Modélisation du climat et maximisation de la production d`entropie

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT
D'ILE DE France N° 129
Proposition de sujet de thèse pour la rentrée 2017
Nom du Laboratoire d’accueil!:
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement N° UMR!: 8212
Nom du Directeur du laboratoire!:
Elsa CORTIJO
Adresse complète du laboratoire!:
LSCE, Orme des Merisiers, Centre d’Etudes de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
Nom de l’Equipe d’accueil et adresse!si différente de celle du laboratoire :
Equipe CLIM (modélisation du climat)
Nom du Directeur de thèse HDR!: Nom du co-directeur de thèse HDR :
Didier PAILLARD Bérengère DUBRULLE
Téléphone!: 01 69 08 94 67 Téléphone!: 01 69 08 72 47
Mail!: didier[email protected] Mail!: [email protected]
OU
Nom du co-encadrant non HDR!:
Téléphone!:
Mail!:
• Titre de la thèse!:
Modélisation du climat et maximisation de la production d'entropie
• Sujet proposé (2 pages maximum)!:
L'approche habituellement utilisée pour représenter l'évolution du système climatique s'appuie sur
des équations d'évolution, basées notamment sur la mécanique des fluides océanique et
atmosphérique. Une difficulté majeure provient de la nature turbulente des mouvements à
différentes échelles spatio-temporelles et de la nature chaotique des solutions. Les premières
tentatives pour s'affranchir de cette description dynamique remontent aux années 1970 (eg.
Paltridge, 1978) en proposant empiriquement un point de vue "thermodynamique" du système
climatique qui découlerait d'une maximisation de la production d'entropie. Des travaux récents
(Herbert et al., 2011, 2013) ont démontré que cette démarche était pertinente pour représenter
certaines grandes structures du système climatique, et ont débouché sur la mise au point au LSCE
d'un modèle tri-dimensionnel capable de prédire des champs de température en bon accord
qualitatif avec les observations.
L'objectif de cette thèse sera d'aller plus loin dans cette direction. Pour cela, il sera nécessaire de
complexifier ce modèle en incluant des contraintes dynamiques plus précises. Les flux d'énergie
obtenus à travers la maximisation de la production d'entropie seront alors traduits en terme de flux

de masse, ce qui permettrait de représenter explicitement la circulation atmosphérique ou
océanique, mais aussi le cycle de l'eau. Les résultats obtenus seront analysés et évalués par
rapport aux observations, mais aussi grâce aux simulations climatiques du modèle de l'IPSL. Il
sera par ailleurs intéressant de voir comment de ce type de modèle permet de calculer des états
climatiques différents, comme ceux observés au cours du dernier million d'années, en les
comparant aux données paléoclimatiques et à des simulations climatiques similaires réalisées
avec les outils classiques de modélisation (modèles de circulation générale et modèles de
complexité intermédiaire).
Un second volet de cette thèse sera d'examiner comment le "principe" de maximisation de la
production d'entropie peut s'interpréter en terme de procédure statistique sur la dynamique d'un
modèle simplifié. Dans ce cadre, il a été montré sur des exemples simples (Mihelich et al., 2014,
2015) que le maximum de production d'entropie thermodynamique (MEP) coïncide avec le
maximum d'entropie de Kolmogorov-Sinaï. Il reste à démontrer que la maximisation de l'entropie
de Kolmogorov-Sinai - naturelle dès lors que l'on considère non plus l'espace des phase mais
l'espace des chemins entre différents états - est un principe adéquat pour selectionner les états
stationnaires d'un système hors-équilibre tel que le climat. On pourra pour cela s'appuyer sur de
nombreux résultats récents sur les fluctuations macroscopiques dans des systèmes hors-équilibre
modèles, tels que les processus stochastiques à portée nulle ou basés sur un principe d'exclusion
(ASEP), ou bien les modèles basés sur des dynamiques de Kawasaki-Glauber (Bertini et al, 2002),
qui genéralisent et étendent aux états stationnaires hors-équilibre les relations d'Onsager et
Machlup (1953).
Cette thèse se déroulera entre l'équipe "modélisation du climat" (CLIM) au LSCE et l'équipe
"Instabilités et Turbulence" du SPHYNX à l'IRAMIS-SPEC, avec Bérengère Dubrulle, dans le cadre
d'une collaboration déjà entamée depuis plusieurs années sur ce type de sujet.
Référence:
Paltridge G, Q J Roy Meteor Soc 104, 927 (1978).
Herbert et al. Q J Roy Meteor Soc 137, 1059-1069 (2011).
Herbert et al. J Climate 26, 8545-8555 (2013)
Bertini et al, J Statis. Phys. 107, 635-675 (2002).
Onsager et Machlup, Phys. Rev 91, 1505-1512 (1953).
Mihelich et al. Entropy, 16 (2), 1037-1046 (2014).
Mihelich et al. Nonlin. Processes Geophys. 22 (2), 187-196 (2015).
• Type de financement autre que ED 129, précisez si envisageable ou acquis (CNES,
CEA, ADEME etc…)!:
demande au CEA
• Encadrement : Pas d’encadrement de thèse en cours
. Liste des autres doctorants que vous encadrez au 1er janvier 2017
(Nom, Université d’inscription, type de financement, date de soutenance envisagée)