Inertia-gravity waves contribute to the worldwide transport of energy and momentum in the oceans, and they play a crucial role in stratified mixing through non-linear processes transferring energy between scales, such as super-harmonic generation or triadic resonant instability.
These waves are of primary relevance to the Arctic Ocean, and more particularly energy transport by internal waves created by storms at the surface of the ocean. Due to increasing ice melting in the last decades, the surface of the Arctic Ocean is more exposed to winds and storms than ever and for a longer duration throughout 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 better understanding of how storm energy can be transferred to the ocean, and of how it can propagate towards the bottom, becomes highly relevant.
Based on these considerations, this thesis explores the impact of the geometry on internal wave propagation in stratified and rotating media, both in the linear and non-linear approach. Different phenomena such as modes, wave resonator, transmission through buoyancy interface, tunneling effect, super-harmonic generation and triadic resonant instability, wave attractors, are discussed. Theoretical predictions are validated by experiments, through the use of a storm-like axisymmetric wave generator creating inertia-gravity waves in stratified and rotating fluids, in confined and unconfined cylindrical geometries. Applications to in-situ measurements are also proposed with comparisons to internal waves in real world stratifications.
Traduction en français :
Les ondes gravito-inertielles contribuent au transport global d'énergie et de quantité de mouvement dans les océans, et elles jouent un rôle crucial dans le mélange stratifié par le biais de processus non linéaires transférant de l'énergie entre les échelles, comme la génération super-harmonique ou l'instabilité résonante triadique.
Ces ondes sont d'une importance primordiale pour l'océan Arctique, et plus particulièrement le transport d'énergie par les ondes internes créées par les tempêtes à la surface de l'océan. En raison de l'augmentation de la fonte des glaces au cours des dernières décennies, la surface de l'océan Arctique est plus exposée aux vents et aux tempêtes et pour une durée plus longue tout au long de l'année. Les couches très stratifiées de l'océan peuvent désormais être perturbées par les événements atmosphériques et, en retour, la dynamique modifiée du transport d'énergie joue un rôle crucial dans les changements climatiques. Une meilleure compréhension de la façon dont l'énergie des tempêtes peut être transférée dans l'océan et de la façon dont elle peut se propager vers le fond devient essentielle.
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 tournants, par une approche à la fois linéaire et non linéaire. Différents phénomènes tels que les modes, le résonateur d'onde, la transmission à travers une interface de flottabilité, l'effet tunnel, la génération super-harmonique et l'instabilité résonante triadique, les attracteurs d'onde, sont discutés. Les prédictions théoriques sont validées par des expériences, grâce à l'utilisation d'un générateur d'ondes axisymétriques reproduisant l'effet d'une tempête créant des ondes gravito-inertielles dans des fluides stratifiés et tournants, dans une géométrie cylindrique confinée et non confinée. Des applications aux mesures in situ sont également proposées par des comparaison avec des stratifications réelles.
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