Ondes de relief et sillage générés par un courant passant au-dessus d'une calotte sphérique : approches linéaire, numérique et expérimentale

Lee waves and wake generated by a steady current passing over a spherical cap, comparing linear, numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Cruz Garcia Molina
• Direction : Chantal Staquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Henri-Claude Nataf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Le Sommer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Muller, Patrice Le Gal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Design patterns

Turbulence

Marées internes

Mots clés libres

Ondes internes de gravité

Turbulence

Transport du momentum des ondes

Turbulence

Internal gravity waves

Wave Momentum Transport

Résumé

Les processus responsables du mélange dans l'océan constituent une importante question scientifique depuis de nombreuses d'années du fait du rôle clé joué par le mélange dans la circulation méridienne océanique. C'est par mélange en effet que remontent les eaux froides profondes au sein de cette circulation. Il a été proposé il y a une vingtaine d'années que le déferlement des ondes internes de gravité soit le principal processus à l'origine de ce mélange. Jusqu'au début des années 2000, on pensait que les principales sources d'ondes internes étaient le passage de la marée sur la topographie sous-marine et le vent à la surface de l'océan. Des campagnes en mer menées dans l'océan austral ont montré que le passage du courant circumpolaire antarctique sur la topographie sous-marine pouvait produire des ondes de relief, comme le passage du vent sur les montagnes (Naveira-Garabato et al. 2004, Nikurashin & Ferrari 2010). Les mesures suggèrent que, lorsque la topographie est très marquée, ces ondes de relief jouent un rôle clé, par leur déferlement, dans le transport de masse et de quantité de mouvement dans la colonne d'eau (Sheen et al. 2013). Cependant, les mesures en mer, en plus d'être locales, sont difficiles à mener dans cette partie de l'océan de sorte qu'une modélisation expérimentale et numérique permettrait d'avoir une vision plus précise des processus de mélange dans ce contexte d'un courant passant sur une topographie marquée avec un impact fort de la rotation terrestre. C'est l'objet du travail de thèse proposé.

The sources of fluid mixing in the deep ocean have been chased for many years as mixing stands among the key contributors of the meridional ocean circulation. Mixing permits indeed the raising of the deep cold water masses resulting from cold water sinking at high latitudes in the winter hemispheres. For about twenty years now, internal gravity waves have been suspected to play a major role in mixing processes. Up to the beginning of the millenium, the main internal gravity wave sources in the ocean were thought to be the tide, by interaction with bottom topography, and surface wind stress. Recent field campaigns in the deep Southern Ocean have actually revealed that the interaction of the Antarctic Circumpolar Current with bottom topography can radiate an internal gravity wave field, referred to as lee waves, as does the wind blowing over a mountain in the atmosphere (Naveira-Garabato et al. 2004, Nikurashin & Ferrari 2010). The field measurements suggest that, over rough topography, these lee waves play a key role in momentum transport and in fluid mixing through their breaking (Sheen et al. 2013). However, deep ocean measurements are sparse (and quite challenging in this part of the ocean) so that the view on mixing processes in the Southern Ocean is still very incomplete. Indeed, if the bottom topography acts as a barrier, the current will be forced to flow over that topography and, depending upon the parameters, a substantial lee wave field may be generated. By contrast, for an isolated three-dimensional topography, part of the current will flow around the topography, thereby generating a wake, with possibly little -or even no- energy transferred to the wave field (Nikurashin et al 2013). The estimate of fluid mixing in the water column by a current flowing over a topography therefore also builds upon how the energy of the current is dissipated : wake or waves. This problem has never been addressed and is the purpose of the present PhD work, using complementary laboratory experiments and numerical modelling.