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Theses

On the emergence and evolution of jets and vortices in turbulent planetary atmospheres.

Résumé : Cette thèse étudie la formation et l'évolution des jets et des vortexdans les atmosphères planétaires turbulentes, à l'aide d'une doubleapproche de simulations numériques et d'expériences delaboratoire. Pour l'approche numérique, un modèle en fluidesshallow-water quasi-géostrophique à deux couches dans le plan betaavec des conditions canal a été utilisé. Comme dans Panetta (1988), onimplémente un cisaillement vertical pour représenter le gradientlatitudinal de température moyenné spatialement, qui est partiellementmaintenu par un forçage thermique. Les instabilités baroclinesaffaiblissent le gradient de température, alors que le forçagethermique le restaure, ce qui crée une dynamique non-linéaire trèsriche.Tout d'abord, nous avons considéré l'écoulement sur un fond plat, etavons modélisé les mouvements convectifs par des paires decyclones/anticyclones ou `hetons' comme dans Thomson (2016). Nousobtenons ainsi des jets principalement baroclines, oscillants entredes phases calmes et des phases turbulentes, où l'écoulement perd sazonalité. Des vortex se forment à partir des jets méandreux etl'énergie zonale diminue alors que l'énergie tourbillonnaireaugmente. Ces phases turbulentes durent typiquement pendant unepériode de relaxation du forçage thermique. On étudie les effets ducisaillement vertical, du forçage thermique et des hetons, enregardant les transferts d'énergie entre les énergies cinétiques etpotentielles, leurs composantes barotropes et baroclines ainsi queleurs composantes zonales et tourbillonnaires. Ceci nous amène àrepenser le paradigme classique des transferts d'énergie présenté dansSalmon (1982). De plus, nous étudions comment une analyse de stabilitélinéaire de l'écoulement zonal instantané est reliée aux phases calmeset turbulentes.Ensuite, nous considérons l'effet d'une topographie de grande échelle,comme une première approche pour comprendre le rôle de la topographiedans la formation des jets et des vortex. Nous utilisons le mêmemodèle que dans la première étude mais nous ajoutons un fondtopographique linéaire méridionalement, qui a l'avantage de dépendred'un seul paramètre, la pente. Une pente négative approfondit lacouche inférieure par rapport à un fond plat, ce qui augmente lepotentiel des instabilités baroclines, alors qu'une pente positive aun effet stabilisateur. Nous supprimons le forçage par les hetons etperturbons l'écoulement grâce à une zone de Rossby de faibleamplitude dans la couche inférieure à l'instant initial. L'effetprincipal du forçage par les hetons est d'agir comme une sorted'amortissement : les fluctuations de l'énergie sont constamment plusextrêmes que sans forçage. Une analyse de stabilité linéaire esteffectuée afin de déterminer les zones de stabilité etd'instabilité.Pour l'étude expérimentale, nous utilisons une cuve tournanteremplie par deux couches de fluides avec une stratification au sel etun couvercle rigide en rotation différentielle. Nous étudions unfront barocliniquement instable dans le régime des vacillationsd'amplitude, qui est caractérisé par l'émergence et ladisparition de vortex de grande échelle. L'analyse de deuxexpériences à la limite de la géostrophie, avec des nombres deRossby de Ro=0.4 et Ro=0.6, montre des comportement trèsdifférents. Pour un faible nombre de Rossby, nous observons desdipôles baroclines alors que pour un large nombre de Rossby nousobtenons des vortex barotropes. Nous examinons l'activité des ondesde petite échelle par différentes méthodes qui révèlent laprésence d'ondes d'inertie gravité comme précurseures del'émergence des vortex.Afin de poursuivre nos recherches sur les fronts à l'interface entredeux couches de fluides immiscibles, nous avons développé unenouvelle méthode de détection de la hauteur et de la pente baséesur les lois optiques de la réfraction. Les équations théoriquesassociées sont résolues numériquement et validées à l'aidede plusieurs situations idéalisées.
Mots-clés : Jets Vortex Atmosphere
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Wednesday, May 29, 2019 - 5:03:42 PM
Last modification on : Thursday, July 9, 2020 - 9:43:47 AM

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JOUGLA_2018_archivage.pdf
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  • HAL Id : tel-02143979, version 1

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STAR | LEGI | CNRS | UGA

Citation

Thibault Jougla. On the emergence and evolution of jets and vortices in turbulent planetary atmospheres.. High Energy Astrophysical Phenomena [astro-ph.HE]. University of Saint Andrews, 2018. English. ⟨NNT : 2018GREAU043⟩. ⟨tel-02143979⟩

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