Modélisation du climat et maximisation de la production d'entropie

par Vincent Labarre

Projet de thèse en Océan, atmosphère, climat et observations spatiales

Sous la direction de Didier Paillard et de Bérengère Dubrulle.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris) , en partenariat avec LSCE - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (laboratoire) , CLIM (equipe de recherche) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    L'approche habituellement utilisée pour représenter l'évolution du système climatique s'appuie sur des équations d'évolution, basées notamment sur la mécanique des fluides océanique et atmosphérique. Dans le cadre de cette thèse nous développerons une approche nouvelle, à l'interface entre la climatologie et la mécanique statistique. En effet, une difficulté majeure provient de la nature turbulente des mouvements à différentes échelles spatio-temporelles et de la nature chaotique des solutions. Des travaux récents ont démontré qu'un point de vue 'thermodynamique' issu d'une maximisation de la production d'entropie était pertinent pour représenter certaines grandes structures du système climatique. Ceci a débouché sur la mise au point d'un modèle tri- dimensionnel capable de prédire des champs de température en bon accord qualitatif avec les observations. L'objectif de cette thèse sera d'aller plus loin dans cette direction. Pour cela, il sera nécessaire de complexifier ce modèle afin de représenter explicitement la circulation atmosphérique ou océanique, mais aussi le cycle de l'eau. Un second volet de cette thèse sera d'examiner comment le 'principe' de maximisation de la production d'entropie peut s'interpréter en terme de procédure statistique sur la dynamique d'un modèle simplifié. Il a été montré sur des exemples que le maximum de production d'entropie thermodynamique (MEP) coïncide avec le maximum d'entropie de Kolmogorov-Sinaï. Il reste à démontrer que la maximisation de l'entropie de Kolmogorov-Sinai - naturelle dès lors que l'on considère non plus l'espace des phase mais l'espace des chemins entre différents états - est un principe adéquat pour selectionner les états stationnaires d'un système hors-équilibre tel que le climat.

  • Titre traduit

    Climate modeling and maximizing entropy production


  • Résumé

    The traditionnal approach to represent the climatic system is based on differential equations coming in particular from the dynamics of the ocean and atmosphere fluids. Within this thesis, we will develop a new approach, between climatology and statistical mechanics. Indeed, a major difficulty comes from the turbulent nature of the resulting motions at different spatio-temporal scales, and from the chaotic nature of the solutions. Recent results have shown that a thermodynamical point of view, based on maximizing the entropy production, was relevant to represent major large features of the climate system. This led to the setup of a tri-dimensional model, able to simulate temperatures with a reasonably good qualitative agreement with observations. The goal of this thesis will be to go further in this direction, through the addition of an explicit representation of the atmospheric and oceanic circulation, as well as the hydrological cycle. A second part will be to examine how this maximum entropy production (MEP) 'principle' can be understood in terms of a statistical procedure on the dynamics of a simplified model. It was shown on examples that MEP coincide with the maximisation of Kolmogorov-Sinaï entropy. It remains to be shown that maximisation of Kolmogorov-Sinaï entropy - a natural choice when considering no more the traditional phase space of all states, but the space of paths between these states - is an adequate principle to select the stationnary states of an out-of equilibrium system like climate.