Film de l'ombroscopie de la convection en panaches observée dans de l'huile de coco.

© C. Sabouraud

L'eau pure ne donne pas de résultats bien visibles sans le dispositif d'éclairage et de miroirs préconisé sur le site Planet-Terre.

Cependant, un colorant alimentaire peut être introduit sous l'eau remplissant le bécher en utilisant un cathéter, comme en labo. Mais une simple seringue guidée lentement vers le fond et sur le piston de laquelle on applique une poussée très lente donne des résultats satisfaisants.

La belle montée des panaches d'eau colorée de la base du bécher est très vite affectée de mouvements turbulents en raison de la très faible viscosité de l'eau.

Des sirops de sucre ont été confectionnés à plusieurs concentrations : 200g de sucre/200g d'eau ; 400g de sucre/300g d'eau ; 500g de sucre/300g d'eau. Du sirop de sucre de canne et du sirop de menthe du commerce ont été testés.
Le sirop de menthe ne donne aucun résultat visible, cependant employé comme couche basale dans une expérience à deux couches, il se révèle très intéressant.

D'assez beaux panaches se forment dans le sirop de sucre après un très léger chauffage basal (quelques degrés), mais ils sont un peu difficiles à visualiser.

Des huiles et une margarine alimentaires du commerce ont donné les meilleurs résultats, en particulier l'huile de colza et la margarine de coco qui fond à basse température et reste liquide à 30°C.

Le choix entre huile de colza et la margarine de coco est d'ordre pratique, cette dernière redevenant solide et étant un petit peu plus chère.
Toutefois, l'expérience reste peu coûteuse, d'autant que les huiles peuvent être utilisées plusieurs fois.

Résultats, interprétation

Dans tous les cas, et cela semble le point capital : le chauffage de la base du bécher est très bref, n'élevant la température de la couche inférieure que de 1 ou 2°C. Il est intéressant de redonner quelques coups de chauffe de temps en temps pour voir redémarrer les panaches.

La vision directe des panaches est toujours possible, mais elle demande une bonne observation. Cette observation est facile en vision rapprochée, donc pour un travail individuel ou avec une organisation en sous- groupes.
Pour faciliter l'observation : déplacez votre éclairage (l'ampoule mobile citée dans le matériel nécessaire) et explorez le bécher. En montant et descendant la lumière, en la dirigeant de droite à gauche etc., on découvre alors toujours de nouveaux panaches !

L' ombroscopie des panaches est encore plus spectaculaire et intéressante.

Sur les photos, on remarque une striation horizontale ; elle est due à la mise en évidence par l'éclairage de structures de fabrication du verre. Ces défauts ont un avantage : ils servent de niveaux repères lors de la montée des panaches !

l'ombroscopie permettant, elle, de distinguer la tête et la queue des champignons du fluide montants - un petit peu plus  - chauds.

Commentaires du chercheur  qui a validé les expériences proposées par Géomanips :

Après une très légère augmentation de la température de la base du bécher, la couche thermique de la base se construit par conduction. Sur une plaque chauffante plane, elle devient instable ; la poussée d'Archimède devient supérieure aux effets résistifs et provoque la naissance d'instabilités qui drainent la couche et les panaches commencent en même temps leur ascension.

Anne Davaille a confié deux images de nouvelles expériences : des cristaux liquides ont été introduits dans le bac et dessinent les isothermes.

Si on poursuit la chauffe, les formes de convection deviennent instables.

Les films montrent que les panaches montent par vagues, par bouffées successives . En effet lorsqu'on continue à chauffer, la couche limite se reforme et lâche une nouvelle vague de panaches.

Les longueurs d'onde sont petites quand le liquide est peu visqueux, et cela se remarque dans toutes les expériences.

Les formes des panaches observés en ombroscopie varient. Elles sont toujours en champignon mais en... bolet, coprin ou coulemelle ! Anne Davaille se demande si il s'agit de vraies différences de morphologie (forme en coprin moins visqueux qu'en coulemelle !) ou bien d'artefacts de visualisation car les variations de viscosités dans les gradients de températures qu'étudie le chercheur de façon quantitative sont complexes.

Dans de nombreux films, remarquez que les têtes des panaches forment des bombements à la surface du fluide. Anne Davaille évoque les bombements topographiques observés sur la terre à l'aplomb des anomalies chaudes (Afrique, Polynésie).

Dans la Terre, ce rôle de descentes de matériaux froids est tenu par les plaques lithosphériques plongeantes.

Sirop de menthe - sirop de sucre

Pour tenter une expérience ressemblant à l'expérience à deux couches de Anne Davaille, du sirop de menthe du commerce a été déposé au fond du bécher, puis doucement, le long de la paroi, le sirop de sucre (200g de sucre/200g d'eau ; 400g de sucre/300g d'eau) a été coulé au dessus.

Sont observés, la formation de dômes de menthe, de panaches qui s'ancrent au sommet des dômes, des dômes qui s'allongent puis retombent en raison de leur refroidissement, l'expérience est de bonne qualité; dans les diaporamas, des photos de l'expérience très rigoureuse d'Anne Davaille sont intercalées.

Sirop de menthe - huile

Géomanips a tenté un mélange explosif ! du sirop de menthe surmonté d'huile (de colza ou mixte).

Les bulles de menthe nageant à la base de l'huile (voir le diaporama) sont un artefact de tension de surface entre ces deux liquides presque totalement immiscibles. Cette immiscibilité n'existant pas à grande échelle dans le manteau, le chercheur utilise des liquides miscibles dans ses modélisations.

Cependant ces béchers sirop de menthe - huile présentent un intérêt car les figures obtenues sont spectaculaires et illustrent très bien la convection en panaches.

Sirop de menthe - huile de colza 

La température d'ébullition du sirop doit être atteinte. Alors, la montée de panaches spectaculaires se déclenche. Les bulles de vapeur montant du fond du bécher facilitent la montée des panaches, mais ne faussent pas l'interprétation : le plus léger monte toujours !

Les panaches jaillissent de la couche basale, mais beaucoup trop rapidement pour être bien observables à l'oil. En revanche, si cette expérience est filmée, l'extraction de photos, telle celle qui a été faite pour ce site, fournit un très riche «bestiaire» de panaches.

Dans la menthe, moins visqueuse que l'huile, démarrent ces instabilités qui se collectent pour former de superpanaches-dômes. Toute la «zoologie» des structures qui montent est observable. Ces phénomènes instables provoquent des trajectoires instables.

Sirop de menthe - huile mixte (tournesol, colza, pépins de raisin)
Dès que la base de l'huile est chauffée par la menthe, loin alors de son point d'ébullition, des panaches démarrent dans l'huile. On obtient alors une coexistence de panaches de différents types, comme dans la Terre, panaches d'huile dans la couche supérieure et panaches beaucoup plus rapides de menthe quand la couche inférieure se déstabilise.

Comme dans les expériences à une couche, les panaches peuvent provoquer des superswells en surface tels qu'ils existent sous la Polynésie ou l'Afrique, provoqués par une anomalie chaude, comme ici au milieu du manteau.