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Theses Year : 2008

Atmospheric transport and waves in superrotating atmospheres

Transport atmosphérique et ondes dans les atmosphères en superrotation

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Abstract

This study deals with the understanding of the superrotation dynamical mecanism which takes place in the atmospheres of Venus and Titan (Saturn's satellite). It is caracterised by a faster rotation of the atmosphere compared with the rotation of the "planet". This dynamical phenomenon, peculiar to slow rotating "telluric bodies", is a preferential subject to study atmospheric transport mecanisms. The goal is to understand and to constrain dynamical processes which maintain superrotation by studying particularly the transport of angular momentum (and tracers) by the mean meridional circulation and waves. The study uses the 2D-Circulation Model of Titan (coupled dynamical-chemical-microphysical model), and the 3D General Circulation Model (GCM) of Vénus, under development in the Laboratory of Dynamic Meteorology (LMD). Recent results given by Cassini-Huygens and Venus Express space missions have been used for the validation of modelised dynamical mecanisms.

First, I have validated the meridional criculation in Titan model, by comparison between observations and modelised chemical distributions, for which dynamical transport has a key role. This meridional circulation allows to validate dynamical mecanisms responsible for the superrotation in the model, and to interpret observations in terms of thermal, dynamical and chemical structures.

Moreover, analysis tools that I have developped for the Venus GCM allow, firstly to describe transport mecanisms (of angular momentum and passive tracers) by mean meridional circulation and waves, and secontly to give the mean caracteristics of waves (Eliassen Palm diagnostics, spectral analysis, etc.). Thanks to these tools, my PhD study shows that the modelised mean meridional circulation transport angular momentum upward in equatorial regions and poleward in the upper branch of the Hadley cells. Barotropic instabilities in high latitudes interact with the global mean flow that creates planetary scale waves which bring back angular momentum to the equator. In the model, it is the high frequency waves, and in particular the famous 4-5 terrestrial earth period waves observed in Venus clouds, that mostly contribute to the latitudinal transport, thus allowing to maintain the equatorial superrotation in the model.
Ce travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme dynamique de superrotation qui se produit dans les atmosphères de Vénus et Titan (satellite de Saturne), c'est à dire une rotation beaucoup plus rapide de l'atmosphère que celle de la "planète" solide. Ce phénomène dynamique, propre aux "corps telluriques" en rotation lente, est un sujet d'étude privilégié pour l'étude des mécanismes de transport atmosphérique. L'objectif est de comprendre et de contraindre les processus dynamiques qui entretiennent la superrotation en étudiant plus particulièrement le transport de moment cinétique (et de traceurs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes. L'étude utilise le modèle 2D de circulation de Titan (modèle couplé dynamique-chimique-microphysique), et le modèle 3D de Vénus, encore en cours de développement au LMD. Les résultats récents fournis par les missions spatiales Cassini-Huygens et Venus Express ont servi à la validation des mécanismes dynamiques modélisés.

Dans un premier temps, j'ai validé la circulation méridienne dans le modèle Titan, en comparant les observations et les distributions des composés chimiques modélisés, pour lesquels le transport joue un rôle déterminant. Cette circulation méridienne permet de valider les mécanismes dynamiques à l'origine de la superrotation dans le modèle, et d'interpréter les observations en terme de structures thermique, dynamique et chimique.

En outre, les outils d'analyse que j'ai dévéloppés pour le modèle Vénus permettent d'une part de décrire les mécanismes de transport (de moment cinétique et de traceurs passifs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes, et d'autre part de donner les principales caractéristiques de ces ondes (diagnostique des flux d'Eliassen Palm, analyse spectrale, etc.).
Grâce à ces outils, mon travail de thèse montre que la circulation méridienne moyenne modélisée transporte le moment cinétique en altitude dans les régions équatoriales et vers les pôles au niveau de la branche supérieure des cellules de Hadley. Les instabilités barotropes des hautes latitudes interagissent avec l'écoulement moyen et créent des ondes de grande échelle qui vont ramener le moment cinétique vers l'équateur. Dans le modèle, ce sont les ondes de hautes fréquences, et en particulier les fameuses ondes à 4-5 jours terrestres observées au niveau des nuages, qui contribuent le plus à ce transport latitudinal, permettant ainsi de maintenir la superrotation équatoriale dans le modèle.
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these_Crespin_Audrey_janv09.pdf (16.34 Mo) Télécharger le fichier

Dates and versions

tel-00410181 , version 1 (18-08-2009)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00410181 , version 1

Cite

Audrey Crespin. Transport atmosphérique et ondes dans les atmosphères en superrotation. Physique [physics]. Ecole Polytechnique X, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00410181⟩
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