Thermal convection in rotating spherical shells

Abstract

The study of thermal convection in rotating spherical geometry is fundamental to explain many geophysical and astrophysical phenomena such as the generation of the magnetic fields, or the differential rotation observed in the atmospheres of the major planets. The difficulties associated with the experimental studies enhance the importance of the three-dimensional numerical simulations, such as those presented in this dissertation. In order to obtain the evolution equations, the Boussinesq approximation is applied to the mass, momentum and energy conservation equations, which are rewritten in terms of toroidal and poloidal potentials. Together with the temperature field, they are expanded in spherical harmonics over the sphere, and in the radial direction a collocation method is used. Semi- implicit schemes, based in backward differentiation formulae (IMEX-BDF), implemented with order and time step control (VSVO), are used for time integration. Applying non-slip boundary conditions with internal heating and very low Prandtl numbers (ratio between the thermal diffusive and the viscous time scales), one of the first exhaustive analysis of the linear stability of the conductive state has been performed. In addition, the existence of preferred polar antisymmetric modes at the onset of convection for high rotation rates has been described. A study of the efficiency of different high order time integration schemes, either with fixed time-step or VSVO, has been carried out. In our own time evolution codes we apply the IMEX-BDF formulae with an explicit treatment of the nonlinear terms of the equations. The use of 'matrix-free' methods allows the implicit treatment of the Coriolis term, and makes the implementation of a step and order control easier. The results show that the use of high order methods, especially those with time-step and order control, increase the efficiency of the time integration, and allows to obtain more accurate solutions. Finally, at low Prandtl number, and with non-slip boundary conditions, the nonlinear dynamics is deeply explored by means of temporal evolutions. The type of solutions is described, and the nonlinear mean flow properties are studied. Using parameters as close as possible to those of the Earth's outer core, the numerical simulations are compared with laboratory experiments and realistic measurements.

L'estudi de la convecció tèrmica en geometria esfèrica en rotació es fonamental per explicar molts fenòmens geofísics i astrofísics, com la generació de camps magnètics, o la rotació diferencial observada en l'atmosfera dels planetes majors. Les dificultats associades amb els estudis experimentals afavoreixen que les simulacions numèriques tridimensionals, com les que es presenten en aquesta memòria, siguin una eina molt important en aquest camp. Per a l'obtenció de les equacions d'evolució, s'aplica l'aproximació de Boussinesq a les equacions de conservació de la massa, la quantitat de moviment i l'energia, i es reescriuen en funció dels potencials toroidal i poloidal. Els potencials i la temperatura es desenvolupen, sobre l'esfera, en harmònics esfèrics i en la variable radial s'usa col·locació. Per a la integració es fan servir esquemes semi-implícits, que en el nostre cas, estan basats en les fórmules de diferenciació regressiva (IMEX-BDF), que s'han implementat amb control d'ordre i pas (VSVO). En primer lloc, sota condicions de contorn d'adherència, calentament intern i nombre de Prandtl (quocient entre les escales de temps de difusió tèrmica i viscosa) molt baix s'ha realizat un dels primers anàlisis exhaustius de l'estabilitat lineal de l'estat conductiu, gràcies a la millora dels mètodes numèrics emprats. Així mateix, s'ha descrit per primera vegada l'existència de modes polars antisimètrics a l'inici de la convecció amb rotacions elevades. En segon lloc s'ha realizat un estudi de l'eficiència de diferents integradors temporals d'ordre alt, amb pas fix o VSVO. En els nostres propis codis temporals apliquem les fórmules IMEX-BDF amb un tractament explícit dels termes no lineals de les equacions. L'ús de mètodes 'matrix-free' fa rentable el tractament implícit del terme de Coriolis i facilita la implementació d'un control d'ordre i pas temporal adequat. Els resultats mostren que amb ordre elevat, amb o sense control de pas i ordre, s'incrementa l'eficiència de la integració i s'obtenen solucions més acurades. Finalment, amb nombre de Prandtl baix i condicions de contorn d'adherència, s'explora exhaustivament la dinàmica no lineal mitjançant evolucions temporals, tot descrivint el tipus de solucions. També s'estudien les propietats mitjanes de fluxos no lineals. Utilizant paràmetres el més similars possible als del nucli extern de la Terra es comparen els resultats de les simulacions numèriques amb experiments de laboratori i amb medicions de situacions reals.