Modèle de laboratoire

By février 14, 2019Non classé

Le fort jet est-ouest coule sur les géants du gaz, Jupiter1 et Saturn2, ont persisté pendant des centaines d`années. Pourtant, les études expérimentales ne peuvent pas atteindre le régime planétaire et des jets aussi forts et quasi stables ont été reproduits dans des modèles numériques seulement en simplifiant les hypothèses et les limitations. Deux modèles ont été proposés: un modèle peu profond où les jets sont confinés à la couche météorologique et un modèle profond où les jets s`étendent dans l`enveloppe moléculaire planétaire. Nous montrons ici que les flux de laboratoire turbulents génèrent naturellement de multiples jets alternés dans un récipient cylindrique tournant rapidement. Les propriétés observées des jets des géants du gaz ne sont maintenant reproduites que dans une expérience de laboratoire imitant le modèle profond. Nos résultats démontrent que les jets de longue durée peuvent persister aux latitudes élevées, même dans des conditions telles que la dissipation visqueuse et la friction, et qu`ils sont pertinents pour le débat sur les modèles peu profonds et profonds dans le contexte du Juno mission3 en cours. Une partie du défi expérimental consistait à conduire l`ensemble de l`appareil, contenant 400 l d`eau, à une vitesse de rotation de Ω = 75 tr/min afin de réduire le plus bas possible les nombres Ekman et Rossby d`un écoulement turbulent développé. Le nombre de Rossby est le rapport des forces inertielles à Coriolis définies comme RO = Your. m.

s. T/2Ωho, où nous utilisons votre. m. s. T la vitesse totale efficace comme la vitesse de l`échelle du système caractéristique et Ho la profondeur de la couche de fluide au repos. Pour maintenir simultanément un grand nombre de Reynolds, défini comme re = Your. m. s. Tho/ν avec ν étant la viscosité cinématique, et un nombre faible de Rossby, on doit tourner rapidement le système pour que Coriolis domine sur les forces inertielles. Le ratio entre les nombres Rossby et Reynolds conduit au nombre Ekman E = ν/2Ωho2.

Notre expérience de couche profonde en rotation rapide réduit fortement ce nombre d`Ekman à des valeurs qui sont presque irréalisables pour les simulations numériques directes 3D. Le nombre Ekman semble être crucial pour enquêter sur les mécanismes de saturation des jets. Un autre paramètre non dimensionnel est le rapport d`aspect dynamique des jets que nous définissons comme η = Ho/LRh, avec LRh étant la largeur typique des jets. Ce paramètre compare les échelles de longueur caractéristique verticale (Ho) et horizontale (LRh), en définissant si les jets se développent ou non dans un domaine «superficiel» ou «profond». Dans la limite de η → 0, le système tend à être 2D car l`échelle horizontale est beaucoup plus grande que la profondeur de jet. Les écoulements bidimensionnels empêchent la cascade directe d`énergie et l`énergie cinétique est par conséquent transférée à la structures24 à grande échelle. Ainsi, dans les turbulences de la couche superficielle, la dynamique confine à un système quasi-2D à une valeur finie de η ≪ 1, où la cascade d`énergie haut de gamme est favorisée. Au contraire, dans les modèles à couche profonde, l`échelle de longueur verticale peut dépasser l`échelle de longueur horizontale, conduisant à des structures 3D turbulentes.

En raison de la forte rotation de l`arrière-plan (c`est-à-dire, faible nombre Rossby), cependant, les mouvements à grande échelle sont presque invariants en profondeur et deviennent essentiellement 2D (Ref. 23). Les composants quasi-2D du champ de flux tendent à conduire l`énergie haut de gamme via une cascade dite inverse tandis que les mouvements 3D persistent à des échelles plus petites. Condie, S. A. & rhines, P. B. Un modèle convectif pour les jets zonal dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne.

Nature 367, 711 – 713 (1994). En se concentrant sur les 1 000 premières rotations d`une autre expérience de 75 tr/min, la Fig. 4 montre la largeur évolutive des jets au fil du temps, avec des événements de fusion se produisant typiquement dans les premiers 500 à 600 rotations. Après cela, les jets zonaux fortement énergiques et de longue durée atteignent un état quasi-stable (voir fig. supplémentaire