nouveau-Mexique un endroit idéal pour que l’armée américaine teste la première bombe atomique du monde en 1945. Il sert encore aujourd’hui de portée de missiles actifs . L’étendue de 275 milles carrés de sable de gypse blanc constitue également un endroit idéal pour le géomorphologue Andrew Gunn pour mener une expérience de terrain sans précédent.

Capables de travailler en paix et sans craindre de perdre son équipement coûteux au profit de voleurs, Gunn et ses collègues tentaient de découvrir les secrets du déplacement du sable. Plus précisément, ils étudiaient si les changements quotidiens de température et de vent dans l’atmosphère terrestre entraînaient des mouvements prévisibles de sable et de poussière en dessous. Déterminer une cause et un effet dans cette zone désertique serait une étape clé dans la prévision de l’influence des particules à la surface de la planète sur le temps.

«Le champ de dunes est très étrange, plutôt inhospitalier», dit Gunn. “Cela semble étranger.”

La géomorphologie, que Gunn étudie à l’Université de Pennsylvanie, examine la manière dont la glace, l’eau et l’air se moisissent et transforment les paysages de la Terre. À White Sands, où les températures peuvent passer de -19 degrés Fahrenheit la nuit à 95 degrés pendant la journée, Gunn a découvert que les fluctuations extrêmes de température de l’environnement généraient des vents puissants qui déplaçaient les dunes et pompaient la poussière dans l’atmosphère. La découverte, publiée dans Lettres de recherche géophysique plus tôt cette année, aidera les scientifiques à comprendre à la fois comment construire des modèles climatiques ici sur Terre et comment les processus atmosphériques ont pu façonner la surface de Mars.

Les déserts couvrent environ un tiers de la surface terrestre de la Terre et constituent une partie essentielle du système climatique. Lorsque le sable se transforme en poussière, les vents ou les tempêtes le soulèvent dans l’atmosphère où il rejoint un système mondial de circulation des sédiments qui fournit des nutriments au phytoplancton dans l’océan, nourrit la vie végétale en Amazonie et affecte même la formation de nuages. Plusieurs études ont exploré comment de grands événements météorologiques tels que les orages et les haboobs transportent la poussière dans le système, mais les études sur la façon dont les changements atmosphériques quotidiens normaux affectent le mouvement des sédiments sont moins courantes.

Gunn et son équipe se sont rendus à White Sands au printemps 2017 et 2018 – la saison des vents – armés d’une hypothèse et d’une collection de gadgets pour la tester. Les scientifiques pensaient que lorsque la surface de la Terre et la basse atmosphère devenaient plus chaudes que l’air au-dessus, cela créerait des vents qui déplaceraient le sable. Les chercheurs ont utilisé une machine lidar doppler pour diffuser des lasers dans l’air afin de mesurer les vents à environ 1000 pieds au-dessus de la surface. Ils ont utilisé une tour à énergie solaire avec des capteurs, appelée mât météorologique, pour enregistrer la chaleur et l’humidité. Un capteur de saltation du sable a détecté quand même un seul grain de sable bougeait. Et de retour au laboratoire, ils ont analysé les images satellites à l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique pour mesurer la poussière entrant dans l’atmosphère.

Ils ont constaté que le matin, la lumière du soleil chauffe le sol, ce qui chauffe la basse atmosphère au point qu’elle devient instable et commence à convecter – avec de l’air chaud et moins dense qui monte et plus frais, et un air plus dense s’enfonce. Cette convection remue l’atmosphère et entraîne finalement un flux de vents plus élevés se déplaçant rapidement vers le sol.

«L’idée est, fondamentalement, que les champs de dunes créent leur propre vent», explique Gunn.

Vers midi, alors que les températures de surface atteignaient un sommet, l’équipe a découvert que les vitesses du vent atteignaient leurs vitesses les plus élevées alors que l’humidité dans le sable s’était évaporée. Des grains de sable sautaient le long de la surface et la poussière remontait dans l’atmosphère. Après le coucher du soleil, la température de l’air et du sable a chuté rapidement. La vitesse du vent à la surface s’est calmée et les grains de sable se sont déposés. Chaque jour, le processus se répétait, le désert se déplaçant un peu et pompant plus de poussière dans l’atmosphère.

«Le transport du sable, le mouvement des dunes, l’émission de poussière du paysage, tout cela est intrinsèquement lié à ce cycle quotidien», explique Gunn.

Après l’étude à White Sands, Gunn et ses collègues se sont penchés sur des observations météorologiques prises pendant une décennie dans 45 champs de dunes du monde entier pour voir s’ils pouvaient trouver des preuves du même processus. Les résultats reflétaient ceux de White Sands. Plus le changement de température est élevé, plus les vents générés à la surface du désert sont rapides.

De manière inattendue, ils ont découvert que la taille du désert influençait la force du vent. Plus le champ de dunes est grand, plus le lien entre les changements de température et la vitesse du vent et le transport du sable le long du sol et dans l’atmosphère est fort.

La découverte de ce cycle quotidien de chaleur et du transport de sable et de poussière pourrait améliorer la modélisation du climat, explique Doug Jerolmack, géophysicien expérimental à l’Université de Pennsylvanie et auteur de l’étude. Ces modèles, qui utilisent les données d’émission de poussière pour prédire la formation des nuages, sont utiles aux physiciens du climat et aux météorologues pour faire des prévisions climatiques précises. Les nuages ​​jouent un rôle important et complexe dans la régulation de la température du climat terrestre, mais sont difficiles à modéliser. De meilleures données sur la poussière pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre comment les nuages ​​se forment, se développent et interagissent les uns avec les autres.

«Il y a une variété de choses autour desquelles l’eau se condense pour former des nuages, mais les deux principales sont la poussière et le sel marin», explique Jerolmack. «Cette instabilité convective dans le désert est maintenant comme une pompe verticale, qui prend la poussière et la transporte dans la haute atmosphère où elle peut semer des nuages.»

Lori Fenton, spécialiste des planètes à l’Institut SETI non impliquée dans l’étude, dit que le même processus observé à White Sands est susceptible de se produire sur Mars, peut-être avec des variations de température et d’humidité encore plus fortes. «Sur Mars, le sable des dunes est plus sombre que le terrain environnant, ce qui renforcerait encore l’instabilité convective qui forme des rafales de vent», dit-elle.

Jusqu’à récemment, les scientifiques pensaient que les dunes de sable sur Mars étaient des reliques stationnaires d’un autre âge. Pourtant, les ondulations et les dunes qui se déplacent sur la planète rouge suggèrent que certaines zones, telles que le champ de dunes de Nili Patera, Styrtis Major et Mawrth Vallis, sont déplacées par le climat actuel.

Les tempêtes de poussière martiennes, qui commencent localement et se combinent parfois pour envelopper la planète entière, pourraient également être partiellement expliquées par les découvertes de Gunn, car la mécanique atmosphérique découverte à White Sands pourrait être ce qui déclenche la poussière initiale qui crée des tempêtes locales. «La formation de grandes tempêtes de poussière à l’échelle de la planète est un mystère non résolu dans la science de Mars», dit Fenton.

La Persévérance de la NASA, qui se déplace maintenant le long de la surface de Mars, devrait traverser des dunes de sable et de grandes ondulations le long de sa traversée du cratère de Jezero jusqu’au bord d’un ancien delta de la rivière. Ses capteurs embarqués capteront des données météorologiques sur la température de surface, les profils de vent et les particules de poussière – similaires à l’expérience de Gunn à White Sands. Cela aidera à confirmer si un chauffage intense entraîne des vitesses de vent plus élevées sur la planète rouge.

Obtenir des prévisions précises du mouvement de la poussière sur Mars est également important pour des raisons pratiques. En 2018, lorsque le rover Curiosity de la NASA a été pris dans une tempête de poussière, il ne pouvait plus recharger sa batterie. «Alors que nous prévoyons d’envoyer davantage d’équipements et éventuellement de personnes sur Mars, vous voulez avoir une bonne compréhension du régime des vents», explique Jean-Philippe Avouac, géologue et planétologue chez CalTech. «S’il y a beaucoup de sable soufflé par le vent, cela endommagera tout l’équipement et ce serait un problème majeur.»