Convection turbulente en rotation rapide: transport de chaleur et écoulement à grande échelle dans les géométries issues de la géophysique – TILT-HEAT

Omniprésents dans l'univers, les écoulements convectifs turbulents sont cruciaux pour la dynamique interne des étoiles et des planètes (e.g. pour l'effet dynamo), mais également pour les atmosphères et océans (de la Terre et des lunes glacées). La convection de Rayleigh-Bénard en rotation (RRBC) est un paradigme de choix pour l'étude de ces écoulements sous des hypothèses simplificatrices, tout en retenant leur essence: la turbulence, les forces de flottaison, et la rotation globale. Souvent étudié pour sa simplicité, le cas où la rotation et la gravité sont alignées (RRBC "verticale" pour une parcelle de fluide au pôle de la planète) a permis la compréhension et la délimitation des différents régimes de transfert de chaleur pour un écoulement proche de l'équilibre géostrophique (i.e. les forces de pression et de Coriolis dominent). Ces études ont également mis en évidence la formation de structures vorticales aux grandes échelles, résultant de la cascade d'énergie inverse en turbulence géostrophique.

Les études récentes concernant la convection en rotation dans les coquilles sphériques (cf Gastine et Aurnou JFM 2023) rapportent des variations marquées pour le flux de chaleur en fonction de la latitude. Au pôle et à l'équateur, les lois d'échelle mesurées sont correctement reproduites par des modèles locaux dans une géométrie cartésienne. Cette observation constitue une forte motivation pour un généralisation de l'emploi des modèles locaux à des latitudes intermédiaires.

Au coeur de ce projet (WP1 et WP2), nous analyserons la convection dans le cas où la rotation est inclinée par rapport à la gravité, appelé pour cette raison "tilted rotating Rayleigh-Bénard convection". Un axe de rotation incliné représente une sous-région de l'océan ou de l'atmosphère située à une latitude arbitraire. Nous généraliserons à cette géométrie les résultats de la convection tournante "verticale" en identifiant les régimes de transfert de chaleur dans le cas incliné. À l'aide de simulations numériques directes haute-résolution au niveau de l'état de l'art, nous documenterons la morphologie de l'écoulement et la structure des grandes échelles (probablement des jets zonaux) qui se forment par condensation d'énergie.

Comme perspective (WP3), nous complexifierons ce problème déjà riche en incluant une topographie au fond du domaine. Inspiré par les fonds marins, nous déterminerons l'impact d'une dorsale océanique (modélisée comme une déformation unidirectionnelle) sur la convection géostrophique environnante, et plus particulièrement sur la circulation se développant aux grandes échelles. Les résultats de l'étude constitueront la fondation de paramétrisations améliorées pour les modèles globaux de climat ou océaniques.