Les ondes de Kelvin : des condensats quantiques aux tornades atmosphériques

Des tornades atmosphériques aux condensats quantiques en passant par les sillages laissés par les avions, les tourbillons constituent une forme universelle d’organisation du mouvement des fluides. Tout écoulement en rotation se structure en filaments tourbillonnaires, appelés vortex.

Le long de ces vortex se propagent des ondes particulières, les ondes de Kelvin, qui jouent un rôle clé dans la stabilité des tourbillons et dans le transfert d’énergie au sein du fluide. Décrites théoriquement par Lord Kelvin à la fin du XIXᵉ siècle, elles sont considérées comme les excitations les plus fondamentales d’un vortex. Pourtant, malgré leur importance centrale en mécanique des fluides, leurs propriétés dynamiques n’avaient jamais été mesurées de manière directe et quantitative dans une expérience contrôlée.

Des chercheurs du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC) de l’Université Paris Cité, CNRS, et du Laboratoire de Physique de l’École normale supérieure (LPENS) ont conçu une expérience permettant de recréer en laboratoire un tourbillon d’eau contenant un cœur d’air, analogue à celui formé lors de la vidange d’une baignoire. Ce tourbillon forme une colonne d’eau très stable de quarante centimètres de haut, traversée par un fin filament d’air de quelques millimètres d’épaisseur, offrant une visualisation directe et précise des déformations du vortex et des ondes qui s’y propagent lorsque le tourbillon est excité.

Grâce à des mesures spatio-temporelles fines, les chercheurs ont obtenu la première caractérisation expérimentale complète de la relation de dispersion des ondes de Kelvin. Cette relation, qui relie la longueur d’onde d’une perturbation à sa vitesse de propagation, constitue la signature dynamique des ondes et permet de comprendre comment l’énergie est transportée le long d’un vortex. Les résultats confirment de manière remarquable des prédictions théoriques établies depuis plus d’un siècle et révèlent l’existence de plusieurs types d’ondes de Kelvin aux comportements distincts.

Ces avancées ont des implications dans des domaines très variés. Les fluides quantiques en rotation, comme l’hélium liquide ou les condensats de Bose–Einstein, sont dominés par des tourbillons de très petite taille, tout en ne perdant pas d’énergie de manière classique. Les ondes de Kelvin y jouent un rôle central et leur relation de dispersion y est théoriquement  identique à celle mesurée dans l’expérience. Ces résultats fournissent ainsi un analogue macroscopique pertinent des systèmes quantiques et permettent de mieux comprendre le rôle de ces ondes dans le transfert de l’énergie dans ces systèmes.

En géophysique, cette étude éclaire la dynamique des tornades. Elle montre que la propagation de certains types d’ondes de Kelvin peut conduire à une concentration locale de l’énergie au sein du vortex. Ce mécanisme fournirait donc une explication simple du « skipping effect », c’est-à-dire des phases de soulèvement et de réancrage de la tornade au sol. L’intermittence des ondes de Kelvin pourrait également contribuer à comprendre certains déplacements latéraux brusques observés dans ces phénomènes.

En savoir plus :
https://www.nature.com/articles/s41567-026-03175-w

Informations complémentaires :
Laboratoire de physique de L’École normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)

Auteur correspondant : Christophe Gissinger
Contact communication : L’équipe de communication