Les écoulements géophysiques dans l’océan et l’atmosphère sont caractérisés par : 
des nombres de Reynolds très élevés une stratification en densité l’influence de la rotation terrestre
Notre approche consiste d’une part à utiliser les modèles numériques et théoriques développés depuis de nombreuses années au sein de l’équipe Turbulence et Instabilités pour comprendre la dynamique des écoulements turbulents géophysiques, et d’autre part à tirer profit des observations in situ, qui correspondent à des régimes de turbulence inaccessibles en laboratoire ou dans les simulations numériques, pour tester la validité de nos développements théoriques.
Au cours des dernières années, l’avancée des technologies a rendu possible l’exploration d’environnements extrêmes comme les océans profonds, les atmosphères planétaires, l’héliosphère et le soleil. Grâce à l’évolution du calcul haute performance et aux résolutions sans précédent obtenues par les instruments modernes de détection "in situ" et à la télédétection, la recherche sur la mécanique des fluides appliquée aux écoulements géophysiques joué un rôle indispensable dans la vérification des théories de la turbulence et la confirmation des prévisions de la mécanique statistique. Nous menons une approche synergique qui allie simulations numériques, missions d’observation, expériences de laboratoire et modélisations théoriques. Ceci permet de déboucher sur des applications d’ingénierie présentant des avantages pour la société comme, par exemple le développement de modèles de climat et de météo spatiale à haute résolution, l’amélioration de dispositifs de mesure fondés sur des technologies d’onde sonores et électromagnétiques à usage civil et scientifique (radar, lidar, sondes à ultrasons, satellites de télécommunications).
Les principaux sujets d’investigation de l’équipe "turbulence et instabilités" en mécanique des fluides appliquée aux fluides géophysiques concernent : la modélisation des cascades turbulentes l’intermittence les ondes et les instabilités la paramétrisation du mélange turbulent la convection
Modélisation des cascades turbulentes
L’injection de l’énergie dans les écoulements géophysiques se fait à grande échelle ; le transfert de cette énergie aux petites échelles est un mécanisme fondamental de la turbulence, fortement influencé dans ce contexte par la rotation (cascade inverse) et la stratification (cascade directe). La coexistence de ces deux cascades turbulentes est nécessaire pour clore le bilan énergétique des systèmes géophysiques.
 Article dans J. Plasma Phys. (2021) Local and global properties of energy transfer in models of plasma turbulenceChristian L. Vásconez, D. Perrone, R. Marino, D. Laveder, F. Valentini, S. Servidio, P. Mininni & L. Sorriso-Valvo
The nature of the turbulent energy transfer rate is studied using direct numerical simulations of weakly collisional space plasmas. This is done comparing results obtained from hybrid (...) | |
 Article dans Atmosphere (2021) Correlation between Buoyancy Flux, Dissipation and Potential Vorticity in Rotating Stratified TurbulenceDuane Rosenberg, Annick Pouquet & Raffaele Marino
We study in this paper the correlation between the buoyancy flux, the efficiency of energy dissipation and the linear and nonlinear components of potential vorticity, PV, a point-wise invariant (...) |
 Article dans Earth Space Sci. (2019) Helicity dynamics, inverse, and bidirectional cascades in fluid and magnetohydrodynamic turbulence : a brief reviewA. Pouquet, D. Rosenberg, J.E. Stawarz & R. Marino
We briefly review helicity dynamics, inverse and bidirectional cascades in fluid and magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, with an emphasis on the latter. The energy of a turbulent system, an (...) |
 Article dans J. Fluid Mech. (2019) Asymmetry of vertical buoyancy gradient in stratified turbulenceAndrea Maffioli
We consider the asymmetry of the buoyancy field in the vertical direction in stratified turbulence. While this asymmetry is known, its causes are not well understood, and it has not been (...) |
 Article dans Phys. Fluids (2017) Inverse cascades and resonant triads in rotating and stratified turbulenceD. Oks, P. D. Mininni, R. Marino, and A. Pouquet
Kraichnan’s seminal ideas on inverse cascades yielded new tools to study common phenomena in geophysical turbulent flows. In the atmosphere and the oceans, rotation and stratification result in a (...) |
 Article dans Phys. Fluids (2017) Dual constant-flux energy cascades to both large scales and small scalesA. Pouquet, R. Marino, P. D. Mininni, and D. Rosenberg
In this paper, we present an overview of concepts and data concerning inverse cascades of excitation towards scales larger than the forcing scale in a variety of contexts, from two-dimensional (...) |
 Article dans J. Fluid Mech. (2016) Waves and vortices in the inverse cascade regime of stratified turbulence with or without rotationCorentin Herbert, Raffaele Marino, Duane Rosenberg & Annick Pouquet
We study the partition of energy between waves and vortices in stratified turbulence, with or without rotation, for a variety of parameters, focusing on the behaviour of the waves and vortices in (...) |
Intermittence
La modélisation des écoulements géophysiques est concernée par l’intermittence aussi bien aux grandes échelles via l’interaction ondes-turbulence, qu’aux petites échelles où l’apparition de forts gradients permet la dissipation. Dans ce domaine, l’apport des observations in situ sur de longues séries temporelles est primordial pour valider les prédictions théoriques.
 Article dans Europhys. Lett. (2021) Connecting large-scale velocity and temperature bursts with small-scale intermittency in stratified turbulenceF. Feraco, R. Marino, L. Primavera, A. Pumir, P. D. Mininni, D. Rosenberg, A. Pouquet, R. Foldes, E. Lévêque, E. Camporeale, S. S. Cerri, H. Charuvil Asokan, J. L. Chau, J.-P. Bertoglio, P. Salizzoni & M. Marro
Non-Gaussian statistics of large-scale fields are routinely observed in data from atmospheric and oceanic campaigns and global models. Recent direct numerical simulations (DNSs) showed that (...) |
 Article dans Geophys. Res. Lett. (2021) Radar observation of extreme vertical drafts in the polar summer mesosphereJ. L. Chau, R. Marino, F. Feraco, J. M. Urco, G. Baumgarten, F.-J. Lübken, W. K. Hocking, C. Schult, T. Renkwitz & R. Latteck
The polar summer mesosphere is the Earth’s coldest region, allowing the formation of mesospheric ice clouds. These ice clouds produce strong polar mesospheric summer echoes (PMSE) that are used as (...) |
 Article dans J. Stat. Mech. (2018) Computing return times or return periods with rare event algorithmsThibault Lestang, Francesco Ragone, Charles-Edouard Bréhier, Corentin Herbert & Freddy Bouchet
The average time between two occurrences of the same event, referred to as its return time (or return period), is a useful statistical concept for practical applications. For instance insurances (...) |
 Article dans Atmos. Meas. Tech. (2017) Overview of and first observations from the TILDAE High-Altitude Balloon MissionBennett A. Maruca, Raffaele Marino, David Sundkvist, Niharika H. Godbole, Stephane Constantin, Vincenzo Carbone, and Herb Zimmerman
Though the presence of intermittent turbulence in the stratosphere has been well established, much remains unknown about it. In situ observations of this phenomenon, which have provided the (...) |
 Article dans J. Mar. Res. (2015) Distinguishing turbulent overturns in high-sampling-rate moored thermistor string observationsHans van Haren & Louis Gostiaux
Turbulent overturns are distinguished from salinity-compensated intrusions in high-resolution moored thermistor string observations. The buoyancy frequency N is used to make the time (...) |
 Article dans Dyn. Atmos. Ocean. (2014) Characterizing turbulent overturns in CTD-dataHans van Haren & Louis Gostiaux
We are concerned with the shape of overturns due to irreversible effects of turbulent mixing through internal wave breaking in the ocean. Vertical $(z)$ overturn displacements $(d)$ are computed (...) |
Ondes et instabilités
En présence de rotation et de stratification, le transfert turbulent de l’énergie est influencé par la propagation des ondes. Inversement, l’énergie transportée par les ondes est susceptible d’être transférée à des échelles plus petites par les instabilités. Les mécanismes non-linéaires d’interaction et de génération des ondes ne sont pas encore bien modélisés dans les écoulements géophysiques et nécessitent des avancées au niveau fondamental.
 Article dans J. Fluid Mech. (2019) Particle transport induced by internal wave beam streaming in lateral boundary layersE. Horne, F. Beckebanze, D. Micard, P. Odier, L. R. M. Maas & S. Joubaud
Quantifying the physical mechanisms responsible for the transport of sediments, nutrients and pollutants in the abyssal sea is a long-standing problem, with internal waves regularly invoked as (...) |
 Article dans Wave Motion (2017) Weakly nonlinear propagation of small-wavelength, impulsive acoustic waves in a general atmosphereJ.F. Scott, P. Blanc-Benon, O. Gainville
Multiple-scale asymptotic analysis is applied to small-wavelength, weakly nonlinear propagation of an impulsive acoustic wave in a general (3D, in-motion and time dependent) atmosphere. In (...) |
 Article dans Nature Communications (2016) Generation of internal solitary waves by frontally forced intrusions in geophysical flowsDaniel Bourgault, Peter S. Galbraith, Cédric Chavanne
Internal solitary waves are hump-shaped, large-amplitude waves that are physically analogous to surface waves except that they propagate within the fluid, along density steps that typically (...) |
 Article dans J. Fluid Mech. (2016) Supercritical dead water : effect of nonlinearity and comparison with observationsJohn Grue, Daniel Bourgault, Peter S. Galbraith
Supercritical ship internal wave wakes with $Fr=U/c_0\sim4–12$ (where $U$ is the ship speed and $c_0$ is the linear internal long-wave speed) are calculated by a strongly nonlinear two-layer model (...) |
 Article dans Geophys. Res. Lett. (2015) Where large deep‐ocean waves breakHans van Haren, Andrea Cimatoribus & Louis Gostiaux
Underwater topography like seamounts causes the breaking of large “internal waves” with associated turbulent mixing strongly affecting the redistribution of sediment. Here ocean turbulence is (...) |
 Article dans Geophys. Res. Lett. (2014) Extremely long Kelvin‐Helmholtz billow trains in the Romanche Fracture ZoneHans van Haren, Louis Gostiaux, Eugene Morozov & Roman Tarakanov
In the Atlantic Ocean, the densest water mass Antarctic Bottom Water “AABW” can only cross the Mid‐Atlantic Ridge from its southwestern to northeastern basins in limited, because deep, conduits. At (...) |
Mélange turbulent en géophysique
Le transport turbulent ne pouvant être résolu aux échelles spatiales et temporelles des modèles géophysiques, il est nécessaire de modéliser ces processus de dissipation sous-maille à partir des conditions de rotation et de stratification. A titre d’exemple, la question de l’efficacité de mélange dans les écoulements stratifiés est un des enjeux actuels de l’amélioration des modèles climatiques.
 Article dans Phys. Rev. Fluids (2020) Single-particle Lagrangian statistics from direct numerical simulations of rotating-stratified turbulenceDhawal Buaria, Alain Pumir, Fabio Feraco, Raffaele Marino, Annick Pouquet, Duane Rosenberg & Leonardo Primavera
Geophysical fluid flows are predominantly turbulent and often strongly affected by the Earth’s rotation, as well as by stable density stratification. Using direct numerical simulations of forced (...) | |
 Article dans Europhys. Lett. (2018) Vertical drafts and mixing in stratified turbulence : Sharp transition with Froude numberFabio Feraco, Raffaele Marino, Alain Pumir, Leonardo Primavera, Pablo D. Mininni, Annick Pouquet & Duane Rosenberg
We investigate the large-scale intermittency of vertical velocity and temperature, and the mixing properties of stably stratified turbulent flows using both Lagrangian and Eulerian fields from (...) |
 Article dans J. Fluid Mech. (2018) Scaling laws for mixing and dissipation in unforced rotating stratified turbulenceAnnick Pouquet, Duane Rosenberg, Raffaele Marino and Corentin Herbert
We present a model for the scaling of mixing in weakly rotating stratified flows characterized by their Rossby, Froude and Reynolds numbers , $Ro$, $Fr$, $Re$. This model is based on (...) |
 Article dans J. Mar. Res. (2016) Convective mixing by internal waves in the Puerto Rico TrenchHans van Haren & Louis Gostiaux
A 2.4 km long deep-sea mooring was deployed for 14 months in the Puerto Rico Trench, the deepest part of the Atlantic Ocean. Below its top buoyancy package, the mooring line held a 200 m long (...) |
 Article dans J. Geophys. Res. C (2014) Comparison of Ellison and Thorpe scales from Eulerian ocean temperature observationsAndrea A. Cimatoribus, Hans van Haren & Louis Gostiaux
Ocean turbulence dissipation rate is estimated either by means of microstructure shear measurements, or by adiabatically reordering vertical profiles of density. The latter technique leads to the (...) |
Convection
La configuration dite de Rayleigh-Bénard est un modèle standard qui permet d’étudier la convection thermique turbulente se produisant à plus grande échelle (atmosphère, océans, centre de la terre, autres planètes…). Des avancées importantes ont été réalisées ces dernières années afin de comprendre et prédire les effets de rugosité de parois ou de chauffage en volume (rayonnements lumineux ou radiations nucléaires) sur l’intensité du transfert thermique produit par la convection turbulente.
 Article dans J. Fluid Mech. (2021) Model for thermal convection with uniform volumetric energy sourcesMathieu Creyssels
A theoretical model is derived to predict the heat fluxes at the upper and lower horizontal surfaces of an internally heated (IH) convection cell by extending the well-known Grossmann & Lohse (...) | |
 Article dans J. Fluid Mech. (2020) Model for classical and ultimate regimes of radiatively driven turbulent convectionMathieu Creyssels
In a standard Rayleigh–Bénard experiment, a layer of fluid is confined between two horizontal plates and the convection regime is controlled by the temperature difference between the hot lower (...) |
 Article dans Phys. Fluids (2014) Thermal boundary layer near roughnesses in turbulent Rayleigh-Bénard convection : Flow structure and multistabilityJ. Salort, O. Liot, E. Rusaouen, F. Seychelles, J.-C. Tisserand, M. Creyssels, B. Castaing & F. Chillà
We present global heat-transfer and local temperature measurements, in an asymmetric parallelepiped Rayleigh-Bénard cell, in which controlled square-studs roughnesses have been added. A global (...) |