Les projets scientifiques retenus par les Départements Environnement et Agronomie - EA et Ecologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques - EFPA

Projet retenu par EFPA

Suivi en temps réel des produits de la photosynthèse dans un écosystème forestier

Responsable Jérôme Ogée

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Partenaires

ANR (projet blanc MIST), EU-PCRD6 (projet CarboEurope-IP), EU-PCRD7 (bourse Marie-Curie), Région Aquitaine (projet Durabilité), ORE F-ORE-T, INRA EFPA (projet innovant)

Perspectives ou impact à terme

Meilleure compréhension du cycle du carbone dans les écosystèmes forestiers.

Bibliographie

• IPCC (2007) Climate Change 2007: The physical sciences basis: contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. (eds S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor, & H.L. Miller). Cambridge University Press, Cambridge.
• Subke J.-A. & Ineson P. (2010) Tracing photosynthetic isotope discrimination from leaves to soil. New Phytologist, 188, 309-311.
• Wingate L., Ogée J., Burlett R., Bosc A., Devaux M., Grace J., Loustau D. & Gessler A. (2010) Photosynthetic carbon isotope discrimination and its relationship to the carbon isotope signals of stem, soil and ecosystem respiration. New Phytologist, 188, 576–589.

Projet retenu par EA

Simulation de l’interaction vent-plante à l’échelle d’un couvert végétal

Responsable Sylvain Dupont

Partenaires

F. Gosselin, C., E. de Langre, P. Hémon : Département de Mécanique, LadHyX, CNRS-Ecole Polytechnique, F-91128 Palaiseau, France
C. Py : MSC, UMR 7057 CNRS-Université Paris-Diderot, F-75205 Paris cedex 13, France

Résumé

Un modèle mécaniste représentant l’interaction vent-plante a été développé et validé à l’échelle d’un couvert végétal. Il a permis (i) de simuler pour la première fois les structures turbulentes du vent et leur interaction complète avec les mouvements du couvert, (ii) d’analyser le lien entre ces derniers et la turbulence du vent. Ce modèle constitue un outil pertinent pour étudier notamment la vulnérabilité au vent des couverts végétaux à l’échelle de paysages complexes. Cette thématique est devenue d’autant plus importante avec le changement climatique et le possible accroissement d’événements extrêmes (tempêtes).

Contexte / Enjeux / Problématique

Comprendre l’interaction entre le mouvement des plantes et la turbulence atmosphérique est déterminant pour de nombreuses applications environnementales et agronomiques : limiter la vulnérabilité au vent des cultures et forêts, améliorer la production de biomasse des plantes, réduire la propagation de pathogènes, mieux prédire l’émission de pollen… D’autres débouchés peuvent être envisagés, en imagerie de synthèse par exemple (meilleure représentation du mouvement des plantes dans les films d’animation ou jeux vidéos).

L’écoulement du vent dans les couverts végétaux est dominé par la présence de structures turbulentes énergétiques, qui se manifestent de façon intermittente et interagissent avec les plantes lorsqu’elles pénètrent dans le couvert. Compte tenu de la complexité des processus impliqués dans l’interaction vent-plante, notamment sur des surfaces hétérogènes, il s’est avéré indispensable de développer une modélisation mécaniste des processus physiques responsables du développement de ces structures et de leur interaction avec la végétation. Un modèle numérique, s’appuyant sur le code météorologique ARPS (Advanced Regional Prediction System, de l’Université d’Oklahoma), a ainsi été conçu pour simuler cette interaction à l’échelle d’une parcelle. Il utilise une approche de « simulation des grandes échelles » (LES) qui permet d’avoir accès non seulement aux champs moyens de vitesse et de mouvement, mais aussi, et surtout, aux champs fluctuants. Le modèle est ainsi capable de simuler l’interaction entre les rafales de vent pénétrant dans le couvert et le mouvement individuel des plantes.

Résultats

Ce nouveau modèle a tout d’abord été validé à partir d’enregistrements vidéos du mouvement d’un champ de luzerne (Medicago sativa L. cv Mercedes) effectués à Lusignan (Py C., E. de Langre,B. Moulia, P. Hemon, 2005: Measurement of wind-induced motion of crop canopies from digital video images. Agric. For. Meteorol., 130, 223–236). Notre travail a permis pour la première fois de reproduire numériquement un phénomène intéressant de l’interaction entre structures cohérentes du vent et mouvement des plantes, appelé honami et correspondant à ces « vagues » que l’on peut voir se propager à la surface des champs de céréales au cours de journées venteuses (voir Figure). Les caractéristiques de ces mouvements à la surface du couvert se sont avérées similaires à celles déduites des enregistrements vidéos. Les simulations ont ensuite permis de mieux comprendre l’interaction entre fluctuations de vent et mouvements du couvert. Bien que les structures visibles à la surface des couverts soient initiées par celles du vent, il s’avère que leurs caractéristiques spatiales et temporelles diffèrent sensiblement ; extraire des informations sur la turbulence à partir d’enregistrements du mouvement du couvert n’est ainsi guère réalisable.

Perspectives, impact à terme

Ce modèle, qui permet notamment de calculer les contraintes mécaniques ressenties au cours du temps par les plantes, constitue un puissant outil d’investigation. Il peut par exemple être utilisé pour étudier la vulnérabilité des arbres au vent dans divers contextes paysagers, ou l’impact du vent sur la croissance des plantes (thigmomorphogènese) dans différentes conditions environnementales. A terme, il devrait favoriser le dialogue entre recherche et gestion forestère, en rendant possible une analyse fine des conséquences de différents scénarios sylvicoles, ou d’aménagement du paysage, sur la stabilité au vent des peuplements.

Valorisation

L’article issu de cette étude a fait l’objet d’un « Focus on Fluids », mettant en valeur un article dans chaque volume du Journal of Fluid Mechanics (Finnigan J.J., 2010: Waving plants and turbulent eddies, J. Fluid Mech., 652, 1-4.

Bibliographie

Dupont S., F. Gosselin, C. Py, E. de Langre, P. Hémon, Y. Brunet, 2010: Modelling waving crops using large eddy simulation: comparison with experiments and a linear stability analysis, Journal of Fluid Mechanics, 652, 5-44.