Thèse soutenue

Exploration des fines échelles océaniques dans le détroit de Gibraltar : simulation numérique, observation et mélange induit
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Auteur / Autrice : Margaux Hilt
Direction : Francis AuclairFranck Dumas
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
Date : Soutenance le 08/03/2022
Etablissement(s) : Toulouse 3
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
Jury : Président / Présidente : Sylvain Coquillat
Examinateurs / Examinatrices : Francis Auclair, Franck Dumas, Maria-Eletta Negretti, Lucie Bordois, Patrick Marchesiello
Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Carton, Jesús García Lafuente

Résumé

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Cette thèse se focalise sur la région du spectre océanique dit des fines échelles, s'étendant des processus de sous-mésoéchelles jusqu'aux grandes structures turbulentes qui amorcent la cascade de Richardson directe menant elle-même au mélange moléculaire. C'est ce mélange, processus irréversible, qui fixe les propriétés des masses d'eaux circulant dans les bassins océaniques. Si la cascade directe est plutôt bien décrite depuis les travaux de Kolmogorov (1941), les instabilités qui l'amorcent dans l'océan sont peu observées et encore moins simulées, le domaine des fines échelles constitue en quelque sorte une "Terra Incognita" (Scotti, 2010). L'amélioration des performances des moyens de calcul et des modèles numériques, couplés à de nouveaux algorithmes, permettent néanmoins désormais d'aborder la simulation des grandes structures turbulentes et donc d'étudier cette Terra Incognita. Une exploration originale de la fine échelle est proposée dans la région du détroit de Gibraltar qui relie la mer Méditerranée à l'océan Atlantique. Là, se rencontrent des masses d'eaux de densités très différentes au-dessus d'un relief accidenté et relativement peu profond où l'amplitude de la marée est non-négligeable. Des processus de fine échelle émergent de l'interaction de ces éléments dans le détroit, rythmé par le cycle de la marée semi-diurne : un contrôle hydraulique du flux dans le détroit évolue au cours du cycle de marée, entraînant la formation puis la relaxation d'un ressaut hydraulique interne. Lorsqu'il est en place, ce ressaut amplifie le mélange lié aux instabilités de cisaillement dans la veine méditerranéenne, et sa relaxation marque le début de la propagation d'un train d'ondes internes solitaires vers la mer Méditerranée. Propagation des trains de solitons et instabilités de cisaillement dans le détroit de Gibraltar ont été étudiés pendant cette thèse par la simulation numérique, mais aussi au cours d'une campagne d'observation dédiée. La simulation des fines échelles dans le détroit est rendue possible grâce au développement original du coeur non-hydrostatique, compressible et à toit libre du code CROCO, présenté dans le chapitre 2 de ce manuscrit. La simulation régionale du détroit est ensuite abordée en deux temps : tout d'abord est élaborée une configuration 2D verticale qui permet d'évaluer les paramètres numériques à un faible coût numérique avec une dynamique correcte à l'échelle de la marée. Cette méthodologie est ensuite appliquée à une configuration 3D réaliste qui constitue une LES océanique originale. Cette maquette a été utilisée pour étudier la variabilité du lien entre forçage de marée, évolution du contrôle hydraulique, et intensité du mélange au cours du cycle mortes-eaux vives-eaux. En effet, les grandes structures turbulentes, simulées explicitement, ont été localisées au niveau des seuils, et une intensification de leur génération est observée en période de vives-eaux. La propagation des trains d'ondes solitaires, quant à elle, est mise en relation avec des observations de mouillage, et révèle un mécanisme secondaire de génération des ondes internes de grande amplitude dans le détroit lors des mortes-eaux. Une étude de sensibilité des grandes structures turbulentes et, par rétroaction, des caractéristiques des masses d'eaux à la fermeture sous-maille est aussi proposée. Le dernier chapitre aborde la question de la quantification du mélange diapycnal en se basant sur l'évolution de l'énergie potentielle. Un nouveau terme a été ajouté au bilan de cette quantité pour prendre en compte l'évolution du volume avec les mouvements de la surface libre. L'application a des cas tests de complexité et de réalisme croissants montre que ce terme est non-négligeable, sa prise en compte permettant de proposer une évaluation précise du mélange turbulent.