Résumé :
De nombreux écoulements naturels sont engendrés par l’interaction entre des gradients internes de densité et le champ de gravité. Une question centrale consiste à déterminer le transport turbulent qui en résulte.
Dans un premier chapitre, nous nous intéresserons au transport turbulent engendré par convection thermique. Si la croyance dominante est que les propriétés de transport turbulent sont asymptotiquement indépendantes des diffusivités moléculaires du fluide, ce régime dit ‘ultime’ semble difficile à mettre en évidence dans les expériences historiques de laboratoire (dispositif de Rayleigh-Bénard). Nous introduirons un dispositif de convection par chauffage radiatif, dans lequel un fluide est chauffé en volume au voisinage de la paroi inférieure. Nous montrerons comment ce dispositif conduit naturellement à l’observation du régime ultime de convection thermique en laboratoire. Nous décrirons ensuite l’ajout d’une rotation globale à ce dispositif expérimental, ingrédient important des écoulements naturels. Nous montrerons comment on peut alors observer le régime ultime de convection en rotation rapide, dit régime de ‘turbulence géostrophique’.
Dans un second chapitre, nous considérerons l’écoulement turbulent engendré dans les océans et atmosphères planétaires par le chauffage différentiel entre l’équateur et les pôles. Nous partirons du modèle à deux couches de fluide proposé par Phillips en 1954, pour lequel nous présenterons la première théorie quantitative du transport turbulent en fonction du coefficient de friction. Nous étendrons ensuite cette théorie au plan beta, avant d’illustrer sa validité dans le cas pleinement tridimensionnel.
Mots-clés :
Turbulent heat transport from the laboratory to the climate system
Abstract:
Many natural flows stem from the interplay between internal density gradients and gravity, and a central question is the determination of the resulting turbulent transport.
In a first chapter we address the turbulent transport induced by thermal convection. The widespread belief is that the transport properties of the flow should be independent of the tiny molecular diffusivities for asymptotically strong driving, but the associated ‘ultimate’ scaling regime proves challenging to observe experimentally using standard convection cells (Rayleigh-Bénard geometry). We thus introduced an alternate experimental setup where convection is driven radiatively, with internal heating over a small region near the bottom boundary. This setup naturally leads to the ultimate regime of thermal convection. I will then discuss how one can add global rotation to this experimental setup and observe the diffusivity-free regime of rapidly rotating turbulent convection, also known as the ‘geostrophic turbulence’ scaling regime.
In a second chapter we consider the turbulent flows induced in planetary atmospheres and oceans by the differential heating between the equator and the poles. Going back to the canonical two-layer model put forward by Phillips in 1954, we derive the first quantitative scaling theory for the dependence of the turbulent heat flux on bottom friction. We then extend the theory to the beta plane, before illustrating its predictive skill in the fully three-dimensional case.
Keywords :
