Ondes internes générées sur une dorsale océanique : du laboratoire à l'océan

Abstract

La marée interne contribue au maintien de la circulation méridienne de renversement. Il existe, à l'heure actuelle, une controverse sur la nature exacte des mécanismes pilotant cette circulation. Une meilleure quantification des apports énergétiques associés aux ondes internes permettrait d'apporter quelques clés de compréhension de ce mécanisme complexe. Dans cette thèse, différents régimes d'ondes internes topographiques inspirés par des configurations océaniques sont étudiés afin d'évaluer quantitativement les transferts énergétiques associés. L'utilisation complémentaire des outils numériques et expérimentaux permet de détailler la dynamique de ces régimes de manière exhaustive. La première partie de la thèse porte sur la génération d'ondes internes de petite amplitude par l'oscillation d'un mont Gaussien dans un fluide linéairement stratifié. L'approche choisie s'appuie sur un jeu d'expériences de laboratoire pour lesquelles la pente relative du rayon d'onde interne par rapport à la pente maximale du mont varie. Nous montrons qu'un maximum énergétique est atteint dans le régime critique pour lequel les pentes du rayon et du mont sont similaires. Dans la suite de la thèse, la dynamique d'ondes internes de forte amplitude se propageant dans des régions de fort gradient de densité, comme la pycnocline océanique, est étudiée. Nous utilisons dans un premier temps le modèle numérique Symphonie-NH pour décrire leur génération et leur dynamique, sur une configuration académique bidimensionnelle. Tout d'abord, la génération primaire d'ondes internes interfaciales est étudiée. On s'intéresse en particulier à des régimes fortement non-linéaires pour lesquelles des ondes solitaires sont observées. Elle sont induites par l'interaction directe entre la marée barotrope et la topographie et est observée dans des régimes de pycnocline de forte intensité dans l'océan, comme en mer de Sulu. La structure des ondes internes solitaires est étudiée avec des modèles analytiques simples comme l'équation KdV. En comparant le déplacement de la pycnocline généré par des topographies de différentes formes, nous montrons qu'un contrôle topographique important est exercé par le mont sur la génération primaire d'ondes internes solitaires. Un paramètre adimensionné est proposé pour décrire ce contrôle topographique. Ensuite, la génération secondaire d'ondes internes solitaires induites par l'interaction de rayons d'ondes internes émis sur une topographie avec une pycnocline d'intensité modérée, comme dans le Golfe de Gascogne, est étudiée. Des simulations numériques directes sont effectuées pour décrire la dynamique des ondes internes solitaires, et leur atténuation par radiation d'énergie dans la couche inférieure. L'évolution de la structure des modes normaux en fonction de l'intensité de la pycnocline, et le rôle joué par la forme du mont sont détaillés. Des expériences sont menées pour étudier la génération primaire et la génération secondaire d'ondes internes solitaires dans le grand canal du CNRM-GAME. Une configuration expérimentale utilisant un mont sinusoïdal oscillant dans la couche inférieure, stratifiée ou non, d'un fluide bicouche est adoptée. Cette configuration, inspirée des simulations numériques précédentes, permet d'explorer une gamme plus large de régimes d'ondes interfaciales. Des mesures de déplacement interfacial avec des sondes à ultrasons d'une part, et avec des mesures optiques d'autre part, permettent de discuter la dynamique, et la structure tridimensionnelle de ces ondes. La structure des ondes internes solitaires dans le cas de la génération primaire apparaît plus stable que pour la génération secondaire. Dans ce deuxième cas, des structures transverses régulières sont mesurées.Internal tides contribute to sustain the Meridional Overturning Circulation. In fact, the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources is being debated, yet it is clear that the mixing these waves induce is strongly linked to the General Circulation energy balance. In order to provide quantitative evaluations of energy transfers associated with internal waves generated over a topography in various regimes of linearity and stratification, we adopt a complementary approach, relying on numerical and experimental tools. In the first part of this manuscript, I focus on linear internal waves generated by the oscillation of a Gaussian ridge in a linearly stratified fluid. An energy-based approach of a series of laboratory experiments in which the ratio of the internal wave ray slope to the ridge slope is modified, permits to highlight that near-critical bottom topographies are likelier to generate powerful internal waves. Another aspect of my thesis is the dynamics of nonlinear internal waves in regions of sharp density gradients such as the ocean pycnocline. Important nonlinear effects are involved in such processes, potentially leading to the generation of internal solitary waves. These waves are responsible for important energy transfers, as they initiate turbulent mixing while they propagate in the pycnocline. Therefore, their generation and propagation processes are a crucial point of study. For that purpose, simulations using the numerical model Symphonie-NH are performed to describe two generation processes observed in the ocean. First, I focus on the primary generation of internal solitary waves, caused by the direct interaction between the barotropic tide with the ocean bottom topography, observed in strong pycnocline regimes in the ocean, such as in the Sulu sea. The structure of internal solitary waves is studied using simple analytical models such as the KdV scheme. By comparing the isopycnal displacements obtained with ridges of different shapes, we show that a strong topographic control is exerted by the ridge shape in the primary generation of internal solitary waves. A nondimensional parameter is proposed to describe this topographic control. Then, the secondary generation of internal solitary waves, induced by the interaction between internal wave rays emitted at a topography and a pycnocline of moderate strength (like in the Bay of Biscay) is treated. Direct numerical simulations are performed to study the dynamics of these internal solitary waves, and their damping due to a downward leaking of energy. The evolution of the normal modes structure with respect to the pycnocline strength, as well as the role played by the topography shape are described in order to provide new insights regarding the secondary generation process. Experiments are performed to study the primary and secondary generations of internal solitary waves in the large water tank of CNRM-GAME. An experimental configuration using a steep sinusoidal ridge oscillating in a two-layer fluid is used. Measurements with ultrasonic probes and optical measurements permit to observe the dynamics and the three-dimensional structure of these waves. Internal solitary waves issued from the primary generation process appear more stable than in the secondary generation process, for which substantial transverse structures are observed