Modélisation de la dynamique atmosphérique de la stratosphère de Saturne

Modelling the atmospheric dynamics of Saturn's stratosphere

• Auteur / Autrice : Déborah Bardet
• Direction : Aymeric Spiga, Sandrine Guerlet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 20/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : François Lott
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriella Gilli, Itziar Garate Lopez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibault Cavalié, Peter L. Read

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Stratosphère

Dynamique des fluides

Saturne (planète) -- Atmosphère

Mots clés libres

Saturne

Dynamique atmosphérique

Oscillation équatoriale stratosphérique

Saturn

Atmospheric dynamics

Stratopsheric equatorial oscillation

Résumé

L'atmosphère de Saturne révèle des jets en bande alternés, des épisodes de convection intenses, une oscillation équatoriale stratosphérique de température ainsi que des variations thermiques et chimiques suggérant un transport méridien de grande échelle. Néanmoins, sa dynamique globale reste mal connue car peu d'études d'interactions multi-échelles abordent l'émergence de tels phénomènes. Dans cette thèse, un point de vue de mécanique des fluides géophysiques permet d'interpréter les observations astrophysiques à l'aide d'un modèle de climat global. Les premières simulations reproduisent des jets en bande alternés dans la troposphère respectant un régime zonostrophique ainsi qu'une oscillation équatoriale de température et de vent résultante d'interaction entre les ondes d'échelle planétaire et l'écoulement moyen. Ces simulations échouent à stabiliser la périodicité de l'oscillation et sont défavorables au forçage vers l'est. Avec l'augmentation de la résolution verticale, la phase vers l'est s'est renforcée et la périodicité s'est stabilisé grâce à une circulation inter-hémisphérique saisonnière en inter-connexion avec le changement de phase de l'oscillation. La branche descendante de cette circulation est située sous l'ombre des anneaux et permet une accumulation de chaleur aux tropiques, rappelant les observations. L'implémentation d'une paramétrisation stochastique d'ondes de gravité non-orographiques dans le modèle indique que leur rôle dans le forçage de l'oscillation équatoriale modélisée de Saturne semble moindre par rapport au rôle du cycle saisonnier à travers la circulation inter-hémisphérique.

Saturn's atmosphere reveals alternating band jets, intense convection episodes, a stratospheric equatorial temperature oscillation as well as thermal and chemical variations suggesting large-scale meridional transport. Nevertheless, its global dynamics remain poorly understood as few multi-scale interaction studies address the emergence of such phenomena. In this thesis, a geophysical fluid mechanics perspective is used to interpret astrophysical observations using a global climate model. The first simulations reproduce alternating band jets in the troposphere respecting a zonostrophic regime as well as an equatorial oscillation of temperature and wind resulting from the interaction between planetary scale waves and the mean flow. These simulations fail to stabilise the periodicity of the oscillation and are unfavourable to eastward forcing. With increasing vertical resolution, the eastward phase has strengthened and the periodicity has stabilised due to a seasonal inter-hemispheric circulation that is inter-connected with the phase change of the oscillation. The downward branch of this circulation is located under the shadow of the rings and allows for heat accumulation in the tropics, reminiscent of observations. The implementation of a stochastic parameterisation of non-orographic gravity waves in the model indicates that their role in forcing Saturn's modelled equatorial oscillation appears to be less than the role of the seasonal cycle through the inter-hemispheric circulation.