Experimental and numerical study of Jupiter’s dynamics : jets, vortices and zonostrophic turbulence

Cette thèse vise à modéliser certains aspects de la dynamique des fluides à l’œuvre sur Jupiter. Notre étude est axée autour de trois dispositifs expérimentaux en rotation, de simulations numériques idéalisées et d'analyses théoriques. L'objectif est de mieux comprendre les processus fondamentaux qui gouvernent la dynamique de la géante gazeuse, et ainsi compléter les observations spatiales et modèles numériques globaux. En premier lieu, nous étudions les grands vortex Joviens. En tirant profit de leur état de quasi-équilibre, nous montrons que les anticyclones des moyennes latitudes sont superficiels et restreints à l'atmosphère de la géante gazeuse. Nous étudions ensuite les puissants vents est-ouest de Jupiter appelés jets zonaux. Nous avons mis en place un dispositif expérimental capable de reproduire l'émergence spontanée de jets zonaux intenses au sein d'un écoulement turbulent en rotation rapide, soumis à un effet beta topographique. Nous démontrons le rôle primordial des ondes de Rossby dans la formation et la saturation non-linéaire des jets, au travers d'une transition entre deux régimes accompagnée de bistabilité. Nous étudions les propriétés de l'écoulement turbulent obtenu dans le régime le plus extrême, pertinent pour les géantes gazeuses, et nous interrogeons sa stabilité à long terme. Enfin, la sonde Juno a récemment révélé la présence de cyclones organisés en polygones autour des pôles de Jupiter. Nous proposons des expériences préliminaires visant à modéliser la migration et l’interaction des cyclones aux hautes latitudes. L'ensemble des résultats présentés se veut générique, et applicable à tout système fluide soumis à des effets physiques analoguesThis thesis aims at modeling selected aspects of Jupiter's fluid dynamics. The present work relies on three rotating experimental setups, complemented by idealized numerical simulations and theoretical analyses. The goal is to better understand the fundamental physical processes governing the dynamics of the gas giant, thereby completing global scale simulations and observations of Jupiter. First, we focus on large-scale Jovian vortices. By taking advantage of their quasi-equilibrium state in a rotating stratified shear flow, we show that midlatitude anticyclones are very shallow structures, confined near the weather layer. Second, we study the strong and deep east-west winds responsible for the banded aspect of Jupiter, the so-called zonal jets. We design a setup where dominant zonal flows emerge spontaneously from a rapidly-rotating turbulent flow with a topographic beta-effect. Our experiments demonstrate the essential role of Rossby waves in the emergence and nonlinear saturation of the jets through a transition between two regimes involving bistability. We study the inhomogeneous and anisotropic properties of the associated turbulent flow in an extreme regime, relevant to the gas giants. We additionally investigate its long-term behavior, characterized by multistability. Finally, the Juno mission recently revealed the presence of polygonal clusters of cyclones at the poles of Jupiter. We propose preliminary experiments to study the poleward drift and the interaction of cyclones at high latitudes. The present work aims at being generic and applicable to other fluid systems subject to analogous physical effect