Investigating the Arctic and Antarctica sea ice as an idealised 2D dry granular media

Etude du comportement mécanique de la banquise Arctique et Antarctique sous la forme d'un milieu granulaire idéalisé 2D En 2023, 2 % de la surface de la Terre était couverte par de la glace de mer, un matériaux composé principalement d'eau de mer gelée.Cette surface évolue sous les courants atmosphériques et océaniques en présentant un changement drastique de comportement entre la période hivernal et estivale.La banquise peut être assimilée, lorsque sa concentration est élevée à un solide élastique et fragile dont le comportement mécanique est, de fait, dominé par les processus de fracturation.Lorsque la teneur en glace devient moindre, un materiaux granularisé peut être observé, similaire aux Zones de Glace de Concentration Intermédiaire (MIZ) où se mêlent processus de collision et de frictions entre les plaques de glace, les floes.L'existence simultanée de ces processus dans les assemblages de floes, présentant alors un comportement analogue à un fluide granulaire, implique une transition d'un régime purement collisionel, comparables aux gaz granulaire, à un matériaux dominé seulement par la friction.Ce dernier cas permet l'observation d'assemblages de floes présentant une réponse attendue pour un solide granulaire.Ce changement de dynamique évoque la transition de jamming caractérisant un matériau granulaire.Dans la glace de mer, les contraintes subies localement (échelle micro) ont une influence significative sur les déformations qui émergent à des échelles beaucoup plus grandes (macro).Cette thèse vise, en premier lieu, à améliorer les paramétrisations de résistance de la glace de mer à l'échelle de la grille dans un modèle continue, utilisable pour les prévisions à court et long terme de l'état des banquises en Arctique et en Antarctique.Un nouveau couplage est formulé entre les paramètres de résistance de la glace de mer à l’échelle mésoscopique (viscosité apparente et module d’élasticité) et des variables d'état (nombre inertiel, pression et endommagement) de la couverture de glace de mer granulaire dans la limite d'assemblage de plaque en contact permanent.Pour cela, un modèle de dynamique moléculaire, LAMMPS est utilisé pour étudier l'évolution des variables de contraintes et de déformation macroscopiques (contrainte de cisaillement, pression, packing fraction et nombre de contact moyen), la rhéologie, à l'échelle d'un assemblage granulaire frictionnel de floes.Le nombre inertiel I, permet de décrire, au premier ordre, le comportement emergent d'un régime d'écoulement stationnaire d'un assemblage granulaire dans la gamme de taux de déformation, pression et concentration explorées.Les évolutions des propriétés mécaniques mesurées, (les modules d'élasticités, le temps de relaxation caractéristique et les contraintes résiduelles) sont décrites par l'endommagement, définissant une nouvelle variable d'état des milieux granulaire.Ensuite, un modèle en accord avec les observations réalisées dans la glace de mer granularisée est présenté, via un matériaux continu 2D, gouverné par un modèle élasto-visco-plastique pour les matériaux granulaire dont les propriétés mécaniques dépendent de l'endommagement dite « Granular Media Damage Dependent model » (GranDam).