Approche expérimentale de la dynamique non-linéaire d'ondes internes en rotation

Experimental approach of the non-linear dynamics of internal waves in rotation

• Auteur / Autrice : Paco Maurer
• Direction : Philippe Odier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/06/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Bouruet-Aubertot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Odier, Pascale Bouruet-Aubertot, Patrice Le Gal, Paul Billant, Thomas Peacock, Aurore Naso, Sylvain Joubaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Le Gal, Paul Billant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Mots clés libres

Onde interne

Géophysique

Rotation

Instabilité

Milieu stratifié

Non-linéaire

Expérimentale

Mécanique des fluides

Internal wave

Geophysic

Rotation

Instability

Stratified medium

Non-linear

Experimental

Fluid mechanics

Résumé

Au travers de leurs instabilités, les ondes internes de gravité, qui se propagent dans les fluides stratifiés, jouent un rôle crucial dans la dynamique océanique. En effet, ces instabilités transfèrent de l'énergie vers les petites échelles et créent ainsi du mélange. Parmi ces mécanismes, nous avons étudié l'instabilité triadique résonante (TRI). Ce processus se caractérise par l'émission à partir d'une onde-mère de deux ondes-filles, dont les fréquences et vecteurs d'onde vérifient avec l'onde-mère des conditions de résonance temporelle et spatiale. Dans le cas où une rotation globale du fluide (cas général en géophysique) s'ajoute à la rotation, celle-ci va changer les propriétés non seulement des ondes internes, on les appellera alors ondes gravito-inertielles, mais aussi de la TRI. L’étude expérimentale sur table tournante de l'instabilité d'un faisceau de forme contrôlée d'onde gravito-inertielle a mis en évidence l’importance de la rotation sur les caractéristiques de la TRI, comme le seuil d'instabilité ou les caractéristiques des ondes secondaires. En outre, ces résultats sont en très bon accord avec un développement asymptotique de cette instabilité qui prend en compte la taille finie du faisceau, paramètre déterminant au laboratoire et dans un contexte océanique. Cet effet est responsable notamment de l'existence d'une latitude critique dans l'océan.Dans un second temps, la réalisation d'un nouveau type de générateur d'onde axisymétrique a permis d'étudier la propagation d'ondes axisymétriques à trois dimensions. Les modes axisymétriques générés par ce nouveau dispositif ont été caractérisés et comparés aux solutions analytiques. Ce dispositif permet également de créer une excitation annulaire localisée qui focalise les ondes internes au centre de la cuve. En changeant la vitesse de groupe de ces ondes, au travers d'une stratification non-linéaire, nous pouvons créer une forte accumulation d'énergie au point de focalisation. En fonction de l'amplitude de l'excitation, on observe la transition entre un état stable vers un état fortement instable.

Through their instabilities, internal gravity waves, which propagate in stratified fluids, play a paramount role in the oceanic dynamics. Indeed, their instabilities transfer energy to small scales and lead to mixing. Among these instabilities, we studied the triadic resonant instability (TRI). This process is characterized by the generation from a primary wave of two secondary internal waves, whose frequencies and wave vectors fulfill the spatial and time resonance conditions. If the fluid is also rotating (which is in generally the case in geophysics), rotation changes not only the properties of internal waves, which, in this case, are named inertia-gravity waves, but also the properties of the TRI. The experimental study on a rotating plateform of the instability of a controlled internal wave beam highlighted the role played by rotation on TRI features, such as the instability threshold or the characteristics of the secondary waves. Moreover, these results are in excellent agreement with an asymptotic development of the instability that takes into account the finite width of the wave beam, key parameter in a laboratory and oceanic context. this effect is responsible for the existence of a critical latitude in the ocean.In a second part of this work, we built a new wave generator, which allowed for the study of tridimensional axisymmetric waves. The axisymmetric modes generated by this new set-up were characterized and compared to analytical solutions. The generator can also produce a localized axisymmetric bump which focalises the wave in the center of the tank. By changing the group velocity of the waves, through a non-linear stratification, we are able to create a large energy build-up at the point of focalisation. Depending on the amplitude of the wave, we observe the transition from a stable state to a strongly unstable one.