Soutenance de thèse de DOREL Valentin
Titre de thèse
Analogues expérimentaux de la convection humide et de la convection pénétrante dans l'atmosphère
Experimental analogues of moist convection and penetrating convection in the atmosphere
Résumé de la thèse
Les mouvements à grande échelle de la partie inférieure de l'atmosphère (la troposphère) sont en partie dus à la convection humide.
Dans ce type de convection, la source de flottabilité est la chaleur latente libérée par la condensation des gouttelettes d'eau.
Ce type de convection est très différent du cas classique de Rayleigh-Bénard : le chauffage est interne et associé à un seuil de saturation.
Des courants ascendants forts et localisés apparaissent alors que les courants descendants sont lents et plus diffus (Pauluis & Schumacher, 2011).
Au dessus de la troposphère se trouve la stratosphère, couche atmosphérique stablement stratifiée. Cette stratification limite les mouvements verticaux et permet la propagation d'ondes internes de gravité dans la stratosphère. Ces ondes transportent de l'énergie et de la quantité de mouvements vers les parties supérieures de la stratosphère, et peuvent interagir non-linéairement pour produire des écoulements grande échelle tels que l'Oscillation Quasi-Biennale. L'interaction entre une couche convective inférieure (la troposphère) et une couche stratifiée supérieure (la stratosphère) est appelée convection pénétrante.
Afin de mieux comprendre les processus physiques clefs de ces dynamiques atmosphériques, nous avons mis en place plusieurs dispositifs expérimentaux. Le premier reproduit une situation de convection pénétrante dans des gaz, atteignant des régimes pertinents pour une application atmosphérique. La couche convective inférieure envahit progressivement la couche stratifiée supérieure. La loi d'échelle décrivant cette croissance observée dans notre expérience diffère de celle des précédentes études de convection pénétrante. Un modèle est développé afin d'expliquer cette différence.
Inspirés par le modèle simplifié de la convection humide développé par Vallis et al. en 2019 et par l'expérience de Krishnamurti (1996), nous avons mis en place un dispositif expérimental reproduisant plusieurs phénomènes caractéristiques de la convection humide, comme le chauffage interne lié à un seuil. L'étude de ces expérience révèle une instabilité convective qui est ensuite étudiée à l'aide d'analyses de stabilité linéaires et de simulations numériques directes. Enfin, nous avons étudié une version simplifié de l'expérience mise en place, générant un seul panache chauffé en volume, dont la dynamique est expliquée à l'aide de simulations numériques et de modèles simples.
Thesis resume
Large-scale movements in the lower atmosphere (the troposphere) are partly due to moist convection.
In this type of convection, the source of buoyancy is the latent heat released by the condensation of water droplets.
This type of convection is very different from the classic Rayleigh-Bénard case: heating is internal and associated with a saturation threshold.
Strong, localized updrafts appear, while downdrafts are slower and more diffuse (Pauluis & Schumacher, 2011).
Above the troposphere lies the stratosphere, a stably stratified atmospheric layer. This stratification limits vertical movements and allows the propagation of internal gravity waves in the stratosphere. These waves carry energy and momentum to the upper stratosphere, and can interact non-linearly to produce large-scale flows such as the Quasi-Biennial Oscillation. The interaction between a lower convective layer (the troposphere) and an upper stratified layer (the stratosphere) is called penetrating convection.
To better understand the key physical processes involved in these atmospheric dynamics, we have set up several experimental devices. The first reproduces a situation of penetrating convection in gases, reaching regimes relevant to an atmospheric application. The lower convective layer progressively invades the upper stratified layer. The scaling law describing this growth observed in our experiment differs from that of previous studies of penetrating convection. A model is developed to explain this difference.
Inspired by the simplified model of moist convection developed by Vallis et al. in 2019 and by the experimental study of Krishnamurti (1996) we set up an experimental setup reproducing several phenomena characteristic of moist convection, such as internal heating related to a threshold. The study of these experiments reveals a convective instability, which is then investigated using linear stability analysis and direct numerical simulations. Finally, we have studied a simplified version of the experiment, generating a single internally heated plume, whose dynamics are explained using numerical simulations and simple models.