Transport d'énergie et de flottabilité par ondes gravito-inertielles dans des stratifications non-linéaires. Application à l'océan

Energy and Buoyancy Transport by Inertia-Gravity Waves in Non-Linear Stratifications. Application to the Ocean

• Auteur / Autrice : Samuel Boury
• Direction : Philippe Odier, Thomas Peacock
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/05/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-direction internationale : Massachusetts Institute of Technology
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....) - Massachusetts institute of technology. Department of mechanical engineering
• Jury : Président / Présidente : Francesca Chilla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesca Chilla, Colm-Cille Caulfield, Leo Maas, Caroline Muller, Patrice Meunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Colm-Cille Caulfield, Leo Maas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Marées internes

Océanographie

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Ondes internes

Phénomènes non-linéaires

Océanographie Physique

Fluid Mechanics

Internal Waves

Non-Linear Processes

Physical Oceanography

Résumé

Les ondes gravito-inertielles contribuent au transport global d’énergie et d’impulsion dans les océans, et elles jouent un rôle crucial dans le mélange stratifié par des processus non-linéaires transférant l'énergie d'une échelle à l'autre, comme la génération de super-harmoniques ou l'instabilité résonante triadique. Ces ondes sont d'une importance capitale pour l'océan Arctique, et plus particulièrement le transport d'énergie par les ondes internes créées par des tempêtes à la surface de l'océan. En raison de la fonte croissante des glaces au cours des dernières décennies, la surface de l'océan Arctique est plus exposée que jamais aux vents et aux tempêtes et ce pendant une plus longue période de l'année. Les couches très stratifiées de l'océan peuvent maintenant être perturbées par des événements atmosphériques et, par conséquent, la nouvelle dynamique du transport de l'énergie peut jouer un rôle crucial dans les changements climatiques. Une meilleure compréhension de la façon dont l'énergie des tempêtes peut être transférée à l'océan et de la façon dont elle peut se propager est ainsi une question très pertinente aujourd’hui. Sur la base de ces considérations, cette thèse explore l'impact de la géométrie sur la propagation des ondes internes dans les milieux stratifiés et en rotation, tant dans la théorie linéaire que non-linéaire. Différents phénomènes tels que les modes, le résonateur d'ondes, la transmission au niveau d’une interface en flottabilité, l'effet tunnel, la génération de super-harmoniques et l'instabilité résonante triadique, les attracteurs d'ondes, sont abordés. La théorie est validée par des expériences, grâce à l'utilisation d'un générateur d’ondes axisymétriques créant des ondes gravito-inertielles analogues à un forçage de type tempête dans des fluides stratifiés et en rotation, en géométries cylindriques confinées et non confinées. Des applications à des mesures in-situ sont également proposées avec des comparaisons aux ondes.

Inertia-gravity waves contribute to the worldwide transport of energy and momentum in the oceans, and theyplay a crucial role in stratified mixing through non-linear processes transferring energy from scales to scalessuch as super-harmonic generation or triadic resonant instability.Of primary relevance are these waves to the Arctic Ocean, and more particularly energy transport by internalwaves created by storms at the surface of the ocean. Due to increasing ice melting in the last decades, thesurface of the Arctic Ocean is more exposed to winds and storms than ever and for a longer durationthroughout the year. The very stratified layers of the ocean can now be disturbed by atmospheric events and,in return, the modified dynamics of energy transport plays a crucial role in climate changes. A betterunderstanding of how storm energy can be transferred to the ocean, and of how it can propagate through, isa very relevant issue.Based on these considerations, this thesis explores the impact of the geometry on internal wave propagationin stratified and rotating media, both in the linear and non-linear theory. Different phenomena such as modes,wave resonator, transmission though buoyancy interface, tunnelling effect, super-harmonic generation andtriadic resonant instability, wave attractors, are discussed. Theory is validated by experiments, through the useof a storm-like axisymmetric wave generator creating inertia-gravity waves in stratified and rotating fluids, inconfined and unconfined cylindrical geometries. Applications to in-situ measurements are also proposed withcomparisons to internal waves in real world stratifications.