Soutenance de thèse de Daphné LEMASQUERIER

Jupiter fait partie des planètes les plus dynamiques de notre système solaire, faisant ainsi l’objet d’études dans une variété de disciplines, incluant la planétologie, la météorologie, et la mécanique des fluides. Son atmosphère est cisaillée par des vents est-ouest intenses appelés jets zonaux, au sein desquels coexistent d’immenses vortex, dont la Grande Tache rouge. Aux hautes latitudes, la sonde Juno a révélé la présence de cyclones organisés en polygones autour des pôles. Ces structures à grande échelle, jets et vortex, sont extrêmement robustes, bien qu’elles interagissent avec un intense écoulement turbulent à plus petite échelle. Cette dynamique soulève des questions fondamentales, portant sur les mécanismes qui forcent et dissipent les jets et les vortex, leur auto-organisation en termes d’échelles et d’intensités et leur stabilité. Le couplage entre l'atmosphère superficielle et la dynamique convective profonde de Jupiter est également une question cruciale toujours non résolue. Pour y répondre, les données des missions spatiales sont précieuses, mais elles sont discontinues, restreintes à la couche de nuages, et cumulent une multitude d'effets physiques difficiles à isoler. Des modélisations idéalisées sont nécessaires, et c’est dans ce cadre qu'a été entreprise la présente thèse. Nous conjuguons ainsi des approches expérimentale, numérique et théorique pour mieux comprendre les mécanismes physiques sous-jacents à la dynamique jovienne. Dans un premier temps, dans la continuité de Aubert et al. (2012) et Facchini et al. (2016), nous étudions la forme d’équilibre d'anticyclones au sein d’un écoulement tournant, stratifié et cisaillé reproduisant la situation des vortex de Jupiter aux moyennes latitudes. Ces expériences, complétées par des analyses théorique et numérique, montrent que l'on peut prédire la profondeur des vortex joviens qui est pour l’instant hors de portée des mesures de surface. Ces vortex sont très superficiels, et notre modèle prédit que la Grande Tache rouge a gardé une épaisseur constante malgré sa récente contraction. Dans un second temps, nous avons conçu un dispositif expérimental améliorant celui employé par Cabanes et al. (2017) pour étudier la dynamique des jets zonaux. Nous forçons une turbulence à petite échelle à la base d’une couche d’eau homogène en rotation rapide. La forme paraboloïdale de la surface libre résultant de la rotation génère un effet-beta topographique analogue à la variation de la force de Coriolis avec la latitude à la surface d’une planète. Nous complétons nos expériences par des simulations numériques idéalisées dites quasi-géostrophiques, et nous étudions l’émergence, la saturation non-linéaire et la stabilité à long terme des jets zonaux obtenus. Nous mettons en évidence une transition et une bistabilité entre deux régimes de jets, que nous modélisons par une résonance d’ondes de Rossby advectées par l’écoulement zonal. Cette transition pourrait aider à expliquer l’observation de différents régimes de jets à l'échelle planétaire. Dans le régime obtenu à haute intensité de forçage, nous retrouvons les propriétés de la turbulence dite zonostrophique pertinente pour les géantes gazeuses, et nous montrons que l’état final obtenu fait partie d’un ensemble d’états multistables. Enfin, nous confirmons un effet de suppression du transport turbulent par l’écoulement zonal, qui peut se révéler important dans les modèles de circulation océanique ou atmosphérique où la turbulence est paramétrisée. Dans un troisième temps et en guise d’ouverture, nous présentons des expériences préliminaires permettant d’étudier la dynamique aux pôles. Nous formons plusieurs cyclones simultanément au sein d’une fine couche d’eau douce flottant sur une couche épaisse d’eau salée en rotation. La migration des cyclones sous l’effet-beta couplée à un phénomène de répulsion entre cyclones peut conduire à leur organisation autour du centre de la cuve, analogue au pôle, sans fusionner.

Owing to the multiple processes at play, Jupiter’s intense dynamics draw the interest of scientists from many disciplines, including planetology, meteorology and fluid mechanics. The atmosphere of Jupiter supports strong east-west winds, so-called zonal jets, in which large vortices are embedded; the most striking example being the Great Red Spot. At high latitudes, Juno revealed the presence of cyclones organized in polygonal patterns around the poles. These two types of large-scale structures, jets and vortices, are robust despite their interaction with the intense underlying turbulence. This complex dynamic raises fundamental questions regarding the mechanisms that drive and dissipate jets and vortices, their self-organization in terms of scale and intensity, their feedback on the small-scale turbulence and their stability. How the shallow atmosphere is coupled with the deep convective interior of the planet is also a long-standing issue. Spacecrafts’ observations are important to tackle these questions. However, they are discontinuous, mostly limited in depth at the cloud level, and they result from multiple coexisting physical processes which are difficult to disentangle. The present thesis aims at developing idealized physical modelling to better identify the basic physical mechanisms at play on Jupiter. Firstly, building upon Aubert et al. (2012) and Facchini et al. (2016), we studied the quasi-static equilibrium shape of anticyclones embedded in a rotating and stratified shear flow. These ingredients aim at reproducing the situation of the large-scale vortices embedded in Jupiter’s zonal jets at midlatitudes. By combining experiments, numerical simulations and theoretical analyses, we show that we can predict the depth of Jovian vortices, inaccessible to direct measurements. Jovian vortices are very shallow structures, and our model predicts that the Great Red Spot has kept a constant thickness despite its recent horizontal shrinkage. Secondly, following Cabanes et al. (2017), we built an improved experimental setup to study barotropic zonal jets formation and evolution. We force small-scale turbulent motions at the bottom of a rapidly rotating homogeneous layer of water. Due to rotation, the paraboloidal shape of the free-surface leads to a topographic beta-effect, analogous to the variation of the Coriolis force with latitude at the surface of a planet. We complement these experiments by idealized, quasi-geostrophic numerical simulations. We study the spontaneous emergence, non-linear saturation and long-term stability of the obtained zonal jets. In particular, we identify a transition between two zonal jets regimes, associated with bistability. We model the transition in a quasi-geostrophic framework by a resonance of Rossby waves, due to their advection by the zonal flow. Such transition may help explain the different regimes of jets observed in various planetary flows. In the regime obtained with a strong forcing, we show that the flow shares the properties of the so-called zonostrophic turbulence, relevant to the gas giants, and that the final zonal flow profile is multistable. Finally, we confirm the so-called suppression effect of the zonal flow on the turbulent transport efficiency, which underlines the importance of accounting for the effect of zonal flows on turbulent transport in global oceanic or atmospheric circulation models, where small-scale turbulence must be parametrized. Thirdly, we present preliminary experiments which aim at studying the dynamics of cyclones close to the poles. We generate multiple cyclones in a thin layer of fresh water floating on a deeper denser layer of salt water. Because of the beta-effect, cyclones drift towards the center of the tank, corresponding to the pole. A repelling mechanism between cyclones then allows for their organization around the pole without merging.