Etude théorique et expérimentale des panaches linéaires turbulents : Application aux éruptions basaltiques fissurales explosives
Institution:
Sorbonne Paris CitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The basaltic eruptions represent the majority of volcanism on Earth and the other terrestrial planets. These eruptions are usually effusive but there are several examples of basaltic Plinian eruptions, the Laki in Iceland in 1783-1784. During these eruptions, the magma is often transmitted through eruptive fissures and therefore it appears important to study the dynamics of turbulent entrainment in linear plumes. To constrain entrainment in linear plumes, we have experimentally measured the characteristics of these flows (velocity profiles and concentrations of tracers) with Particle Image Velocimetry and Laser Induced Fluorescence methods. We have developed a theory accounting for the variability of the entrainment depending on whether it is the initial momentum (pure jet) or the buoyancy (pure plume) that controls the flow. In the case of pure jets, the entrainment depends on the Reynolds turbulent stress for Re> 1500. We should nevertheless take into account the axial terms of the Reynolds stress near the laminar/ turbulent boundary (Re ≈ 100-500). In the case of pure plumes, the entrainment coefficient is twice as large as for pure jets, which can be explained by a contribution of the buoyancy. In order to apply these results to volcanic plumes using a variable entrainment model, we studied the flow in a stratified environnent, with a plume moving between a pure jet and a pure plume. After being validated, we used this model to calculate the heights of volcanic plumes from fissures like the Laki. We find, for an amount of gas in the magma and a temperature at the source, greater heights than previous estimates, which could have contributed to its impact on climate.
Abstract FR:
Les éruptions basaltiques représentent la majorité du volcanisme sur Terre et sur les autres planètes telluriques. Il existe plusieurs exemples d'éruptions Pliniennes basaltiques, comme celle du Laki en Islande en 1783-1784. Lors de ces éruptions, le magma est souvent émis à travers des fissures éruptives et il apparaît donc important d'étudier la dynamique de l'entrainement turbulent dans les panaches issus d'une source linéaire. Pour cela, nous avons mesuré les profils de vitesse et de concentrations en traceurs dans ces écoulements avec les méthodes Particle Image Velocimetry et Laser Induced Fluorescence. Nous avons développé une théorie qui explique la variabilité de l'entrainement selon que c'est la quantité de mouvement initiale (jet pur) ou la flottabilité (plume pur) qui contrôle l'écoulement. Dans le cas des jets purs, l'entraînement dépend essentiellement du tenseur de Reynolds turbulent pour Re > 1500. Il faut prendre en compte les termes axiaux de ce tenseur dans les cas proches de la limite laminaire/turbulent (Re ≈ 100-500). Le coefficient d'entraînement est deux fois plus grand dans les plumes purs, ce qui s'explique par une contribution de la flottabilité. Afin d'appliquer ce modèle aux panaches volcaniques naturels, nous avons étudié les écoulements en milieu stratifié, où le panache évolue d'un jet pur vers un plume pur. Nous avons ensuite calculé les hauteurs des panaches volcaniques issus de fissures comme celles du Laki. Nous trouvons, pour une quantité de gaz dans le magma et une température à la source données, des hauteurs plus importantes que les estimations précédentes, ce qui a pu favoriser son impact sur le climat.