Turbulence Environnementale M2R DET parcours MFE
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- Colette Cloutier
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1 Turbulence Environnementale M2R DET parcours MFE Frédéric MOULIN Maître de conférence UPS / IMFT fmoulin@imft.fr Turbulence environnementale Coordonnées Frédéric MOULIN Maître de conférence UPS IMFT, groupe Ondes,Turbulence,Environnement ( 31/12/2015) Organisation du cours 8/9 séances de 1.5h cours proprement dit 1/2 séances de 1.5h de projets bibliographiques 1 examen final (jeudi 28/01/2016) Références P.A. Davidson, Turbulence: An introduction to scientists and engineers, Oxford University Press, 2004 S.A. Thorpe, An introduction to ocean turbulence, Cambridge University Press, 2007 G.K. Vallis, Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics, Cambridge, 2006 Nezu et Nakagawa, Turbulence in open-channel flows Cushman-Roisin, Introduction to Geophysical Fluid Dynamics. Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
2 Turbulence environnementale Plan prévisionnel 1- Introduction : motivation et système terre «fluide» 2- Eléments de turbulence «classique» 3- Eléments de dynamique des fluides géophysiques (GFD) 4- Turbulence avec rotation et stratification 5- Couche limite turbulente (CLA, hydrobiologie) Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Quels écoulements sont concernés? «Environnement»? environnement «naturel» : fluide présent partout (eau, air) champ d application extrêmement vague Hunt 1991 y ajoute même l interaction avec l activité humaine Systèmes concernés Atmosphère, Océans, Mers, Littoral, Estuaires, Rivières, Lacs Caractéristiques principales Très haut nombre de Reynolds turbulent!!! masse volumique variable ondes de gravité (int / ext) multiphysique : méca flu, énergétique, chimie, biologie multiéchelles : du mm au millier de km Enjeux? Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
3 Quels écoulements sont concernés? Photography : S. Teissier GEOS-10 Jul Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Pourquoi un cours de «turbulence environnementale»? Rôle de la turbulence en méca flu environnementale domine les processus physiques de transport de quantité de mouvement, de chaleur et de masse (flux turbulents) rôle déterminant dans les enjeux discutés précédemment nécessité d une paramétrisation adéquate de la turbulence et de ses effets aux petites échelles dans des simulations à plus grande échelle (DNS impossibles compte-tenu des Re ) Objectifs du cours revoir/comprendre les mécanismes de base de la turbulence comprendre comment les spécificités des écoulements environnementaux (rotation, stratification, topologie complexe) viennent modifier les visions «classiques» de la turbulence savoir estimer les quantités et/ou grandeurs turbulentes pouvoir comprendre la littérature scientifique du domaine Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
4 Forçage solaire et bilan net océan et atmosphère Bilan annuel des flux de chaleur Dynamique? Turbulence? Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Nécessité d un transport des pôles vers l équateur E solaire incidente atm. top E solaire absorbée par atmosph. IR énergie renvoyée par atmosph. Flux d énergie (en Petawatts!!!) horizontaux nécessaires pour équilibrer le bilan de chaleur, avec répartition océans (haut) et atmosphère (bas). Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
5 Circulation globale atmosphérique induite par le forçage solaire Malardel Moyenne zonale et verticale annuelle ou saisonnière (hiver DJF, été JJA) Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Structure verticale de l atmosphère Stratosphère : très stratifiée, peu mélangée. Tropopause : frontière stratosphère/troposphère. En moyenne à 10 km d altitude (6-8 km pôles, km équateur) Troposphère : 90% de la masse, 100% de l humidité (chaleur latente), très mélangée, en contact avec la surface par la couche limite atmosphérique (CLA) qui détermine les flux de chaleur, masse et qdm à l interface atmosphère / océans ou terre. Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
6 Structures dans l atmosphère : échelles spatio-temporelles > semaine, mois, km : Circulation de Hadley, moussons Jour, 1000 km : Cyclones, anticyclones, dépressions, ondes équatoriales, instabilité barocline (GFD, Météorologie dynamique) Heures, jour, km : Echelles régionales (topographie, vents), ondes de relief, ondes internes de gravité, pas de rotation (ou bien effet limité) Minute, heure, jour, 1 km : Panache thermique, orage Seconde, minute, 1mm-100m : Turbulence de couche limite atmosphérique (CLA) Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Structures dans l atmosphère : échelles spatio-temporelles Echelles macro, méso et micro Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
7 Forçage par le vent de la circulation océanique Frottement en surface associé à la circulation atmosphérique zonale Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Circulation à grande échelle induit par le forçage atmosphérique Vallis p584 Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
8 Circulation d un océan (gyre) : modèle de Stommel-Munk Vallis p593 Amérique du nord Europe, Afrique Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin Vallis p585 Circulation d un océan (gyre) : système réel et simulé Gulf stream vue par MODIS Turbulence Environnementale : Introduction F. Moulin
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12,999,976 km 9,136,765 km 1,276,765 km 499,892 km 245,066 km 112,907 km 36,765 km 24,159 km 7899 km 2408 km 76 km 12 14 16 1 12 7 3 1 6 2 5 4 3 11 9 10 8 18 20 21 22 23 24 26 28 30
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