Forçage harmonique d'écoulements en rotation : vents zonaux, ondes inertielles et instabilités.

par Alban Sauret

Thèse de doctorat en Mécanique et Physique des Fluides

Sous la direction de Stéphane Le Dizès et de Michael Le Bars.

Le président du jury était Julian Scott.

Les rapporteurs étaient Frédéric Moisy.


  • Résumé

    Une grande quantité d'énergie est présente dans les mouvements de rotations propre et orbitale des planètes. Des forçages harmoniques tels que les déformations de marées, la précession ou la libration peuvent en convertir une partie pour générer des écoulements dans les couches fluides d'une planète. Ces écoulements restent largement méconnus même s'ils sont importants pour contraindre des modèles d'intérieur planétaire ou expliquer la présence de champs magnétiques dans certains astres.Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes engendrés par ces forçages en combinant une approche théorique, expérimentale et numérique et soulignons la généricité des phénomènes observés. L'étude d'un forçage de libration longitudinale, i.e. des oscillations de la vitesse de rotation d'un astre, montre la présence d'un écoulement zonal généré par des interactions non-linéaires dans les couches visqueuses. Nous étudions ensuite l'instabilité qui apparaît à la paroi pour des amplitudes de libration suffisantes et qui peut transférer de l'énergie vers le volume du fluide. Finalement, une étude expérimentale de forçage de marées dans une sphère met en évidence que l'excitation directe d'ondes inertielles induit un écoulement zonal intense et localisé. Cet écoulement peut se déstabiliser par une instabilité de cisaillement et générer un écoulement turbulent dans tout le volume.Pour finir, nous considérons la pertinence de ces résultats pour des applications géo-/astrophysiques, telles que l'étude des océans internes sous la surface de glace des satellites joviens Ganymède, Encelade et Europe.


  • Résumé

    A huge amount of energy is stored in the spin and orbital motions of any planet. Harmonic forcings such as libration, precession and tides are capable of conveying a portion of this energy to drive intense three-dimensional flows in liquid layers of planetary bodies. The generated flows remain largely unknown even if they are important to constraint model of planetary interior or to explain the presence of magnetic fields in some astrophysical bodies.In this thesis, we study the mechanisms induced by these forcings by combining theoretical, experimental and numerical approaches and we highlight the genericity of the observed phenomena. The study of a longitudinal libration forcing, corresponding to oscillations of the rotation rate of a planet, shows the presence of a mean zonal flow generated by non-linear interactions in the viscous layers. We then study the instability which appears at the outer boundary at sufficiently large libration amplitude or small Ekman number and which can transfer energy to the bulk of the fluid. Finally, an experimental study of tidal forcing in a sphere shows that the nonlinear self-interaction of excited inertial waves may drive an intense and localised axisymmetric jet, which becomes unstable at low Ekman number following a shear instability, generating space-filling turbulence.To conclude, we consider the relevance of these results to geo-/astrophysical applications, such as the subsurface oceans of the icy satellites Ganymede, Enceladus or Europa.


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