Inner structure and atmospheric dynamics of gaseous giant planets

par Florian Debras

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gilles Chabrier.

Soutenue le 21-12-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (laboratoire) .

Le président du jury était Alessandro Morbidelli.

Le jury était composé de Gilles Chabrier, Alessandro Morbidelli, Tristan Guillot, Sébastien Fromang, Laure Saint-Raymond.

Les rapporteurs étaient Tristan Guillot, Sébastien Fromang.

  • Titre traduit

    Structure interne et dynamique atmosphérique des planètes géantes gazeuses


  • Résumé

    Lors de cette thèse, je me suis attaché à améliorer notre connaissance des planètes géantes, depuis notre voisine Jupiter jusqu’aux exoplanètes lointaines : les Jupiter chauds. Grâce aux nouvelles observations gravitationnelles extrêmement fines du satellite Juno, entré en orbite autour de Jupiter en juillet 2016, il est possible d’améliorer significativement les modèles de structure interne de la planète. Cependant, cela ne peut se faire qu’à condition d’avoir une méthode suffisamment précise pour exploiter au maximum les données. J’ai donc étudié la méthode des sphéroides de Maclaurin concentriques et ses limitations. A l’aide des connaissances contemporaines sur les équations d’état, les propriétés diffusives et les transition ou séparation de phase entre l’Hydrogène et l’Hélium, il m’a alors été possible de produire de nouveaux modèles de Jupiter. Arriver à combiner les observations gravitationnelles de Juno et les abondances d’éléments observées par Galiléo n’a pu se faire qu’en décomposant Jupiter en au moins 4 zones, de l’enveloppe externe jusqu’au coeur compact. J’ai montré que la taille de ce coeur compact était dégénérée avec la variation d’entropie à l’intérieur de la planète.La structure interne des Jupiter chauds quant à elle est très dépendante de leur dynamique atmosphérique, qui entraîne une inflation de leur rayon. J’ai étudié les atmosphères de ces planètes à l’aide du modèle de circulation globale de l’Université d’Exeter et d’un code linéaire que j’ai développé, appelé ECLIPS3D. La caractéristique la plus importante de la circulation atmosphérique est la présence d’un jet superrotatif, étendu en latitude.J’ai donc étudié la création de ce jet à l’aide d’arguments théoriques pour s’assurer de sa pertinence physique. L’étude de la solution linéaire dépendante du temps, associée à des arguments numériques sur la convergence de quantité de mouvement par les vents verticaux m’ont permis d’établir une compréhension globale, cohérente de l’accélération de la superrotation dans l’atmosphère de ces planètes.Avec ce travail, j’ai amélioré ma compréhension théorique des planètes géantes et développé des codes qui peuvent être utilisés pour améliorer nos connaissances sur la structure interne et la dynamique atmosphérique des planètes géantes, que ce soit Jupiter, Saturne ou les Jupiter chauds.


  • Résumé

    Through this thesis, I have been motivated by the will to improve our knowledge of giant planets, from our neigh- bouring Jupiter to the far away worlds across the galaxy: hot Jupiters.With the latest, extremely precise observations of the satellite Juno, new models of the interior of Jupiter can be derived. A precise enough method is required to take full advantage of these outstanding data, and I therefore studied the concentric Maclaurin spheroid method and its limitations.With contemporary understanding on the equations of state, diffusive properties and phase transition/separation of hydrogen and helium, I could then focus on producing new interior models of Jupiter. Combining the gravitational observations of Juno with the elemental observations of Galileo has proven to be a complicated task, which required to decompose the planet into at least four regions from the outer envelope to the inner, compact core. I have shown that the size of the compact core is degenerated with the entropy variation within the planet.Concerning hot Jupiters, I have reminded of the need to understand their atmospheric dynamics to constrain their interior structure, as the wind circulation can lead to an inflation of their radius. Studying numerically their at- mospheric dynamics was performed with the University of Exeter’s global circulation model as well as with the development of a linear solver that I called ECLIPS3D. An important, robust feature is the presence of a broad equatorial superrotation in the atmosphere of these planets.Finally, I have explored the spin up of this superrotation on theoretical grounds, to assess its physical relevance. I have calculated the linear time dependent solution to show the importance of differential drag and radiative damp- ing, and have used numerical simulations to highlight the importance of vertical momentum acceleration. Globally, a coherent picture of the initial spin up of superrotation was obtained.Through this work, I have improved my theoretical understanding of giant planets and developed various codes that can be used to study and improve our knowledge of the interior structure and atmospheric dynamics of giant planets, from Jupiter and Saturn to hot Jupiters.


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