Добірка наукової літератури з теми "Ondes non-linéaires internes"

Nous etudions a l'aide de la theorie de l'eau peu profonde une onde interne plane dans le contexte d'un fluide tournant stratifie en bicouche. Differents cas ont ete traites pour lesquels les hypotheses de faible ecart de densite entre les couches et de faibles epaisseurs de couches sont considerees independamment ou en meme temps. Nous apportons la demonstration qu'une equation d'ostrovsky gouverne les ondes internes non-lineaires d'interface dans le cas faiblement tournant. Nous demontrons que reduire l'ecart de densite conduit a augmenter les effets de la rotation. Enfin nous etablissons les equations qui gouvernent les ondes internes dans quelques cas particuliers et nous donnons la forme de celle-ci. Des experiences ont ete menees dans la grande cuve tournante du laboratoire coriolis pour etudier l'influence de la rotation sur des ondes internes axisymetriques. Nous avons mis en evidence quelques phenomenes interessant et les conclusions experimentales confirment nos resultats analytiques en ce qui concerne les influences respectives de l'ecart de densite et de la rotation. La rotation modifie considerablement les lois d'evolution de l'amplitude en fonction de la distance au centre de la cuve. Une autre partie de l'etude a ete consacree a la recherche experimentale de la generation des ondes internes non-lineaires par la maree en presence du talus continental ainsi que leur propagation. L'originalite de ce travail reside dans la generation d'ondes internes tridimensionnelles ainsi que dans la prise en compte des effets de la rotation sur le mecanisme de generation et la propagation des ondes. Nous avons montre que seul le jusant engendre la maree interne sur le plateau et le talus. La rotation n'agit pas sur le mecanisme de generation mais sur la propagation des ondes, de plus elle en diminue l'amplitude et en augmente la vitesse de propagation.

Pour pouvoir expliquer le mélange océanique, il est essentiel de comprendre les phénomènes aux petites échelles et en particulier les transferts d’énergie vers celles-ci. Les ondes internes sont étudiées dans ce contexte : en déferlant, en se déstabilisant et en générant des sous-harmoniques par instabilité résonante triadique (TRI), elles contribuent à ce transfert. Nous avons porté notre étude expérimentale sur la propagation d’ondes sur des temps de forçage longs. Les précédentes expériences réalisées dans ces conditions au sein de l’équipe présentaient, après plusieurs heures, un profil avec de nettes couches de mélange. L’explication physique proposée jusqu’alors, purement turbulente, était incorrecte. Notre dispositif expérimental nous place en réalité dans une situation singulière où la stratification est modifiée conjointement par propagation d’ondes et par double-diffusion : des couches de mélange peuvent ainsi se former et le fluide se comporte alors comme un guide d’ondes. De plus, la stratification fortement modifiée par les ondes a un effet en retour sur leur propagation : les ondes filles issues de la TRI disparaissent petit à petit du fluide, ce qui limite le transfert aux plus petites échelles et donc le mélange. Deux ondes internes peuvent également interagir entre elles pour générer, cette fois, une onde super-harmonique dont la structure est conditionnée par la structure des ondes qui lui ont donné naissance. Nos travaux ont abouti à la première mise en évidence expérimentale de la génération d’une telle onde super-harmonique. Les résultats sont en excellent accord avec la théorie développée par Thorpe (1966). En particulier, l’onde super-harmonique a la forme prédite, naît dans un intervalle mince autour de la résonance et les taux de croissance spatiaux sont très proches de ceux attendus
To be able to explain the oceanic mixing, the understanding of phenomena at small scales is crucial, and especially the energy transfers to those scales. Internal waves are studied in this context: by breaking, destabilizing and generating subharmonic triadic resonant instability (TRI), they contribute to this transfer. Our experimental study is focusing on wave propagation during long times. Previous experiments conducted under these conditions within the team had led, after several hours, to a profile showing clear mixing layers. The physical explanation given until then, purely turbulent, was incorrect. Our experimental setup actually places us in a singular situation where the stratification is modified jointly by wave propagation and by double diffusion: mixing layers can thus be present and the fluid behaves like a waveguide. In addition, stratification strongly modified by the waves has a feedback effect on their propagation: the daughter waves resulting from the TRI gradually disappear from the fluid, which limits the transfer to the smallest scales and therefore the mixing. Two internal waves can also interact with each other to generate, this time, a super-harmonic wave whose structure is determined by the structure of the waves that gave birth to it. Our work led to the first experimental demonstration of the generation of such a super-harmonic wave. The results are in excellent agreement with the theory developed by Thorpe (1966). In particular, the super-harmonic wave has the predicted pattern, is observed over a finite range of frequency around the resonant value and the spatial growth rates are very close to those expected theoretically

Étudier les ondes internes est crucial pour comprendre le mélange dans l'océan. Dans cette thèse, un attracteur d'ondes 2D est tout d'abord simulé de manière directe, appuyé par une bonne comparaison avec une expérience pré-existante. Nous dérivons un modèle simple de la largeur de l'attracteur et mettons en évidence des effets non-linéaires. Nous réalisons dans une deuxième partie une étude expérimentale de la réflexion d'ondes planes sur une paroi inclinée. Les résonances prédites entre différents harmoniques n'apparaissent pas mais en revanche, un fort écoulement moyen horizontal apparaît, courbant les caractéristiques des ondes par effet Doppler. 70 à 80% du flux d'énergie incident sont dissipés ou convertis en écoulement moyen, ce dernier semblant alimenté par la dissipation des ondes. La génération d'ondes solitaires consécutive à la réflexion d'ondes sur une pycnocline est ensuite étudiée numériquement dans la troisième partie. Dans un premier temps, une étude académique, 2D est réalisée à l'aide de simulations directes. Nous montrons que des ondes solitaires de différents modes et piégées dans la pycnocline peuvent être générées. Deux critères pour comprendre la sélection d'un mode donné, l'un portant sur les différentes vitesses de phase, l'autre sur des arguments géométriques, sont définis. Ces critères sont dans un second temps comparés aux conditions du Golfe de Gascogne en été. Nous montrons qu'un rayon d'ondes internes seul ne peut générer des ondes solitaires correspondant aux observations, ce qui est corrigé en tenant compte de l'écoulement présent dans la pycnocline et indépendant du rayon d'ondes internes.

Étudier les ondes internes est crucial pour comprendre le mélange dans l'océan. Dans cette thèse, un attracteur d'ondes 2D est tout d'abord simulé de manière directe, appuyé par une bonne comparaison avec une expérience préexistante. Nous dérivons un modèle simple de la largeur de l'attracteur et mettons en évidence des effets non-linéaires. Nous réalisons dans une deuxième partie une étude expérimentale de la réflexion d'ondes planes sur une paroi inclinée. Les résonances prédites entre différents harmoniques n'apparaissent pas mais en revanche, un fort écoulement moyen horizontal apparaît, courbant les caractéristiques des ondes par effet Doppler. 70 à 80% du flux d'énergie incident sont dissipés ou convertis en écoulement moyen, ce dernier semblant alimenté par la dissipation des ondes. La génération d'ondes solitaires consécutive à la réflexion d'ondes sur une pycnocline est ensuite étudiée numériquement dans la troisième partie. Dans un premier temps, une étude académique, 2D est réalisée à l'aide de simulations directes. Nous montrons que des ondes solitaires de différents modes et piégées dans la pycnocline peuvent être générées. Deux critères pour comprendre la sélection d'un mode donné, l'un portant sur les différentes vitesses de phase, l'autre sur des arguments géométriques, sont définis. Ces critères sont dans un second temps comparés aux conditions du Golfe de Gascogne en été. Nous montrons qu'un rayon d'ondes internes seul ne peut générer des ondes solitaires correspondant aux observations, ce qui est corrigé en tenant compte de l'écoulement présent dans la pycnocline et indépendant du rayon d'ondes internes
Internal wave studies are crucial to the understanding of deep-ocean mixing. In this thesis, we first describe a 2D direct numerical simulation of a wave attractor and validate it against pre-existing experimental data. We then propose a model for the thickness of the attractor along the direction of propagation of energy. We eventually study nonlinear effects induced by the attractor. In a second part, we describe an experimental study of the reflection of plane waves on a sloping wall. Unexpectedly, resonances between different wave harmonics are not observed. However, a horizontal mean flow is generated and the wave characteristics are curved, due to the Doppler effect. 70 to 80% of the incident energy flux is dissipated and transferred to the mean flow, the latter being seemingly generated by wave dissipation. In a third part, we perform a numerical study of the generation of internal solitary waves by an impinging wave beam. We first present direct numerical simulations of this process and show that different solitary wave modes can be excited. Criteria for the selection of a particular mode are put forward, the first one being in terms of phase speeds and the second one based on geometrical arguments. Results are compared with the configuration of the Bay of Biscay in summer. We show that a beam impinging on a thermocline initially at rest cannot generate solitary waves which features agree with oceanic observations. This can be corrected by considering the background flow around the thermocline as found in the Bay of Biscay and independent of the internal wave beam

On etudia experimentalement dans trois installations experimentales distinctes (a) la fission d'une onde interne incidente lors de son passage au dessus d'un plateau; (b) la generation d'ondes internes par une onde externe, au voisinage d'un talus; (c) l'influence de la rotation sur une onde interne solitaire. (a) on a prouve que moyennant certaines conditions (en particulier en l'absence de deferlement au voisinage du talus) une onde interne solitaire se scindait en au moins deux ondes de meme nature lors de sa progression depuis l'eau profonde vers l'eau peu profonde au dessus du plateau. Le phenomene est moins clair que dans le cas d'une onde externe du fait du frottement a l'interface. (b) selon la valeur du rapport des epaisseurs des couches superieures et inferieures au dessus du plateau, on peut ou non observer des ondes internes, engendrees par l'onde externe lors de son passage au dessus du talus, ces ondes se propagent ensuite au dessus du plateau. (c) la rotation modifie profondement l'allure d'une onde interne non lineaire, l'amplitude a la paroi est fonction du parametre de coriolis; transversalement l'amplitude decroit exponentiellement depuis la paroi vers le centre du canal; la celerite n'est pas modifiee par la rotation , par contre la crete de l'onde est recourbee vers l'arriere de la direction de propagation. Aucune theorie ne permet de rendre compte de ce fait

L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.

Les ondes gravito-inertielles jouent un rôle majeur dans les échanges d'énergie globaux sur la planète. Si la génération des ondes est bien connue dans l'atmosphère et l'océan, le devenir de ces ondes au cours de leur propagation n'est pas complètement défini aujourd'hui. Ces ondes peuvent interagir de façon non-linéaire avec elles-mêmes et créer des structures de plus petite échelle qui vont se dissiper plus facilement. Ainsi, le phénomène d'instabilité paramétrique sous-harmonique (PSI), a été étudié de façon expérimentale. Nous avons effectué la première mise en évidence expérimentale de l'interaction de trois ondes planes inertielles bi-dimensionnelles, sous la forme d'une triade résonnante. Cette étude améliore en outre la compréhension de la turbulence en rotation. Les ondes internes peuvent aussi créer, ou interagir avec des écoulements lents de grande échellequi peuvent modifier la biodiversité au fond des océans. Nous avons mis en évidence une situation expérimentale à l'origine d'un tel écoulement moyen induit par les ondes et, à l'aide d'un modèle théorique simplifié, nous avons expliqué la formation de ces écoulements. Enfin, on étudie également des tourbillons en fluide stratifié pour permettre de futures études sur l'interaction d'ondes gravito-inertielles avec des tourbillons.

Les ondes internes (OI) se propagent dans des milieux stratifiés où elles déforment le gradient de densité et génèrent des courants horizontaux et verticaux. Dans l’océan côtier, différentes formes d’OI peuvent être observées en fonction du profil vertical de densité et des courants avec lesquels les ondes interagissent. Sur les plateaux continentaux les OI génèrent du mélange et du transport qui dépend des caractéristiques des ondes. Dans certaines régions du monde, les OI génèrent du transport comparable au mouvement d’upwelling. Le Golfe de Gascogne est un haut lieu de génération de marées internes et d'ondes internes non linéaires (ONLI). Dans le GdG les OI ont été uniquement caractérisées au large et leurs capacités de transport est inconnue. La première partie de la thèse présente la marée et des ONLI observée pendant 1 mois sur le plateau Aquitain du GdG dans ~60 et 150m de fond. La marée interne et les ONLI de mode 1 ont générés des courants plus de trois fois supérieurs aux courants de marée barotrope. Sous deux pycnoclines, nous avons observé la coexistence et l'interaction d'ONLI de polarités opposées. Dans une seconde partie, nous quantifions le transport côte large sur le plateau Aquitain (62 m de fond) et le plateau Armoricain (48 m de fond) en utilisant les isothermes comme coordonnées verticales d'intégration. Sur le plateau Armoricain, le transport total est dominé par le pompage par les ondes internes. Sur le plateau Aquitain, le transport par les ondes internes domine proche du fond
The Bay of Biscay (BoB) is a hot spot for the generation of internal tides and nonlinear internal waves (NLIW). Previous studies have focused mainly on the seaward propagation of internal waves, and less on the shoreward propagation. The shelf region can be affected by internal tides and NLIW transport. The shelf is a complex hydrodynamical region and processes of different scales modify the background stratification and currents. Therefore, internal waves transform as they propagate across the shelf. Internal wave transformation on the shelf and the induced transport remain poorly described worldwide, especially on the BoB shelves. In this thesis, we describe the internal tide and NLIW from mooring observations on the BoB shelf and the induced cross-shelf transport. First, we describe the internal tide and NLIW on the Aquitaine shelf using 22 days of measurements (at 62 and 153 m depth). The results highlight the unexpected importance of the internal tide and NLIW during summer-time stratified conditions. NLIW of depression and elevation, with amplitude reaching up to 1/4th of the water depth and propagating shoreward with different speeds were observed. We observed conditions in which depression and elevation waves coexisted within the same internal tide phase, and could potentially interact. The second part of the work is dedicated to crossshelf net transport, associated with internal waves, or internal waves pumping (IWP) on both the Aquitaine and the Armorican shelf. On the Armorican shelf, IWP was the main driver of total transport near the boundaries and counterbalanced the subtidal dynamics in the middle of the water column. On the Aquitaine shelf, the total cross-shelf transport was a combination of subtidal transport and IWP

Les ondes gravito-inertielles contribuent au transport global d’énergie et d’impulsion dans les océans, et elles jouent un rôle crucial dans le mélange stratifié par des processus non-linéaires transférant l'énergie d'une échelle à l'autre, comme la génération de super-harmoniques ou l'instabilité résonante triadique. Ces ondes sont d'une importance capitale pour l'océan Arctique, et plus particulièrement le transport d'énergie par les ondes internes créées par des tempêtes à la surface de l'océan. En raison de la fonte croissante des glaces au cours des dernières décennies, la surface de l'océan Arctique est plus exposée que jamais aux vents et aux tempêtes et ce pendant une plus longue période de l'année. Les couches très stratifiées de l'océan peuvent maintenant être perturbées par des événements atmosphériques et, par conséquent, la nouvelle dynamique du transport de l'énergie peut jouer un rôle crucial dans les changements climatiques. Une meilleure compréhension de la façon dont l'énergie des tempêtes peut être transférée à l'océan et de la façon dont elle peut se propager est ainsi une question très pertinente aujourd’hui. Sur la base de ces considérations, cette thèse explore l'impact de la géométrie sur la propagation des ondes internes dans les milieux stratifiés et en rotation, tant dans la théorie linéaire que non-linéaire. Différents phénomènes tels que les modes, le résonateur d'ondes, la transmission au niveau d’une interface en flottabilité, l'effet tunnel, la génération de super-harmoniques et l'instabilité résonante triadique, les attracteurs d'ondes, sont abordés. La théorie est validée par des expériences, grâce à l'utilisation d'un générateur d’ondes axisymétriques créant des ondes gravito-inertielles analogues à un forçage de type tempête dans des fluides stratifiés et en rotation, en géométries cylindriques confinées et non confinées. Des applications à des mesures in-situ sont également proposées avec des comparaisons aux ondes
Inertia-gravity waves contribute to the worldwide transport of energy and momentum in the oceans, and theyplay a crucial role in stratified mixing through non-linear processes transferring energy from scales to scalessuch as super-harmonic generation or triadic resonant instability.Of primary relevance are these waves to the Arctic Ocean, and more particularly energy transport by internalwaves created by storms at the surface of the ocean. Due to increasing ice melting in the last decades, thesurface of the Arctic Ocean is more exposed to winds and storms than ever and for a longer durationthroughout the year. The very stratified layers of the ocean can now be disturbed by atmospheric events and,in return, the modified dynamics of energy transport plays a crucial role in climate changes. A betterunderstanding of how storm energy can be transferred to the ocean, and of how it can propagate through, isa very relevant issue.Based on these considerations, this thesis explores the impact of the geometry on internal wave propagationin stratified and rotating media, both in the linear and non-linear theory. Different phenomena such as modes,wave resonator, transmission though buoyancy interface, tunnelling effect, super-harmonic generation andtriadic resonant instability, wave attractors, are discussed. Theory is validated by experiments, through the useof a storm-like axisymmetric wave generator creating inertia-gravity waves in stratified and rotating fluids, inconfined and unconfined cylindrical geometries. Applications to in-situ measurements are also proposed withcomparisons to internal waves in real world stratifications

La dynamique des écoulements géophysiques planétaires est fortement influencée par des processus physiques souvent non résolus par les modèles numériques de circulation générale. Il est essentiel de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents pour paramétrer l’effet des petites échelles sur les grandes. Dans cette thèse, nous étudions un problème emblématique d’interactions entre ondes et écoulements moyens : la dynamique des écoulements zonaux forces par des ondes internes de gravite. Une manifestation remarquable de ces interactions est l’oscillation quasi-biennale (QBO) des vents équatoriaux dans l’atmosphère terrestre. Dans un premier temps, nous décrivons une transition vers le chaos dans un modèle quasi-linéaire classique du QBO. Nous montrons que ces bifurcations persistent dans des simulations numériques directes. A l’aune de ces résultats, nous proposons une interprétation de l’observation d’une rupture inattendue de la périodicité du QBO en 2016. Le mécanisme de génération d’écoulements moyens par les ondes dans les fluides stratifies nécessite la prise en compte d’effets dissipatifs. Il s’agit d’un phénomène analogue au "streaming" acoustique. Dans un second temps nous exploitons cette analogie en étudiant la génération d’écoulements moyens par les ondes internes proche d’une paroi, a l’aide d’approches asymptotiques multi échelles. Finalement, nous proposons une approche inertielle pour décrire l’émergence spontanée d’écoulements vorticaux en présence d’ondes : nous appliquons les outils de mécanique statistique pour calculer la partition d’énergie entre petites et grandes échelles dans le modèle d’eau peu profonde
The dynamics of planetary-scale geophysical flows is strongly influenced by physicalprocesses, mostly unresolved by general circulation numerical models. To parametrisethe coupling between small and large scales, it is essential to understand the underlying physical mechanisms. In this thesis, we study an emblematic problem of interactions between waves and mean flows: the dynamics of zonal flows forced by internal gravity waves. A striking manifestation of these interactions is the quasi-biennial oscillation (QBO) of equatorial winds in the Earth’s atmosphere. First, we describe a transition to chaos in a classical quasilinear model of the QBO and show that these bifurcations persist in direct numerical simulations. Based on these results, we suggest an interpretation for the observation of the unexpected periodicity disruption of the QBO in 2016. The mechanism by which mean flows are generated by waves in stratified fluids requires the consideration of dissipative effects. This phenomenon is analogous to acoustic "streaming". In a second time, we exploit this analogy to study the generation of mean flows by internal gravity waves close to a wall, using multi-scale asymptotic approaches. Finally, we propose an inertial approach to describe the spontaneous emergence of vortical flows in the presence of waves: we apply the tools of statistical mechanics to calculate the partition of energy between small and large scales in the shallow-water model