À l’issu de la mission Cassini-Huygens, avec le support des observations depuis l’orbite terrestre, l’atmosphère de Saturne se révèle très active, structurée en jets en bande alternés, avec des épisodes de convection intenses, perturbée par des ondes et de la turbulence, avec une oscillation équatoriale stratosphérique de température ainsi que des variations thermiques et de concentration en hydrocarbures suggérant un transport méridien de grande échelle.

Malgré de nombreuses années d’observation et de modélisation de son atmosphère, la dynamique globale de Saturne reste mal connue notamment parce que peu d’études sur les interactions multi-échelles de la dynamique abordent l’émergence de tels phénomènes pour les géantes gazeuses.

Dans cette thèse, un point de vue de mécanique des fluides géophysiques pour interpréter les observations astrophysiques de Saturne est adopté à l’aide d’un modèle de climat global à haute résolution horizontale. Les simulations obtenues avec ce modèle reproduisent des jets en bande alternés dans la troposphère respectant un régime zonostrophique ainsi qu’une oscillation équatoriale de température et de vent influencée par l’ombre des anneaux, maintenue par le cycle saisonnier et surtout résultante d’interaction entre les ondes d’échelle planétaire
résolues par le modèle et l’écoulement moyen.

Ces premières simulations à résolution verticale assez restreinte échouent à stabiliser la périodicité de l’oscillation équatoriale et sont défavorables au forçage vers l’est par les ondes, provoquant une phase prograde bien inférieure à la phase rétrograde, ce qui est en contradiction avec les observations.

Avec l’augmentation de la résolution verticale de la stratosphère modélisée, il est possible de pallier ce manque de quantité de mouvement prograde dans les hautes couches de l’atmosphère de Saturne. Ainsi, la phase vers l’est de l’oscillation équatoriale s’est renforcée et la périodicité s’est stabilisé grâce à une meilleure représentation d’une circulation inter-hémisphérique saisonnière en inter-connexion avec le changement de phase de l’oscillation.

Par ailleurs, cette circulation de grande échelle influence également les latitudes plus élevées par transport de quantité de mouvement mais également par transport thermique. La branche descendante principale de la circulation inter-hémisphérique est située dans l’hémisphère d’hiver sous l’ombre des anneaux de Saturne et permet une accumulation de chaleur par compression adiabatique aux tropiques d’hiver, ce qui est cohérent avec les anomalies de température chaudes relevées dans les observations
de Cassini.

Cependant, les moyennes et hautes latitudes de la stratosphère de Saturne sont également sujettes à des cellules de circulation provoquant systématiquement des anomalies chaudes persistantes sur l’ensemble de l’année entre 40 et 60°, qui ne trouvent pas d’équivalent dans les observations.

Enfin, en enrichissant le spectre d’ondes atmosphériques présentes dans le modèle par l’implémentation d’une paramétrisation stochastique d’ondes de gravité non-orographiques, les simulations à basse résolution verticale dépeignent une structure de vent et de température équatoriale qui s’éloigne d’une oscillation équatoriale, en détruisant la phase vers l’est ou en arrêtant la propagation vers le bas dans les plus hautes couches de l’atmosphère.

De même les simulations à haute résolution verticale ne montrent pas d’amélioration significative de la structure du vent zonal et de la température équatoriale lorsque de telles ondes sont considérées. Le rôle des ondes de gravité méso-échelle dans le forçage de l’oscillation équatoriale modélisée de Saturne semble moindre par rapport au rôle du cycle saisonnier à travers la circulation inter-hémisphérique, sine qua non d’une fine discrétisation verticale.

Par restrictions sanitaires, la soutenance aura principalement lieu par visio-conférence :

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