Phase transitions in two-dimensional and geophysical turbulence

Transitions de phase en turbulence bidimensionnelle et géophysique

Marianne Corvellec (1)

1 Phys-ENS - Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon

A most challenging problem in turbulence is to predict the statistics of flows at the large scales. In the case of the 2D Euler equation and analogous models for geophysical flows, the flow is observed to self-organize: cyclones/anticyclones and intense jets form. Equilibrium statistical mechanics has proven to be fundamental and relevant even in the presence of forcing and dissipation, in the inertial limit. The thesis is motivated by the phenomenon of random transitions between two different topologies. This phenomenon implies bistability. The goal is to predict the multiplicity of equilibria for a (quasi) two-dimensional flow. We develop a classification of phase transitions for the (statistical and/or dynamical) equilibria of this flow. Phase diagrams show critical and tricritical points as well as domains of statistical ensemble inequivalence, all this generically. In the case of an annular geometry, the effects of topography and of conserving two circulations are described. Analogies between the bistability of the ocean current Kuroshio and this academic study are suggested. Lastly, for the 2D Euler system, a statistical-mechanical result in the energy-enstrophy ensemble is detailed: the microcanonical distribution, constructed from Liouville's theorem in finite dimension, corresponds to the maximization of a vorticity-mixing entropy.

Prédire la statistique des grandes échelles des écoulements turbulents constitue un enjeu important. Pour l'équation d'Euler 2D et des modèles analogues d'écoulements géophysiques, une auto-organisation est observée (formation de cyclones/anticyclones, jets intenses). La mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels s'est avérée fondamentale et pertinente même en présence de forçage et dissipation, dans la limite inertielle. La thèse est motivée par le phénomène de transitions aléatoires entre deux topologies différentes, lié à une bistabilité. Il s'agit de prédire la multiplicité des équilibres d'un écoulement (quasi) bidimensionnel. On développe une classification des transitions de phase, pour des équilibres (statistiques et/ou dynamiques) d'un tel écoulement. Les diagrammes de phase font apparaître la présence générique de points critiques et tricritiques, et des domaines d'inéquivalence d'ensembles statistiques. Dans le cas d'une géométrie annulaire, on décrit les effets de la topographie et de la conservation de deux circulations. Des analogies avec la bistabilité du courant océanique Kuroshio sont proposées à partir de cette étude académique. Enfin, pour le système Euler 2D, on détaille un résultat de mécanique statistique dans l'ensemble énergie-enstrophie : la distribution microcanonique, construite à partir du théorème de Liouville en dimension finie, correspond à la maximisation d'une entropie de mélange de la vorticité.

Mots clés: Dynamical systems; Phase transformations (Statistical physics); Statistical mechanics; Vorticity; Self-organization; Bifurcation theory; Nonlinear partial differential equations; Oceanography

Mots clés: Transitions de phase; Mécanique statistique; Turbulence; Auto-organisation; Bistabilité; Bifurcation; Équations aux dérivées partielles non linéaires; Dynamique non linéaire; Océanographie

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Marianne Corvellec. Phase transitions in two-dimensional and geophysical turbulence. Other [cond-mat.other]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2012. English. ⟨NNT : 2012ENSL0705⟩. ⟨tel-00675763⟩