Vents zonaux dans les fluides en rotation

par Sylvie Su

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Philippe Cardin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de comprendre comment se forment les mouvements axisymmétriques longitudinaux (vents zonaux) présents dans les atmosphères, les océans, les zones convectives des étoiles et les noyaux planétaires comme ceux, célèbres, observés à la surface de Jupiter. Nous savons qu'ils résultent du couplage non linéaire des mouvements de convection thermique qui forment des cyclones et antycyclones dans la couche fluide. Nous voudrions déterminer le mécanisme de mise en place de ces mouvements zonaux, comprendre leur mise en place sous forme de bandes zonales alternées, déterminer l'amplitude des vitesses dans les bandes et leur nombre. Nous construisons une expérience nommée ZoRo (pour Zonal flows in Rotating fluids) pour étudier en laboratoire, la formation et la saturation des vents zonaux. Nous mettons du gaz dans une sphère en rotation rapide (3000 tours/min) qui est réchauffé en surface. Nous utilisons la force centrifuge comme « gravité » pour engendrer des mouvements de convection thermique qui, lorsqu'ils deviennent turbulents, engendrent des vents zonaux. Vents zonaux dont nous voulons décrire l'organisation spatiale et les amplitudes. Nous voulons sonder ces mouvements à l'aide d'une méthode acoustique que nous développons au sein du laboratoire (HC Nataf et Ph. Roux). Il s'agit d'utiliser les modes propres acoustiques de la cavité et de mesurer leurs perturbations par les vents zonaux en s'inspirant des techniques développées en héliosismologie. Cette expérience sera accompagnée de calculs numériques au sein de l'équipe Géodynamo (N. Schaeffer) qui permettront d'aller explorer des régimes inaccessibles par l'expérience (gravité sphérique par exemple, variation des paramètres physiques) tout en s'appuyant sur l'expérience pour reproduire la turbulence en rotation rapide peu accessible numériquement. Ces deux éclairages devraient nous permettre de valider et d'étendre une théorie, dite du mélange de vorticité potentielle, qui permettrait d'expliquer et de prédire la formation des vents zonaux. Nous appliquerons alors nos résultats aux situations planétaires et en particulier aux noyaux planétaires où ces mouvements zonaux sont souvent invoqués pour expliquer l'effet dynamo.

  • Titre traduit

    Zonal flow in rotating fluids


  • Résumé

    Space exploration of the solar system has revealed the fascinating wealth of atmospheric features in giant planets. Bands of strong zonal winds blowing in alternate directions are a major element, which appears to control much of the shorter-scale dynamics. Evidence of a similar alternating zonal jet structure has been observed in the oceans. Inside the Sun, zonal motions have been discovered and mapped by helioseismologists. It has now been shown that these motions play a major role in shaping the magnetic field of our star, at the origin of some of its most spectacular manifestations like coronal ejections. In the Earth's core, a particular type of zonal motions called torsional oscillations has been recently discovered. The period of these oscillations brings unique constraints on the intensity of the magnetic field wrapped inside the core. While it is well understood that zonal flows form a preferential family of motions in a rotating fluid because they are the only motions that satisfy the geostrophic constraint, it is not yet clear what governs the formation and the saturation of zonal flows. In planetary fluid cores, it is believed that zonal flows result from vigorous convective mixing of the potential vorticity carried by fluid columns aligned with the rotation axis by the Coriolis effect (Taylor-Proudman columns). Thermal convective radial motions in a rapidly rotating planet are set up to transport heat outward and their non linear interactions produce large persistent azimuthal alternating jets, which, paradoxically, inhibit the radial transport of heat by strongly shearing the convective cells. We propose to build a novel set-up of thermal convection in a rotating sphere using gas as a working fluid. The goal is to produce very vigorous deep thermal convection at very low Ekman number (E<10-7) for moderate or low Prandtl number (<1) and measure the resulting zonal geostrophic flows. This is an experimental challenge, as we need to describe the motions in a 50cm-diameter sphere rotating at 80 Hz to get into this strongly rotating regime. An important challenge of this new experiment is to get a quantitative measure of the zonal flow in the extreme conditions (high rotation rate, temperature variations, turbulence) where the classical methods reach their technical limits. We therefore propose to develop a new instrumental approach based upon global acoustic modes, following strategies first developed in seismology and helioseismology. Acoustic modes show up as a discrete suite of narrow peaks in pressure or velocity spectra. Each peak corresponds to a single radial and angular wave number, but the frequencies are degenerated in a spherically symmetric cavity. Deviations from spherical symmetry, such as zonal flows, split the peaks.