Les mégaondulations à la surface de Mars ne sont pas immobiles, comme on l’a longtemps cru. Ces images ont été prises par la caméra HiRISE du Mars Reconnaissance Orbiter. Image: NASA/JPL-CALTECH University of Arizona
Une loi mathématique a été découverte dans les ondulations du sable sur Terre et ailleurs dans le système solaire.
Les déserts n’inspirent pas que les écrivains et les aventuriers. Les physiciens aussi se passionnent pour les dunes mouvantes, sculptées par le vent. Pourquoi les grains de sable s’amoncellent-ils parfois en collines immenses et d’autres fois en petites ridules, comme sur les plages ? Plus rarement, ils forment dans certains déserts des structures intermédiaires entre ces « longueurs d’onde » extrêmes appelées mégaondulations. Espacées de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres, ces vagues recèlent une loi mathématique que vient de mettre au jour une équipe internationale menée par des chercheurs de l’Institut de physique théorique de l’Université de Leipzig, en Allemagne.
La loi s’énonce simplement : quelle que soit la taille des grains de sable façonnant ces motifs, on obtient toujours la même valeur lorsqu’on divise le diamètre des plus gros grains par celui des plus petits. Une sorte de nombre d’or que les chercheurs ont mis en évidence à partir d’échantillons de sable provenant de Namibie, de Chine, d’Inde, d’Israël, de Jordanie et des États-Unis.
« C’est vraiment frappant et les scientifiques auraient pu s’en rendre compte depuis longtemps. D’un autre côté, il aurait été difficile de découvrir cet étrange effet par hasard. Nous l’avions prédit de façon théorique, donc nous savions exactement quoi chercher », explique Klaus Kroy, auteur principal de l’article paru dans Nature Communications.
Si les chercheurs ont eu cette intuition, c’est qu’ils connaissaient les mécanismes qui font naître ces mégaondulations. « Elles se forment dans diverses conditions et leur croissance dépend de la quantité de sable mobile, de la force des vents, etc. Mais elles sont toujours composées d’un mélange de grains fins et de grains grossiers, détaille le physicien, qui parle de sable “bimodal”. Les grains les plus fins font de petits sauts sous l’effet du vent et viennent percuter les grains plus lourds, qui se mettent en mouvement à leur tour et avancent par paliers. » D’où l’idée de regarder le rapport de taille entre les petits grains sauteurs et les gros rouleurs pour trouver une règle constante.
Ce processus de « saltation et reptation » du sable est étudié en laboratoire depuis plusieurs décennies dans le but de comprendre la physique des matériaux granulaires. Les chercheurs allemands ont d’ailleurs inclus des données de collègues du Laboratoire de simulation éolienne de l’Université Ben-Gourion du Néguev, en Israël, qui disposent d’un tunnel dans lequel la formation de rides de sable se produit en direct. En 2019, cette équipe avait constaté que, dans les mégaondulations, les grains grossiers s’accumulent au sommet des crêtes, les fins se déposant plutôt dans les creux. Dans les sables où les grains sont plus homogènes, ce type de structure ne peut donc jamais émerger.
Ces résultats sont importants pour mieux comprendre comment naissent les motifs désertiques, ici comme ailleurs dans le système solaire. Car la Terre n’a pas le monopole des dunes : on en trouve sur Vénus, sur Pluton, sur la comète 67P et même sur Titan, un satellite de Saturne qui comporte des dunes de 50 km de long composées d’hydrogène et de carbone. Mars aussi est connue pour ses ondoiements inhabituels ; les chercheurs allemands ont d’ailleurs validé leur théorie en s’appuyant sur des données martiennes obtenues par l’astromobile Opportunity.
« Mars a des structures plus variées que la Terre, comme des “crêtes éoliennes transverses” et des rides qui ressemblent à celles qui tapissent le fond des océans. Les chercheurs débattent de leurs origines et de leur similarité avec celles de la Terre, mais pour l’instant il n’y a pas de consensus. Avec nos travaux, nous espérons contribuer à mieux comprendre leur formation et les conditions de vent sur place », ajoute Klaus Kroy.
À ce chapitre, la planète rouge est moins tranquille qu’il y paraît. Une étude publiée en 2020, entre autres par l’équipe israélienne, a justement révélé que les mégaondulations martiennes qu’on croyait figées se déplacent en fait d’environ 10 cm par an, preuve qu’il y existe des vents suffisamment forts malgré la fine atmosphère.
Enfin, décortiquer les marques d’ondulation est une manière de déchiffrer le passé. « Les mégaondulations sont des archives des conditions météorologiques et climatiques passées sur Terre. Et parfois, on en trouve des pétrifiées qui permettent de remonter encore plus loin dans le temps », indique l’expert. Cela étant, on peut aussi se contenter d’admirer le paysage et de laisser son regard se perdre dans ces tortueux méandres.