Simulations sobres de bifurcations climatiques : circulation thermohaline

• Auteur / Autrice : Adrien Lopez
• Direction : Bérengère Dubrulle, Didier Paillard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SPHYNX
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Turbulence

Climat

Simulation

Turbulence

Climate

Simulation

Résumé

Les gaz à effet de serre produits par l'activité humaine influencent le climat de la Terre. Pour comprendre et prévoir cette influence, la communauté scientifique utilise, entre autres, des simulations numériques du système climatique. Ce dernier est multi-composant, et implique une gamme pharaonique d'échelles : par exemple, la simulation de l'atmosphère (une des composantes du climat) nécessite en principe la prise en compte de toutes les échelles entre celle des ouragans (100 km) et celles auxquelles l'énergie est dissipée (0,1 mm), soit une gamme d'échelles de 1011. Cette gamme d'échelles est inaccessible aux plus grands ordinateurs existants actuellement, qui n'ont ni assez de mémoire ni assez de CPU pour traiter un si grand nombre de degrés de liberté. D'autre part, même si cela était possible, la simulation correspondante serait un puits d'énergie : simuler le climat à une résolution de 10km pendant 100 ans prend 6 ans de temps réel, et consomme autant d'énergie électrique que 50 familles françaises pendant cette période. Nous sommes simplement face à une situation paradoxale où la simulation des effets du changement climatique participe au changement climatique. La solution pour pouvoir réaliser des simulations sobres est de décimer les degrés de liberté, et de ne simuler que ceux qui sont pertinents pour notre objectif. Comment y parvenir est cependant un défi théorique, et aucune solution viable n'a été proposée jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche, qui combine deux nouveaux outils théoriques : l'un, appelé géométrie de l'information, est une nouvelle technique qui permet de caractériser les transitions de non-équilibre ; le second, appelé réseaux logarithmiques, permet de réaliser une simulation numérique sobre en considérant toute la gamme des échelles, mais en réduisant le nombre d'échelles prises en compte à mesure que l'on descend en taille. Le modèle correspondant est sans paramètres ajustables, et peut être simulé sur un ordinateur portable.

Greenhouse gases produced by human activity influence the Earth's climate. To understand and predict this influence, the scientific community uses, among other things, numerical simulations of the climate system. The latter is multi-component, and implies a pharaonic range of scales: for example, the simulation of the atmosphere (one of the components of the climate) requires in principle the consideration of all scales between that of hurricanes (100 km) and those at which energy is dissipated (0.1 mm), or a range of scales of 1011. This range of scale is inaccessible to the largest computers currently in existence, which have neither enough memory nor enough CPU to handle such a large number of degrees of freedom. On the other hand, even if it were possible, the corresponding simulation would be a energy sink: to simulate climate at a resolution 10km for 100 years takes 6 years of real time, and consumes as much electric energy as 50 french families during that time. We are just facing a paradoxical situation where simulating the effects of climate change participates to climate change. The solution to be able to perform sober simulations is to decimates degres of freedom, and simulate just those that are relevant to our purpose. How to achieve this is however a theoretical challenge, and no viable solution has been proposed so far. In this PhD, we propose a new approach, which combines two new theoretical tools: one, called information geometry, is a new technique that allows to characterize non-equilibrium transitions; the second one, called log-lattices, allows to perform sober numeical simulation by considering the whole range of scales, but by reducing the number of scales taken into account as we go down in size. The corresponding model is without adjustable parameters, and can be simulated on a laptop.