Thèse le Rôle des Ondes Internes dans la Propagation de l'Énergie et le Mélange Diapycnal Océanique - Prise en Compte de la Propagation des Ondes et de leur Extension Spatiale Finie dans les Mécan H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : LADHYX - Laboratoire d'hydrodynamique Direction de la thèse : Jean-marc CHOMAZ ORCID 0000000204770761 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 La circulation thermohaline (MOC) est un élément clé du système climatique, assurant la redistribution globale de chaleur, carbone (CO), 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 expérimentaleCeci 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.
La circulation thermohaline joue un rôle central dans le climat en redistribuant chaleur, carbone (CO2), oxygène et nutriments. Son fonctionnement repose sur un équilibre entre la formation localisée d'eaux denses aux hautes latitudes principalement en Atlantique nord et Antartique, et une remontée lente et diffuse des eaux profondes, rendue possible par le mélange diapycnal interne. Les études montrent que ce mélange est principalement alimenté par la dissipation de l'énergie des ondes internes générées par les vents à travers la couche mélangée et les marées. Des travaux récents ont montré que les interactions non linéaires entre ondes expliquent les structures spatiales du mélange à l'échelle globale et régionale. Cependant, les cadres théoriques actuels négligent largement la propagation des ondes, pourtant essentielle pour comprendre la distribution verticale et horizontale du mélange. L'objectif principal est d'étendre les théories actuelles de stabilité des ondes internes, historiquement développées pour des ondes homogènes et stationnaires, à des ondes propagatives, spatialement inhomogènes et éventuellement non stationnaires. Il s'agit d'identifier les mécanismes dominants de transfert d'énergie onde-turbulence en tenant compte de la propagation, de l'extension spatiale finie et de l'intermittence, afin de mieux relier les sources d'énergie des ondes internes aux patrons observés du mélange diapycnal. Le projet combine des approches asymptotiques, numériques et expérimentales. Il s'appuie sur l'extension des théories d'instabilité triadique à des perturbations spatialement et temporellement complexes, sur des analyses de stabilité de type Floquet pour des ondes d'amplitude finie, ainsi que sur des simulations numériques directes pour étudier l'instabilité linéaire, non linéaire et la croissance transitoire associées à des paquets ou faisceaux d'ondes. Ces travaux seront complétés par des expériences en bassin au LadHyX, permettant d'observer expérimentalement la stabilité globale et l'amplification de la turbulence induite par des ondes topographiques réalistes.

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