Une théorie générale pour la convection diabatique et adiabatique

Pascal Tremblin (CEA Saclay)

Nous présentons un nouveau schéma numérique volume fini pour l'étude des écoulements stratifiés, capable de capturer à la fois des flots à faible Mach et à haut Mach (tout régime) et qui préserve l'équilibre hydrostatique à la précision machine (well-balanced). Le schéma est basé sur une stratégie de "splitting" entre la partie acoustique et la partie transport du système d'Euler et peut Étre mis en ¤uvre selon une approche implicite-explicite pour supprimer la condition de courant trop restrictive tout en restant totalement conservatif (pour la masse, l'énergie et la quantité de mouvement transverse à la gravité). Ce nouveau schéma a été implémenté dans le code "ARK" à l'aide de la bibliothèque Kokkos, qui permet une portabilité de performance sur différentes architectures HPC (CPU, GPU, Manycore).

à l'aide de ce nouveau schéma, nous effectuons des simulations numériques de différentes instabilités de convection et montrons que la présence de termes sources conduit à une nouvelle famille de systèmes instables. En généralisant la théorie de la convection à tout type de termes sources thermiques et compositionnels (processus diabatiques), nous montrons que la convection thermohaline dans les océans de la Terre, la "fingering convection" dans les atmosphères stellaires, la convection humide dans l'atmosphère de la Terre sont tous issus de la mÉme instabilité générale de la convection diabatique. Nous montrons également que la convection déclenchée par la transition CO / CH4 avec transfert radiatif dans lŇatmosphère des naines brunes est un analogue du système convectif humide de la Terre.

La convection diphasique dans les systèmes de refroidissement des centrales nucléaires peut Étre aussi vu dans une certaine limite comme un analogue de la convection humide terrestre. La transition L / T dans le spectre des naines brunes pourrait Étre interprétée comme une crise de refroidissement géante et vue aussi comme un analogue de la crise dŇébullition dans les systèmes diphasiques. Ces transitions violentes peuvent Étre interprétées comme une bifurcation entre le transport convectif diabatique et adiabatique.

Ce mécanisme généralisé à d'autres transitions chimiques devrait Étre présent dans de nombreuses exoplanètes géantes ou rocheuses. L'étude de l'impact de différents paramètres (par exemple température effective, changements de composition, etc.) sur la convection radiative CO / CH4 et la similarité avec la convection humide terrestre ouvre également la possibilité d'utiliser les naines brunes et les simulations numériques 3D de la convection diabatique thermo-compositionnelle comme laboratoire pour mieux comprendre certains aspects de la physique à l'oeuvre dans le climat de notre planète.