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Les “allées de tourbillons de Kármán”, un phénomène naturel remarquable

Formation de tourbillons de Kármán autour des Îles Heard-et-MacDonald dans le sud de l'océan Indien. Crédits : NASA.

La réaction d’un fluide en mouvement à des perturbations internes ou externes est souvent surprenante. Par exemple, lorsque des obstacles viennent perturber l’écoulement naturel de l’air, il n’est pas rare qu’en résultent d’étonnantes formations tourbillonnaires.

Les données satellitaires ont par exemple montré qu’un tel phénomène se produisait fréquemment en aval des reliefs d’îles et autres archipels. En particulier, ceux des Canaries, de Madère et des Antilles en présence d’un vent à composante nord. On observe alors un sillage de tourbillons s’enroulant alternativement dans le sens cyclonique et anticyclonique. C’est ce que l’on appelle une allée de tourbillons de Kármán – du nom de l’ingénieur et physicien Théodore von Kármán.

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Allée de tourbillons de Kármán en aval des Canaries et de Madère. Dans cette région du globe, ces motifs sont fréquents en raison des alizés de nord-est. Crédits : NASA.

Ces éléments de vorticité alternés apparaissent au grand jour lorsqu’ils sont accompagnés de nuages de basse couche. Les gouttelettes d’eau des stratus ou strato-cumulus étant aisément transportées par les courants, elles matérialisent bien les vortex. Dans le cas d’un air trop sec, ces derniers ne sont pas ou partiellement visibles et peuvent réserver de mauvaises surprises lors de pratiques aériennes. Néanmoins, les allées de tourbillons ne s’étendent jamais très haut dans l’atmosphère. En effet, la plupart d’entre elles restent confinées sous les 3500 mètres d’altitude.

Tourbillons de Kármán : un mécanisme de formation complexe

L’explication physique du phénomène est complexe. Elle fait intervenir plusieurs paramètres comme la hauteur et la forme du relief, la vitesse du vent ou encore la stabilité de la couche atmosphérique considérée. Cependant, on peut retenir que les enroulements sont liés à des perturbations de pression qui apparaissent sous le vent des reliefs. L’aspiration qui en résulte dévie l’air de sorte à réorganiser les perturbations de pression, créant un motif périodique. Cette configuration en tourbillons remarquablement organisés est une sorte d’état intermédiaire entre un écoulement laminaire et un écoulement turbulent.

Les scientifiques ont largement étudié ces formations en laboratoire. Ici, les dispositifs utilisés répliquent le phénomène à une échelle réduite. Crédits : Researchgate.

Enfin, notons que le phénomène décrit par Théodore von Kármán n’est pas unique à l’atmosphère. À une autre échelle, il se produit également autour des câbles électriques, des antennes de voitures, des cheminées ou même des ponts. Dans ce dernier cas, il peut causer d’importants dégâts si le pont n’a pas été pensé pour résister ou empêcher l’apparition d’une résonance. La structure se met alors à onduler dangereusement et va parfois jusqu’à se briser. Une issue tragique qui illustre le besoin d’une compréhension fine de la façon dont l’air – ou l’eau – se comporte à proximité d’obstacles.

Source : Introduction to Geophysical Fluid Dynamics : Physical and Numerical Aspects, Benoit Cushman-Roisin.