application à la tache rouge de Jupiter.

Forme et persistance d’un vortex dans un fluide stratifié tournant :
application à la tache rouge de Jupiter.
Sujet de stage de recherche niveau M2 en mécanique des fluides, pouvant se poursuivre par une thèse.
Laboratoire d’accueil : Equipe écoulements tournants et géophysiques, Institut de Recherche sur les
Phénomènes Hors Equilibre, Marseille (https://www.irphe.univ-mrs.fr/)
Responsables : Michael Le Bars et Patrice Le Gal
Contact : [email protected] et 04 96 13 97 81
L'atmosphère externe de Jupiter est animée de mouvements fluides particulièrement complexes et
fascinants : aux bandes alternées de forts vents zonaux se superposent des tempêtes et turbulences locales,
parmi lesquelles la fameuse tache rouge, observée depuis le 17ème siècle (figure 1a). L’objectif du projet
proposé ici est de comprendre l’organisation tridimensionnelle de la tache rouge et d’expliquer comment une
telle structure anticyclonique gigantesque peut se maintenir sur des durées de temps aussi longues au sein d’un
milieu turbulent en rotation rapide. Nous proposons d’étudier ce problème en collaboration avec le groupe
« Computational Fluid Dynamics » de P. Marcus à U.C. Berkeley, ce qui nous permettra de combiner les
approches expérimentales à l’IRPHE et numériques à Berkeley.
Une compréhension globale de l'atmosphère de Jupiter demande d’aborder simultanément des
problèmes d’origine hydrodynamique, thermique, thermodynamique, etc. La complexité du système est telle
qu’aujourd’hui encore, aucune théorie extensive de la dynamique régissant l'atmosphère jovienne n'a été
développée. Notre méthode d’approche en mécanique des fluides géophysiques consiste donc dans un premier
temps à simplifier le système au maximum, en ne gardant que les ingrédients fondamentaux, à savoir pour une
atmosphère planétaire la rotation et la stratification en densité. Ces deux ingrédients ont des effets antagonistes
sur les écoulements générés, la rotation tendant à uniformiser l’écoulement le long de l’axe de rotation, et la
stratification à limiter les mouvements le long du gradient de densité. La stabilité des tourbillons en milieu
tournant est aujourd’hui relativement bien connue, et la dynamique des tourbillons en milieu stratifié fait
l’objet de plus en plus d’études, dont le résultat principal est que, en milieu stratifié, les vortex allongés le long
de la direction du gradient sont instables et les structures stables prennent une forme aplatie caractéristique
dite de pancake, comme le montrent nos premiers essais (figures 1b et 1c).
Nous proposons donc d’étudier expérimentalement la forme et l’évolution d’un vortex pancake
en milieu stratifié tournant. Pour ce faire, nous allons embarquer en rotation à une vitesse angulaire Ω
contrôlée une cuve rectangulaire transparente dans laquelle nous allons réaliser une stratification linéaire en
eau salée de fréquence de Brunt-Väisälä N fixée. Nous viendrons ensuite créer un tourbillon local de type
« pancake » par injection d’un faible volume de fluide à densité moyenne. Nous mesurerons alors, dans le
référentiel de la table tournante, l’évolution temporelle de son rapport d’aspect et des vitesses engendrées, en
faisant varier systématiquement les différents paramètres de contrôle (Ω, N, volume et vitesse d’injection).
Les lois d’échelles ainsi obtenues seront comparées au modèle analytique développé par P. Marcus et aux
résultats numériques obtenus par son groupe, avant d’être étendues au cas de Jupiter.
Figure 1 : (a) surface de Jupiter (crédits NASA/JPL) ; (b) vue de dessus et (c) vue de côté
d’un vortex pancake typique des milieux stratifiés tournants visualisé par fluorescéine.