CLIMATOLOGIE DU
MONDE SOUTERRAIN
de Baudouin Lismonde
Soutenu par la Fédération Française de Spéléologie
Edité par le Comité Départemental de l'Isère
ISBN 2-902670-47-8 et 48-6
L'OUVRAGE Tome 1 - Vent des Ténèbres 168 p
Tome 2 - Aérologie des systèmes karstiques 362 pCet ouvrage de format A4 a été tiré sur papier couché de 115 g, dos carré, 1930 g. Il comporte 452 figures ou illustrations, 359 références bibliographiques, un index alphabétique fourni.
L'AUTEUR
Il a été écrit par Baudouin LISMONDE, maître de conférence à l'Université Joseph Fourier de Grenoble, membre du LEGI de Grenoble (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels de Grenoble) et enseignant à l'IUT Génie Thermique de Grenoble. Il est par ailleurs spéléo actif depuis trente-cinq ans et président de la commission scientifique du Comité de spéléo de l'Isère.
LE CONTENU
L'ouvrage constitue un panorama des phénomènes relatifs à l'air des cavernes.
Tome 1 : Vent des Ténèbres
Il présente un ensemble d'observations de phénomènes climatiques observables dans les cavités naturelles. Il fait le tour des questions qu'on peut se poser sur les courants d'air, la composition de l'air, le climat ou l'aérage naturel des cavités. Il étudie en détail les problèmes liés à l'aération des galeries au cours d'un sauvetage spéléo et propose des solutions. Il examine les moyens d'études et les thèmes de recherches expérimentales qu'offre le karst.
Quelques dessins humoristiques (de Régine Landry) agrémentent le texte. Ce premier tome n'exige pas de connaissances mathématiques.
Tome 2 : Aérologie des systèmes karstiques
Le deuxième tome constitue une sorte de théorie de l'air et du climat souterrain avec des développements mathématiques ou numériques. Le mot aérologie est ici pris comme le pendant du mot hydrologie. Il veut englober l'air dans toutes ses relations avec le karst.
Le climat souterrain est caractérisé par le rôle important joué par le milieu qui entoure l'air. La roche et l'eau apportent une grande inertie thermique aux modifications, source de phénomènes de mémoire et d'hystérésis. L'air qui parcourt le karst modifie (comme l'eau) les températures du milieu et transporte le dioxyde de carbone à l'origine du creusement des cavernes. Une analyse détaillée du système karstique dans son ensemble est présentée dans la partie 4. Elle intéressera les spéléos et les karstologues. Ce deuxième tome pourra paraître difficile dans certains de ses développements.
L'ouvrage s'adresse à un public spéléo averti et à un public scientifique. Il pourra intéresser le géographe (pas trop rebuté par les mathématiques pour la modélisation, ou intéressé par les résultats de celle-ci), l'archéologue curieux de l'aérage des mines anciennes, l'architecte intéressé par les questions climatiques des milieux souterrains, le mineur désireux de comprendre la complexité des cavités naturelles, le climatologue plus habitué au système très ouvert de l'atmosphère terrestre, mais qui verra à l'œuvre une rétroaction négative fondamentale du monde souterrain et une mise en mémoire par inertie thermique de quelques centaines d'années, le géophysicien ou l'hydrogéologue confronté à des problèmes de description topologique voisins.
Il a sa place dans une bibliothèque de club spéléo ou de CDS.
Le niveau mathématique est d'un premier cycle universitaire, le niveau physique est celui d'un deuxième cycle, mais les résultats sont traduits sous une forme compréhensible pour un naturaliste.
COMMANDES
Prix de lancement pour l'ensemble des deux tomes 33 € (+ 5 € de port, ou 7 € en colissimo). Ensuite, le prix sera de 41 € (+port).
Il est possible d'acquérir seulement le tome 1 au prix de lancement de 15 € (+ 5 € de port). Ensuite le prix sera de 18 €.
Les commandes sont à adresser à Jean-Pierre Méric, au CDS Isère, 6 boulevard Foch, 38000, Grenoble. Il est possible d'obtenir des renseignements auprès de l'auteur au 04 76 42 59 16.
TABLE DES MATIERES
Tome 1 - Vent des Ténèbres
INTRODUCTION
Notations
Le vent et l'eau : ces deux voyageurs des cavernes1. OBSERVATIONS 1.1. Courants d'air, naissance et disparition 1.1.1. Naissance d'un courant d'air. La deuxième entrée du Mort Ru (grotte des Masques)
1.1.2. Courant d'air au moment du désamorçage d'un siphon
1.1.3. Des bouchons très efficaces pour les courants d'air : les siphons temporaires
1.1.4. Ouverture d'un siphon, courant d'air et modification du climat à Gournier1.2. Effet de cheminée dans les cavités à deux entrées 1.2.1. Un tube à vent classique, la traversée du Grand Marchet en Vanoise
1.2.2. Un record de vitesse à la grotte de Pinargözü en Turquie
1.2.3. Retournement brutal d'un courant d'air à la Coventosa (Espagne)
1.2.4. Courant d'air alternatif au Clos de Fayoun (Var)1.3. Cavités à plusieurs entrées 1.3.1. Diffluence de courant d'air au gouffre de la Limande (Parmelan)
1.3.2. Une "entrée supérieure" bien curieuse à la grotte de Préou (Ain)
1.3.3. Difficulté d'équilibrer un bilan des courants d'air à la Dent de Crolles
1.3.4. Bilan partiel pour la zone d'entrée de la grotte de Niaux, fait par C. Andrieux1.4. Grottes à une seule entrée 1.4.1. Courant d'air dans les baumes de pied de falaise
1.4.2. Courant d'air dans un piège thermique : la grotte Roche (Vercors)
1.4.3. Respiration de la caverne de Jewell cave (Dakota du Sud)1.5. Stratification et effets thermiques 1.5.1. Observation à l'extérieur d'un "torrent d'air". Mort Ru et Cañuela
1.5.2. Torrent d'air dans les cavités. Cueva Cañuela
1.5.3. Courant d'air cutané au S 13 à l'Aup du Seuil en Chartreuse
1.5.4. Un aspirateur bien froid, le S 34 au dessus du Mort Ru
1.5.5. Une curieuse stratification d'un courant d'air à la cueva Cullalvera à Ramales
1.5.6. Champ de vitesse au porche d'entrée du Mort Ru
1.5.7. Un exemple surprenant de sens du courant d'air au Guiers Mort
1.5.8. Courant de recirculation au puits de la Cote à la Dent de Crolles
1.5.9. Un courant d'air à recirculation au trou des Flammes (observation de J.-L. Rocourt)
1.5.10. Un courant d'air variable à l'Abélian (Parmelan)1.6. Englacement et fonte 1.6.1. La glace près des entrées des cavités
1.6.2. Facettage de parois de glace par le courant d'air
1.6.3. Creusement par le courant d'air de grottes et de gouffres dans la glace
1.6.4. La glacière d'Autrans, un bon exemple de courant d'air unidirectionnel
1.6.5. Un phénomène remarquable de relaxation lié au courant d'air
1.6.6. Grottes sous-glaciaires en Islande1.7. Condensation et évaporation 1.7.1. Eau de condensation sur les parois de grottes. Le P 40 à la Dent de Crolles
1.7.2. Un brouillard à noyer les poumons dans la sima Segalette (Cantabria)
1.7.3. Au Trou qui Souffle, facilité de parcours du méandre François en fonction des saisons
1.7.4. Brouillard à la rencontre de deux courants d'air. Salle Guillaume à la cueva Cañuela
1.7.5. Observation d'un brouillard à l'extérieur. Les trous qui fument
1.7.6. Les porches d'entrée avaleurs de brouillard. Le Guiers Mort
1.7.7. Observation d'un brouillard à la cueva Cullalvera et dans la Cañuela1.8. Entraînement d'air par l'eau 1.8.1. Courant d'air entraîné par l'eau des cascades à la grotte de Gournier
1.8.2. Entraînement de l'air par les cascades au trou de l'Aygue
1.8.3. Tempête dans un gouffre, la Fromagère en crue
1.8.4. La crue chasse l'air à la Luire
1.8.5. Un phénomène historique célèbre, le Trou Souffleur de Saint Christol1.9. Effets mécaniques de l'air 1.9.1. La mise en oscillation de grandes concrétions à la cueva Cañuela
1.9.2. Le Monstre de la salle Blanche au Juhué
1.9.3. Les insectes de la Sima Tonio
1.9.4. Déviation des gouttes d'eau tombant dans un courant d'air
1.9.5. Les trous oblongs au-dessous de stalactites
1.9.6. Cloche d'air à pression variable (résurgence du Groin dans l'Ain)1.10. Effets acoustiques d'un courant d'air 1.10.1. Un courant d'air bruissant, le puits du Cabri en bas du P 40 à la Dent de Crolles
1.10.2. Courant d'air dont le bruit évoque un cours d'eau
1.10.3. Ronflement à la chatière de jonction : Tonio - Cañuela
1.10.4. Détonations pendant les crues1.11. Chimie 1.11.1. Un trou qui souffle du dioxyde de carbone
1.11.2. Manque d'oxygène au puits de l'Ours (Caudiès-de-Fenouillère, Pyrénées-Orientales)
1.11.3. Rôle de l'air dans les dépôts de calcite : construction des gours
1.11.4. Dépôts de tuf à la sortie des exsurgences
1.11.5. Dissymétrie de la coupe transversale d'une stalactite dans un courant d'air
1.11.6. Observations à la galerie du Solitaire à la Dent de Crolles
1.11.7. Modifications du courant d'air inscrites dans les concrétions : Gournier et Pinargözü1.12. Difficultés à utiliser au mieux les courants d'air 1.12.1. Comment juger de l'intérêt d'un trou souffleur ?
1.12.2. Courant d'air et prospection en montagne. Le toboggan des Naïades
1.12.3. Courant d'air et secours en grotte2. LE KALEÏDOSCOPE DES 317 QUESTIONS 2.1. La liste des questions usuelles A- Origine des courants d'air
B- Description des courants d'air
C- Courants d'air et recherche de première en spéléo
D- Spéléo et courant d'air
E- Phénomènes thermiques
F- Les courants d'air et l'eau
G- Les courants d'air, la neige et la glace
H- Effets mécaniques, dioxyde de carbone et concrétions2.2. Questions plus techniques ou scientifiques I- Effet des forces aérodynamiques
J- Effets thermiques et effets de la pression atmosphérique
K- Effets acoustiques, instabilités et stratification
L- Air humide, évaporation et chimie
M- Phénomènes de transports et systémique3. RECHERCHES EXPERIMENTALES DANS LES GROTTES OU LES GOUFFRES 3.1. Paramètres locaux 3.1.1. Caractéristiques d'un capteur
3.1.2. Température de l'air
3.1.3. Mesure de la pression de l'air
3.1.4. Mesure de l'humidité de l'air
3.1.5. Mesure du dioxyde de carbone
3.1.6. Mesure du monoxyde de carbone
3.1.7. Mesure du taux d'oxygène et d'azote
3.1.8. Mesure de la teneur en radon
3.1.9. Vitesse de l'air, intensité turbulente3.2. Grandeurs intégrées sur une section 3.2.1. Température moyenne de mélange
3.2.2. Débit volumique et massique
3.2.3. Puissance advectée par un courant d'air (débit d'enthalpie)3.3. Caractéristiques régionales 3.3.1. Mesure de la résistance aéraulique d'un tronçon de galerie
3.3.2. Mise en charge aéraulique d'un réseau
3.3.3. Respiration des cavernes. L'expérience de Conn
3.3.4. Mesure de la propagation d'une perturbation de pression
3.3.5. Traçage d'un courant d'air
3.3.6. Dispersivité des écoulements dans un réseau karstique3.4. Autres études possibles à partir de mesures sur l'air 1. Photographie infrarouge aérienne en hiver pour repérer les trous souffleurs chauds.
2. Mesure des anomalies thermiques aux entrées hautes et basses.
3. Efficacité d'un piège à air froid et d'un piège à air chaud.
4. Fonctionnement d'une glacière.
5. Réponse thermique et aéraulique d'un réseau à une fluctuation de température.
6. Suivi thermique annuel d'un tronçon de galerie. Coefficient d'échange enthalpique expérimental.
7. Circulation de l'air dans un réseau en U à deux entrées de mêmes altitudes.
8. Construction d'un modèle aérologique en terme de résistances aérauliques d'un réseau.
9. Réponse d'un réseau à une perturbation de pression (orage). Volume souterrain.
10. Fonctionnement d'un réseau en résonateur de Helmholtz.
11. Caractérisation annuelle des flux (masse, CO2, enthalpie…) à une entrée de réseau.Index alphabétique des cavités et des noms cités
Index alphabétique du tome 1 par mots
TABLE DES MATIERES
Tome 2 - Aérologie des systèmes karstiques
INTRODUCTION
Notations
1. L'AIR SOUTERRAIN, SES CARACTERISTIQUES ET SES INTERACTIONS LOCALES AVEC LA CAVITE 1.1. Les grandeurs caractérisant l'air 1.1.1. Les grandeurs thermodynamiques
a) masse volumique ; b) pression ; c) température ; d) vitesse
1.1.2. Équation d'état
1.1.3. Composition de l'air sec
a) l'air sec atmosphérique ; b) le radon ; c) loi de Stokes et diamètre des suspensions ;
d) dioxyde de carbone
1.1.4. La vapeur d'eau et le diagramme de l'air humide
a) humidité spécifique ; b) pression partielle de vapeur ; c) le diagramme de l'air
humide ; d) lecture du diagramme de l'air humide
1.1.5. Les caractéristiques énergétiques de l'air
a) capacité thermique massique ; b) conductivité thermique ; c) diffusivité thermique ;
d) effusivité ; e) énergie interne massique ; f) enthalpie massique ; g) enthalpie
spécifique de l'air humide ; h) diagramme de l'air humide
1.1.6. Viscosités et masse volumique
a) viscosité dynamique ; b) viscosité cinématique ; c) retour sur la masse volumique1.2. L'air en équilibre mécanique 1.2.1. Les deux relations disponibles
a) équation de la statique ; b) équation des gaz parfaits ; c) relations supplémentaires
de fermeture
1.2.2. Deux atmosphères : isotherme et Laplace
a) atmosphère isotherme ; b) atmosphère de Laplace
1.2.3. Gradients adiabatiques sec et humide
a) gradient adiabatique sec ; b) gradient adiabatique humide
1.2.4. Atmosphère à gradient thermique constant
a) répartition des pressions en fonction de l'altitude ; b) l'atmosphère type AOIC (standard)
1.2.5. Correction des altimètres
a) correction exacte ; b) correction approchée, c) exemple de correction au gouffre Berger
1.2.6. Stabilité de l'air de composition uniforme
1.2.7. Profil thermique vertical de l'air dans une salle ou une fente
1.2.8. Stabilité d'une atmosphère de composition non uniforme1.3. Phénomènes locaux associés à un courant d'air 1.3.1. Écoulement laminaire et turbulent, nombre de Reynolds
1.3.2. Les forces sur une particule fluide
a) équation locale de la dynamique ; b) les forces de pression ; c) force de pesanteur ;
d) forces visqueuses
1.3.3. L'équation de Bernoulli sur une ligne de courant
1.3.4. Détermination des différentes pertes de charge par le coefficient de perte de charge linéique
a) pertes de charge régulières ; b) pertes de charge singulières ; c) l'écoulement dans un
conduit naturel est en général turbulent
1.3.5. Non pertinence de la notion de coefficient de perte de charge, et résistance
aéraulique des conduits naturels
a) difficulté avec les conduits naturels ; b) résistance aéraulique d'un conduit naturel ;
c) tempérament ; d) résistances en série et résistances en parallèle ; e) relation entre débit
et ?pm
1.3.6. Diamètre équivalent pour les pertes de charge d'un conduit naturel
a) diamètre aéraulique d'une galerie de section régulière ; b) la perte de charge est
cantonnée aux diamètres les plus petits ; c) diamètre de l'étroiture équivalente pour la perte
de charge d'un conduit d) ouverture équivalente ; e) cas de conduits en parallèle, trémies
1.3.7.
a) gradient de la pression motrice pour un fluide tournant ; b) structure d'un écoulement
dans un virage
1.3.8. L'entraînement de l'air par un jet d'air : éjection
a) stratification et nombre de Richardson ; b) inhibition du mélange turbulent ; c) la
stratification et l'accumulation de CO2 ; d) rôle des ondes d'interface
1.3.10. Les phénomènes de type acoustique1.4. Les transferts de chaleur 1.4.1. Gradient de température et conduction thermique
1.4.2. Conduction thermique dans un mur
a) mur dont les parois sont à des températures différentes (régime permanent) ; b) choc
thermique à température de paroi constante ; c) choc thermique à flux à la paroi constant ;
d) mise en contact de deux massifs de températures différentes ; e) mise en contact de
deux massifs de flux différents ; f) oscillation de la température sur une paroi ; g) rôle
des rugosités des parois sur la surface d'échange
1.4.3. Convection forcée, coefficient d'échange
a) la couche limite ; b) équation locale de la convection ; c) équation moyennée sur une
section. Température moyenne de mélange ; d) bilan thermique sur un tronçon de galerie ;
e) les lois d'échanges ; f) que deviennent les lois d'échange pour un conduit naturel de
diamètre uniforme mais très rugueux ; g) comment déterminer le diamètre équivalent
pour les transferts thermiques dans le cas d'un conduit de section très variable ; h)
résistance thermique locale à la paroi d'un conduit souterrain i) couplage convection-
conduction à la paroi : les deux résistances thermiques en série ; j) cas de galeries en
parallèle, de trémies ; k) morphologie induite par un courant d'air : coups de gouges
dans la glace
1.4.4. Convection naturelle
1.4.5. Nombre de Richardson et convection mixte
1.4.6. Les transferts de chaleur par rayonnement
a) loi de Stefan-Boltzmann ; b) compétition conduction rayonnement ; c) retard
thermique des poches secondaires
1.4.7. Efficacité de l'échange thermique dans un conduit
Conclusion1.5. Les transferts de masse pour la vapeur d'eau. Évaporation et condensation 1.5.1. Utilisation du diagramme de l'air humide pour certaines transformations simples de l'air
a) refroidissement ou échauffement ; b) évaporation et condensation ; c) congélation de l'eau
et fusion de la glace ; d) sublimation et condensation solide ; e) compression et détente ;
f) production maximale d'eau par un courant d'air entrant dans une névière ou une glacière
1.5.2. Diffusion de masse
a) loi de Fick ; b) les trois grandeurs de tension ; c) bilan de vapeur d'eau et bilan
énergétique sur un tronçon de galerie
1.5.3. Les échanges avec la paroi des grottes
a) calcul direct à l'aide d'une loi de transfert de masse ; b) méthode de calcul basée
sur l'hypothèse de Lewis ; c) exemple d'application de l'analogie de Lewis
1.5.4. Mélange de deux débits d'air. Condensation par mélange de deux masses d'air saturées
1.5.5. Efficacité pour l'humidification de l'air dans un tronçon de galerie
1.5.6. Expressions empiriques pour l'eau évaporée au dessus d'un plan d'eau
1.5.7. Différentes formes de condensation1.6. Les échanges de CO2 entre l'air et l'eau 1.6.1. La loi de Henry et la concentration de dioxyde de carbone dans l'eau
a) dioxyde de carbone dans l'air, dans l'eau et dans la glace ; b) rôle de l'altitude sur
la pression partielle de CO2 ; c) solubilité dans l'eau, loi de Henry ; d) masse de CO2
dans l'air et dans l'eau ; e) pression partielle de CO2 équilibrante
1.6.2. Les transferts de masse
a) lois de transfert de masse ; b) diffusivités du dioxyde de carbone dans l'eau et l'air ;
c) eau qui descend dans un réseau
1.6.3. Dégazage du dioxyde de carbone au niveau des concrétions
a) deux mécanismes ; b) exemple d'un film d'eau ; c) quantité de calcite déposable
par l'eau de percolation ; d) les conditions de dépôt ; e) variété des concrétionnements ;
f) modification de la pression partielle de CO2 de l'air à cause du concrétionnement
1.6.4. Un phénomène de relaxation lié au dégazage de l'eau du plafondConclusions de la première partie
2. LES COURANTS D'AIR DANS LEUR EXTENSION SPATIALE (ET LE RÔLE DES CONDITIONS AUX LIMITES) 2.1. Un panorama des différentes sortes de courants d'air 2.1.1. Différentes dispositions géométriques et physiques
a) air bouclé sur lui-même ; b) air bouclé sur l'air extérieur ; c) rôle de l'infiltration
de l'eau des précipitations
2.1.2. Fluctuations des grandeurs physiques aux frontières
a) rôle du vent extérieur ; b) rôle des infrasons ; c) rôle des variations de la pression
(respiration des cavernes) ; d) rôle des infiltrations de l'eau de précipitation ;
e) les variations de la masse volumique de l'air atmosphérique (tubes à vent)2.2. Ventilation naturelle d'une galerie horizontale à une seule entrée 2.2.1. Les résultats expérimentaux
2.2.2. La vitesse caractéristique
2.2.3. La distance d'amortissement2.3. Le courant d'air dans un tube à vent 2.3.1. Le terme moteur
a) le tirage dans un réseau à deux entrées ; b) expression précise du terme moteur (apport
de charge); c) expression simplifiée du terme moteur ; d) influence de l'humidité et du
dioxyde de carbone de l'air ; e) limitation de la validité du calcul du tirage
2.3.2. Les termes résistants. Calcul du débit du courant d'air
2.3.3. Vitesse dans un tube à vent
a) réseau à une seule étroiture ; b) plus grande vitesse dans un tube à vent ; c) cas
d'un réseau à pertes de charge régulièrement réparties ; d) renverse d'un courant
d'air ; e) une erreur souvent commise
2.3.4. Courant d'air dans un réseau à entrées étagées dans une pente
a) modélisation géométrique ; b) propriété des courants d'air ; c) réseaux réels,
limitation de la propriété
2.3.5. Mélange et dispersivité d'un contaminant passif
a) dispersivité d'un contaminant passif ; b) le modèle de réacteurs bien agités en
cascade ; c) discussion des phénomènes physiques du mélange ; d) modélisation
mathématique ; e) résolution dans le cas de salles identiques2.4. Courant d'air dans les parties labyrinthiques d'un tube à vent 2.4.1. Définitions, et pertes de charges dans une branche
a) maillage du labyrinthe ; b) application de l'équation de Bernoulli à chaque
branche ; c) résistance aéraulique d'un conduit
2.4.2. Les équations de Kirchhoff pour les réseaux maillés
a) première loi de Kirchhoff (ou loi des nœuds) ; b) deuxième loi de Kirchhoff
(ou loi des mailles) ; c) ensemble des équations et principe de résolution
2.4.3. Les méthodes de résolution des équations sur un exemple
a) les 9 équations des nœuds ; b) les 6 équations des mailles ; c) branche directrice
d'une maille élémentaire, débit de maille ; d) méthode de résolution de Hardy-Cross
2.4.4. Exemple des courants d'air dans le labyrinthe de la grotte de Mœstroff
a) oscillations sur la vitesse du courant d'air ; b) diminution du débit le long de la
galerie menant aux quatre stations de mesure2.5. Les courants d'air variables 2.5.1. Les différentes sortes de courants d'air variables
2.5.2. Deux modèles très simples de transitoires
a) fermeture brutale d'une entrée de tube à vent (Trombe, 1947) ; b) respiration des
cavernes (Conn, 1964)
2.5.3. Propagation d'une perturbation de pression
a) généralités ; b) le modèle de cavité en tube fermé ; c) le modèle général ou modèle
discontinu pour l'étude des transitoires ; d) un modèle approché : le modèle continu
2.5.4. La renverse du courant d'air dans un tube à vent
Introduction ; a) les hypothèses de l'étude ; b) l'équation de la dynamique ; c)
solution de l'équation d) discussion de quelques solutions ; e) blocage d'un courant
d'air au cours de la renverse
2.5.5. Oscillation pendulaire dans en tube en U
2.5.6. Phénomènes de résonance utilisant l'élasticité de l'air : résonance à la Helmholtz
a) généralités ; b) le résonateur de Helmholtz ; c) fréquences de résonance d'un
résonateur de Helmholtz ; d) une cavité naturelle peut-elle être assimilée à un résonateur
de Helmholtz ? ; e) montrons que le changement de pression dans la chambre est bien
adiabatique ; f) les causes d'amortissement ; g) équation complète décrivant le résonateur
de Helmholtz ; h) équation linéarisée du résonateur et solutions diverses de cette équation
2.5.7. Les oscillations de relaxation
a) oscillations de relaxation à la transition turbulente-laminaire ; b) autres causes d'oscillations2.6. Évolution le long d'une galerie des caractéristiques d'un courant d'air 2.6.1. Les échanges de chaleur et de masse
a) variations de la température de l'air en l'absence d'échange de chaleur avec la paroi ;
b) lois des transferts thermiques entre l'air et la paroi ; c) condensation et évaporation ;
d) refroidissement maximal de l'air par évaporation de l'eau (aux entrées aspirantes)
2.6.2. Étude d'un tube à vent à température de paroi uniforme
a) température de l'eau et de la roche ; b) variation le long de la galerie de la température
moyenne de débit du courant d'air ; c) évolution de la concentration en vapeur d'eau ;
d) le système d'équations ; e) méthode de résolution numérique ; f) propriété importante
de ce type de réseaux : l'absence de mémoire ; g) résolution analytique dans un cas
particulièrement simple ; h) cas des galeries ramifiées
2.6.3. La distance caractéristique thermiqueConclusions de la deuxième partie 3. LES COURANTS D'AIR DANS LEUR DEVELOPPEMENT SPATIAL ET TEMPOREL (L'EFFET MEMOIRE DU STOCKAGE DE CHALEUR DANS LA ROCHE) Introduction a) l'énergie thermique stockée dans la roche et l'effet de mémoire ; b) rétroaction
de cette énergie thermique sur les circulations d'air3.1. Les pièges thermiques : pièges à air froid ou à air chaud 3.1.1. Modélisation de la glacière de Corrençon
a) circulation de l'air en hiver et puissance associée ; b) calage par les mesures ; c) les apports
d'eau, rôle thermique de l'eau ; d) l'apport de chaleur par conduction à la paroi ; e) la
température de l'air extérieur et l'apport de froid à la glacière ; f) bilan instantané de la
glacière dans un schéma simplifié ; g) bilan annuel de fabrication de la glace dans le
schéma simplifié ; h) étude de la fonction E pour l'apport de froid ; i) résolution numérique
sur tableur et discussion3.1.2. Exemple d'un piège à air froid à la grotte de la Ture (Vercors)
a) mesures à la grotte de la Ture ; b) bilans instantanés à l'entrée et discussion des mesures ;
c) modèle du fonctionnement thermique de la grotte ; d) caractéristiques globales de la
grotte ; e) la grotte est un échangeur de chaleur du style échangeur à régénération ;
f) refroidissement local du massif calcaire3.2. Tube à vent. Perturbation thermique brutale d'un réseau 3.2.1. Généralités
a) tube à vent et perturbation thermique brutale ; b) expérience possible en rapport
avec ce problème3.2.2. Description des phénomènes physiques 3.2.3. Mise en équations du problème thermique
a) bilan sur l'air ; b) conduction dans la paroi3.2.4. Simplification du système d'équations. Variables sans dimension
a) théorème de Vashy-Buckingham et unités naturelles ; b) le système d'équations sans
dimension ; c) cas où la solution est universelle3.2.5. Résolution numérique des équations (programme Therm1)
a) on discrétise l'équation de conduction dans la roche ; b) calcul de proche en proche des
nouvelles températures de la paroi et de l'air ; c) validité de la solution simplifiée qui ne
dépend pas de B ; d) solution analytique correspondant à la répartition initiale de la température3.2.6. Résultats des calculs numériques
a) profil thermique de l'air le long de la galerie ; b) influence du paramètre B sur la longueur
de pénétration ; c) notion de temps caractéristique pour un tronçon L près de l'entrée du
courant d'air ; d) pénétration de la perturbation thermique dans la roche e) notion d'épaisseur
de roche concernée ; f) critique du modèle et rôle de l'évaporation et de la condensation3.3. Tube à vent. Variations sinusoïdales de la température extérieure 3.3.1. Énoncé du problème 3.3.2. Mise en équation
a) la vitesse dans la galerie ; b) bilan sur l'air ; c) conduction dans la paroi3.3.3. Équations sans dimension
a) unités naturelles ; b) variables sans dimension ; c) les équations deviennent …;
d) la classe d'équivalence des réseaux du genre tube à vent obliques3.3.4. Résolution numérique 3.3.5. Résultats du programme Therm2
a) les évolutions des températures et de la vitesse ; b) la température moyenne de l'air
intérieur et la vitesse ; c) amplitude des variations de la température moyenne de l'air
intérieur en fonction des paramètres ; d) courbes d'hystérésis pour la relation entre la
vitesse et la température extérieure ; e) relation pour le gain g = 0,5, temps caractéristique ;
f) amplitude relative g de la température de l'air intérieur en fonction du nombre s ;
g) puissance injectée en fonction du temps ; h) les anomalies de la température de l'air,
et donc des cavités, aux entrées ; i) rôle des phénomènes d'évaporation-condensation
sur l'anomalie aux entrées ; j) le moment de l'inversion du courant d'air ; k) excitation
extérieure à deux fréquences ; l) les limites de cette étude et conclusions3.4. Tube à vent. Variations sinusoïdales de la température dans une cavité à puits d'aération
3.4.1. Énoncé du problème 3.4.2. Mise en équations
a) la vitesse dans la galerie ; b) bilan sur l'air ; c) conduction dans la paroi3.4.3. Équations sans dimension 3.4.4. Résolution numérique 3.4.5. Résultats du programme Therm3 3.5. Tube à vent à parois sèches, et condensation 3.5.1. Évolution de l'humidité spécifique 3.5.2. Température de la roche, bilan et échange à la paroi 3.5.3. Système d'équations 3.5.4. Résolution numérique dans un cas schématique 3.5.5. Quelques résultats dans un cas donné 3.5.6. Débits moyen récupérable par condensation 3.6. Cas des réseaux à plusieurs entrées 3.6.1. Schématisation d'un réseau à trois entrées étagées 3.6.2. Cas à vitesse intermédiaire nulle : entrée en condition critique 3.6.3. Solution générale de l'équation. Les trois débits 3.6.4. Étude numérique d'un réseau
a) calcul des débits ; b) bilan et température de l'air3.6.5. Résultats du calcul numérique 3.6.6. Cas d'un réseau à deux entrées avec deux dénivellations
a) géométrie et équations pour les débits ; b) quelques résultats ; conclusionsConclusions de la troisième partie 4. L'AIR SOUTERRAIN EN TANT QUE SOUS-SYSTEME KARSTIQUE 4.1. Le karst et le système karstique 4.1.1. Définition du système karstique
a) définition d'un système karstique ; b) le système karstique vu comme une boîte noire
(système global) c) le système karstique comme un ensemble de quatre sous-systèmes imbriqués4.1.2. État instantané d'un système karstique
a) état du système ; b) complexité d'un système ; c) les grandeurs extensives4.1.3. Les relations fonctionnelles
a) le karst est un système ouvert - flux, potentiel et creusement ; b) les interactions
internes ; c) interactions externes ; d) le karst est un système non permanent4.1.4. Évolution d'un karst : formes, facteurs, mécanismes
a) les formes ; b) les facteurs ; c) les mécanismes4.1.5. Les bilans globaux
a) bilans de masse ; b) bilan d'énergie ; c) les réactions chimiques en présence d'air4.2. Réseau souterrain et air des cavités 4.2.1. Le réseau souterrain et la modélisation
a) le réseau souterrain des spéléos ; b) effarante complexité d'un réseau souterrain ;
c) le réseau des fentes joue-t-il un rôle important dans les courants d'air ? ; d) le réseau
souterrain et ses différentes facettes ; e) structuration du karst ; f) structure des évidements
du karst4.2.2. L'atmosphère d'une grotte en tant que sous-système
a) le sous-système ; b) l'étude du sous-système air ; c) le courant d'air au travers d'un
microscope-macroscope ; d) prévision ? ; e) courant d'air dans un karst à invariance
d'échelle de longueur4.3. Champ thermique dans le karst, renouvellement et modification de l'air 4.3.1. L'atmosphère extérieure du point de vue thermique
a) la température extérieure ; b) la classification climatique des karsts4.3.2. Température d'un massif calcaire
a) rôle de l'altitude et de la latitude ; b) différentes zones thermiques, température
moyenne ; c) rôle de l'eau ; d) rôle de la pesanteur ; e) rôle du flux géothermique ;
f) rôle de l'air aux entrées ; g) le gradient thermique de l'air dû à des causes
mécaniques ; h) les gradients de température observés dans le karst, et discussion4.3.3. Structure du champ thermique
a) aspect spatial ; b) des flux et des rythmes4.3.4. Glacières naturelles et glaciations
a) glacières naturelles ; b) les glaciations ; c) karsts et périodes glaciaires4.3.5. Renouvellement de l'air dans une cavité
a) cavités à plusieurs entrées ; b) injection d'air par l'eau dans la zone d'infiltration ;
c) renouvellement de l'air par fluctuation de la pression atmosphérique ;
d) renouvellement de l'air par battement du niveau piézométrique ; e) transfert de
masse par advection, diffusion et fluctuation advective ; f) mesures et conclusions4.3.6. Modifications de l'atmosphère souterraine
a) origine de l'atmosphère et variation de la composition ; b) différents processus
justifiant les écarts de composition observés4.3.7. Le rôle du sol et autres interactions
a) le sol comme fournisseur de CO2 et de chaleur ; b) action mécanique de l'alternance
gel-dégel près des entrées : cryoclastie ; b) les dépôts d'origine éolienne4.4. Évaporation - condensation, compression et karstogenèse 4.4.1. Les études antérieures
a) premières analyses qualitatives ; b) le modèle de Szunyogh (1982,1989) ;
c) le modèle de Mucke, Viker, Wadewitz (1983)4.4.2. Étude détaillée de l'évaporation - condensation
a) eau chaude et paroi froide ; b) eau froide et paroi chaude ; c) rôle du gradient
géothermique ; d) conséquences pour le creusement des cavités4.4.3. Calcul des transferts de chaleur et de masse
a) rôle du rayonnement ; b) le transfert de chaleur (sensible) ; c) le transfert de
chaleur latente (analogie de Lewis) ; d) calcul de dw/dT ; e) variation de la poussée
d'Archimède induite par la vapeur d'eau ; f) expression complète du débit de vapeur ;
g) expression du flux total échangé4.4.4. Couplage convection - conduction
a) évolution temporelle ; b) choc thermique (pendant une crue par exemple) ;
c) variations sinusoïdales de la température de l'eau4.4.5. Température d'une cloche pour des variations de pression
a) les phénomènes physiques ; b) transformation adiabatique et transformation
isotherme ; c) la transformation réelle : ce n'est pas une polytropique4.5. Interaction chimique eau-roche via l'air, rôle de la pression 4.5.1. Distribution du CO2
a) variations de la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère extérieure ; b) la surface
du karst, une usine à dioxyde de carbone ; b) origine du CO2 profond ; c) exemples régionaux4.5.2. L'attaque chimique du calcaire - rôle de l'air
a) Bilan en dioxyde de carbone de l'attaque chimique ; b) devenir du calcaire ;
c) cycle du carbone4.5.3. La teneur en CO2 est régulée par les variations de pression de l'air
a) reprise d'agressivité par compression de poches d'air captives ; b) modèle de Lismonde
(2000) ; c) l'eau, une double pompe pour faire circuler le CO24.5.4. Un modèle de creusement profond, mise en charge et condensation Conclusions de la quatrième partie ANNEXES A.1. Les phénomènes de diffusion et les phénomènes de convection A.1.1. La diffusion, une marche aléatoire A.1.2. La convection A.1.3. Longueur de mélange A.1.4. Les analogies entre transfert de quantité de mouvement, transfert de chaleur et transfert de masse
a) les différents transferts ; b) transfert de chaleur par analogie avec le coefficient de
perte de charge ; c) analogie de Reynolds ; d) analogie de Lewis ; e) limites de
validité de l'analogie de Lewis en climatologie souterraineA.2. Les quatre lois de bilan sous forme globale A.2.1. Définitions A.2.2. Les variations de la masse volumique et l'approximation de Boussinesq
a) les écoulements à grandes vitesses ; b) les écoulements à grandes échelles ;
c) les écoulements avec un échange de chaleur ; d) les écoulements avec apport
de gaz différents ou avec réaction chimiqueA.2.3. Équations de bilan intégrées dans le temps et sur une section A.2.4. Bilan de masse pour un volume fini fixe A.2.5. Bilan de quantité de mouvement (ou théorème global d'Euler) A.2.6. Bilan d'énergie
a) équation de l'énergie ; b) équation de bilan d'énergie cinétique ; c) équation de la chaleurA.2.7. Bilan d'entropie A.2.8. Représentation unifiée des 4 lois A.3. Les équations locales A.3.1. Les trois équations locales instantanées dans l'approximation de Boussinesq
a) équation de continuité ; b) équation de la dynamique ; c) équation de la
chaleur ; d) équation de bilan de vapeur d'eauA.3.2. Les trois équations locales moyennées dans le temps dans l'approximation de Boussinesq
a) équation de continuité ; b) équation de la dynamique moyennée dans le temps ou équation
de Reynolds ; c) équation de la chaleur moyennée ; d) équation de bilan de vapeur d'eau ;
e) équations sur les valeurs fluctuantes ; f) les conditions aux limites ; g) les nombres sans
dimension de baseA.4. L'entraînement de l'air par l'eau des cascades dans les cavités naturelles A.4.1. Chute d'eau dans l'air
a) cinématique d'une goutte ; b) effet d'ensemble et migration latérale des gouttesA.4.2. Étude d'une configuration de chute d'eau A.5. La résolution numérique des systèmes d'équations. Exemple de programme BIBLIOGRAPHIE INDEX ALPHABETIQUE
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