Ondes internes divergentes et convergentes : étude expérimentale de la marée interne

Diverging and converging internal waves : a laboratory study of the internal tide

• Auteur / Autrice : Natalia Shmakova
• Direction : Jan-Bert Flór, Bruno Voisin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan atmosphère hydrologie
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Mordant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Dauxois, Jean-Marc Chomaz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leo Maas, Thomas Peacock

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marées

Mots clés libres

Marée interne

Ondes internes

Fluides stratifiés

Effets topographiques

Internal tide

Internal waves

Stratified flows

Topographic effects

Résumé

Les océans de la Terre sont stratifiés en densité par les gradients de température et de salinité.L'interaction des courants de marée avec la topographie du fond océanique entraîne donc le rayonnement des ondes de gravité interne dans l'intérieur de l'océan. Ces ondes sont appelées marées internes et leur dissipation due à le déferlement des ondes nonlinéaires joue un rôle important dans le mélange de l'océan abyssal, et donc dans la circulation océanique à la grande échelle.Dans ce contexte, nous étudions la génération des ondes internes par l’oscillation d’objet de différentes géométries simplifiées afin de modéliser le marée barotropique sur la topographie océanique et considérons les effets linéaires et nonlinéaires sur ces ondes résultant d’interactions avec l'objet et entre ces ondes.La contribution relativement nouvelle de cette thèse est l'étude des aspects de flux tridimensionnels qui étaient accessibles avec notre approche expérimentale, et sont généralement difficiles à étudier par modélisation numérique et analytique.Nous étudions d'abord la structure des ondes fundamentale et des harmoniques supérieur pour un sphéroïde oscillant, émettant des ondes divergentes. Les harmoniques supérieures sont générées par l'instabilité non linéaire à la surface de l'objet avec des effets nonlinéaires dans la zone d'intersection des faisceaux fundamentales. Ils peuvent se croiser et se concentrer, donc augmenter d'énergie, et devenir dominant sur les ondes fundamentales. On détermine les structures horizontales des ondes fundamentale et des harmoniques supérieures.Subséquemment, nous considérons les ondes générées par un tore oscillant, qui convergent vers un point focal. En dehors de cette région focale, les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques sont en bon accord, mais dans la région focale, l'amplitude de l'onde est deux fois plus grande que près du tore, conduisant à une amplification locale nonlinéaire et à un déferlement des onde pour les grandes amplitudes d'oscillations. En conséquence, la propagation des ondes fundamentales se trouve entravée dans la région focale. L'onde stationnaire se forme alors que de nouvelles ondes sont générées et émises de cette région focale.Un tore plus grand a été testé sur la plate-forme Coriolis pour comparer la focalisation des ondes de gravité internes, inertie-gravité et des ondes inertielles dans un régime faiblement visqueux. En raison de la complexité de la zone focale, une seconde harmonique est observée même quand l'amplitude d'oscillation est faible. Le champ de vorticité verticale des ondes de gravité interne présente une structure dipolaire dans la zone focale, qui se transforme dans le cas tournant en une structure de vortex "Yin-Yang". La structure globale des faisceaux des ondes inertiels est proche de celle pour des ondes de gravité internes, bien q'elle est relativement plus intense.

The Earth's oceans are stratified in density by temperature and salinity gradients.The interaction of tidal currents with ocean bottom topography results therefore in the radiation of internal gravity waves into the ocean interior. These waves are called internal tides and their dissipation owing to nonlinear wave breaking plays an important role in the mixing of the abyssal ocean, and hence in the large-scale ocean circulation.In this context we investigate the generation of internal waves by oscillating objects of different idealized geometries as a model of barotropic flow over ocean topography, and consider linear as well as nonlinear effects on these waves resulting from interactions with the object and from wave--wave interactions.The relatively novel contribution of this thesis is the investigation of three-dimensional flow aspects that were accessible with our experimental approach, and are generally difficult to investigate by numerical and analytical modelling.First we investigate the wave structure of the first and higher harmonics for an oscillating spheroid, emitting diverging waves. Higher harmonics are generated by nonlinear instability at the surface of the object together with nonlinear effects in the zone of intersection of the primary beams. They may intersect and focus, therefore increase in energy, and become dominant over the first harmonic. The horizontal structures of both, first and higher harmonics are determined.We then consider waves generated by an oscillating torus, that are converging to a focal point. Outside this focal region experimental results and theoretical predictions are in good agreement, but in the focal region the wave amplitude is twice as large as it is close to the torus, leading to local nonlinear wave amplification and incipient wave breaking for large oscillation amplitudes. As a result, the propagation of the first harmonic waves is found to be hindered in the focal region. A standing pattern forms, while new waves are generated and emitted away from this focal region.A larger torus has been tested at the Coriolis platform to compare the focusing of internal gravity, inertia--gravity and inertial waves in a low viscous regime. Owing to the complexity of the focal region, a second harmonic is observed even at low oscillation amplitude. The vertical vorticity field of internal gravity waves exhibits a dipolar structure in the focal zone, which transforms in the rotating case into a ``Yin--Yang-shaped'' monopolar vortex structure. The overall structure of the inertial wave beams is close to that for internal gravity waves, though relatively more intense.