Description

La circulation thermohaline (MOC) est un élément clé du système climatique, assurant la redistribution globale de chaleur, carbone (CO₂), oxygène et nutriments. Elle repose sur un équilibre entre la formation localisée d’eaux denses aux hautes latitudes et une remontée lente et distribuée des eaux profondes, rendue possible par le mélange diapycnal intérieur (Munk, 1966 ; Wunsch & Ferrari, 2004). Ce mélange est principalement alimenté par la dissipation de l’énergie des ondes internes générées par les vents à travers les mouvements de la couche mélangée et les marées (Garrett & Kunze, 2007).
Les ondes internes transportent l’énergie depuis leurs sources jusqu’aux régions de dissipation et constituent un lien essentiel entre forçage climatique et dynamique interne de l’océan (MacKinnon et al., 2017 ; Whalen et al., 2020). Leur stabilité est limitée par des interactions non linéaires, notamment les instabilités triadiques, qui organisent une cascade énergétique vers les petites échelles et génèrent une turbulence intermittente responsable du mélange diapycnal observé, fortement hétérogène et amplifié près de la topographie abyssale (McComas & Bretherton, 1977 ; Waterhouse et al., 2014).
Des travaux récents ont montré que ces interactions d’ondes expliquent les patrons globaux du mélange (Dematteis et al., 2024) et que la cascade onde–turbulence produit localement des diffusivités réalistes dans des simulations régionales à haute résolution (Momeni et al., 2024). Toutefois, les théories actuelles de stabilité et de cascade reposent sur des hypothèses d’homogénéité spatiale et de stationnarité, incompatibles avec la propagation et l’extension spatiale finie des ondes internes essentielles pour expliquer la distribution verticale du mélange..
Ce projet vise à étendre les théories linéaires et non linéaires de stabilité à des ondes propagatives, spatialement inhomogènes et éventuellement non stationnaires, en mobilisant les concepts d’instabilité absolue, de croissance transitoire et de modes globaux, domaines d’expertise du LadHyX.
Pour cela nous utiliserons :
1. l’approche asymptotique classique permettant d’obtenir l’instabilité triadique avec désaccord de fréquence et de nombre d’onde, mais l’étendrons à des perturbations harmoniques et croissante ou décroissante en espace comme en temps (fréquences et vecteurs d’onde complexes) – approche asymptotique
2. une approche de type stabilité de Floquet pour une onde d’amplitude finie et calculerons sur chaque rayon spatiotemporel, les taux de croissances spatial et temporel des instabilités, le nombre d’onde et la fréquence associés – approche numérique/théorique
3. des simulations numériques directes pour calculer l’instabilité linéaire et non linéaire de paquet d’onde mais aussi la croissance transitoire des perturbations qu’ils peuvent induire (amplification d’une turbulence par le passage d’un paquet d’onde) – approche numérique directe (DNS)
4. des calculs numériques de la stabilité globale linéaire et non linéaire d’un faisceau d’onde généré soit par la marée planétaire barotrope soit par un courant marin – approche stabilité globale
5. des expériences sur le bassin de traction du LadHyX pour observer expérimentalement les mêmes cas qu’au point 4 – approche expérimentale

Ceci devrait permettre d’interpréter les résultats de la littérature (Dematteis et al. 2024 ; Momeni et al. 2024) ou les mesures directes du mélange diapycnal issues de campagne en mer. Un prolongement naturel de cette thèse fera l’objet d’une collaboration avec des équipes de modélisation de l’Océan et celles des modèles Climatiques Globaux (LMD, LSCE-IPSL, LOCEAN, IFREMER …) pour envisager une paramétrisation physique du mélange diapycnal, prenant en compte génération et propagation des ondes internes.
Ce projet s’inscrit dans une collaboration entre le LadHyX, École polytechnique et l’UME de l’ENSTA, en lien avec le Centre Interdisciplinaire Mers et Océan (CIMO) dans le domaine de l’océan numérique.

Compétences requises

Master de physique ou numérique/mathématique appliquées ou mécanique ou géophysique et environnement ou océanographie ou Atmosphère/climat/météo ... Maitrise programmation et logiciel type mathlab

Bibliographie

Bibliographie
Ondes internes, propagation et mélange (fondations)
• Garrett, C., & Kunze, E. (2007). Internal tide generation in the deep ocean. Annual Review of Fluid Mechanics, 39, 57–87.
• McComas, C. H., & Bretherton, F. P. (1977). Resonant interaction of oceanic internal waves. Journal of Geophysical Research, 82, 1397–1412.
• Vallis, G. K. (2017). Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics. Cambridge University Press.
• Gregg, M. C., D’Asaro, E. A., Riley, J. J., & Kunze, E. (2018). Mixing efficiency in the ocean. Annual Review of Marine Science, 10, 443–473.
Circulation profonde et rôle énergétique du mélange
• Munk, W. (1966). Abyssal recipes. Deep-Sea Research, 13, 707–730.
• Wunsch, C., & Ferrari, R. (2004). Vertical mixing, energy, and the general circulation of the oceans. Annual Review of Fluid Mechanics, 36, 281–314.
• Ferrari, R., et al. (2016). Antarctic sea ice control on ocean circulation. Journal of Physical Oceanography, 46, 213–234.
Observations globales du mélange
• Waterhouse, A. F., et al. (2014). Global patterns of diapycnal mixing. Journal of Physical Oceanography, 44, 1854–1872.
• MacKinnon, J. A., et al. (2017). Climate process team on internal wave–driven ocean mixing. Bulletin of the AMS, 98, 2429–2454.
• Whalen, C. B., et al. (2020). Internal wave–driven mixing. Nature Reviews Earth & Environment, 1, 606–621.
• Dematteis, G., et al. (2024). Interacting internal waves explain global patterns of interior ocean mixing. Nature Communications, 15, 51503.
• Momeni, M., et al. (2024). Breaking internal waves and ocean diapycnal diffusivity in a high-resolution regional ocean model. Journal of Geophysical Research: Oceans
Paramétrisations et modèles
• Melet, A., et al. (2016). Internal tide–driven mixing. JAMES, 8, 1096–1117.
• de Lavergne, C., et al. (2020). A parameterization of local and remote tidal mixing. Journal of Physical Oceanography, 50, 673–696.

Mots clés

climat, océan, onde interne, instabilité, mélange diapycnal, dynamique nonlinéaire