Devenir des marées internes : des interactions dynamiques océaniques aux processus de mélange au large du plateau amazonien

SDU2E

https://youtube.com/live/TdVCRhjt_5A?feature=share

Les marées internes (MIs) sont générées lorsque les courants de marée barotropes interagissent avec des structures topographiques sous-marines — telles que des monts sous-marins, des talus continentaux et des dorsales — dans un océan stratifié. Après leur génération, les MIs se dissipent à proximité de leur source ou se propagent sur de longues distances avant de déferler et d’engendrer un mélange turbulent, un processus jouant un rôle clé dans la circulation océanique et le système climatique. Malgré son importance, ce mélange induit par les MIs est très variable en espace et en temps. Cette variabilité découle de deux sources principales : le cycle mortes-eaux/vives-eaux et les interactions des MIs avec leur environnement océanique. Si ces interactions sont relativement bien documentées dans certaines régions, elles demeurent mal comprises dans des environnements dynamiquement complexes comme la région amazonienne — façonnée par une topographie abrupte, des courants océaniques énergétiques, des tourbillons mésoéchelle, des marées internes et des ondes solitaires internes, ce qui en fait un laboratoire naturel idéal pour étudier le devenir des MIs. Cette thèse aborde deux questions centrales : comment la dissipation turbulente est-elle structurée le long des trajectoires de propagation des MIs, et quelle est la contribution des MIs à la dissipation turbulente et au mélange vertical ? Comment les MIs répondent-elles aux interactions avec les tourbillons mésoéchelle, et quels facteurs contrôlent ces réponses ? Pour répondre à ces questions, j’ai combiné des observations in situ et satellitaires avec des simulations numériques réalistes et idéalisées.

Dans un premier temps, pour caractériser la dissipation turbulente et sa variabilité spatiale dans la région amazonienne, j’ai utilisé des observations in situ issues de la campagne AMAZOMIX. Les résultats révèlent une distribution fortement hétérogène : les taux de dissipation les plus élevés se produisent aux sites de génération des MIs le long des trajets à forte énergie tidale, où le cisaillement des MIs représente plus de la moitié du cisaillement total de vitesse. À l’inverse, les valeurs les plus faibles sont observées sur le talus continental le long des trajets à faible énergie tidale, où les cisaillements des MIs et des courants de fond contribuent de manière à peu près égale. De façon inattendue, des taux de dissipation élevés ont également été mesurés en océan ouvert, loin de tout site de génération, coïncidant spatialement avec des régions de courant de fond faible, une éventuelle interférence constructive entre des faisceaux de MIs issus de plusieurs sites de génération, et la présence d’ondes solitaires internes de grande amplitude. Ce résultat inattendu a soulevé la question de savoir si la dissipation des MIs en océan ouvert pourrait être due, au moins en partie, aux interactions des MIs avec le courant de fond.

Afin de mieux comprendre les processus de mélange induits par les MIs, il est essentiel de comprendre leurs interactions avec l’environnement océanique. À cette fin, j’ai utilisé des simulations numériques hydrostatiques réalistes à haute résolution avec le modèle NEMO dans une configuration régionale amazonienne (AMAZON36). Les résultats montrent que les MIs se propagent rarement librement : elles peuvent être déviées, piégées ou diffusées lors d’interactions avec des tourbillons mésoéchelle, en particulier des tourbillons cycloniques. La nature de la réponse des MIs est conjointement gouvernée par leur structure verticale modale et la localisation de la rencontre avec le tourbillon — que ce soit dans son cœur ou le long de sa périphérie — ainsi que par les conditions de fond associées en termes de stratification et de courants. De plus, les transferts d’énergie intermodaux suivent une structure hiérarchique régie par l’interaction entre la dynamique induite par les monts sous-marins et celle induite par les tourbillons. Ces résultats ont été confirmés par comparaison avec des observations satellitaires SWOT. Cependant, la complexité dynamique de la région amazonienne rend difficile, dans la configuration réaliste, l’isolement des réponses des MIs induites par les tourbillons de celles associées aux courants de bord ouest et à la topographie.

Afin de démêler les effets des tourbillons sur la propagation des MIs et d’identifier les facteurs de contrôle fondamentaux, j’ai finalement utilisé des simulations numériques hydrostatiques idéalisées à haute résolution avec le modèle CROCO. Dans un écoulement uniformément stratifié en rotation, contenant un tourbillon mésoéchelle isolé et stationnaire et sans jet de fond, les MIs de mode 1 ont été déviées, piégées et amenées à interférer entre elles lors de la traversée du tourbillon. Ces réponses étaient symétriques et distinctes entre les tourbillons cycloniques et anticycloniques. En faisant varier systématiquement les caractéristiques du tourbillon — taille horizontale, intensité et extension verticale — j’ai montré qualitativement que l’amplitude des modulations des MIs est principalement contrôlée par la vitesse du tourbillon, suivie de son rayon horizontal puis de son extension verticale.

Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse révèlent que, dans la région amazonienne, la distribution spatiale de la dissipation turbulente est hétérogène le long des trajectoires de propagation des MIs, avec des valeurs élevées de façon inattendue en océan ouvert où les MIs interagissent avec le courant de fond et les structures mésoéchelles. La nature de ces interactions dépend du mode vertical des MIs, de la géométrie de la rencontre avec le tourbillon et des conditions de fond associées ; les MIs peuvent induire des échanges d’énergie significatifs entre modes verticaux et avec le courant de fond. L’amplitude des modifications des MIs causées par un tourbillon dépend des caractéristiques de ce dernier. Ces résultats font progresser notre compréhension des mécanismes et des échelles spatiales régissant le devenir des marées internes dans un environnement océanique complexe et constituent une base solide pour de futurs travaux portant sur la paramétrisation de la dissipation turbulente, l'étude statistique des interactions MI–tourbillon, ainsi que le rôle de la topographie complexe, de la stratification variable et du courant de fond dans la propagation des MIs.

Mots-clés : Devenir des marées internes, propagation, interactions, dissipation turbulente, mélange, région amazonienne, modélisation numérique, observations in situ et satellitaires.

Jury

Isabelle Dadou	Université de Toulouse (UT)	Examinatrice
Carlos Alessandre Domingos Lentini	Université fédérale de Bahia (UFBA)	Examinateur
José C. B. da Silva	Université de Porto (U.Porto)	Rapporteur
Nicolas Grisouard	Université de Toronto (U of T)	Rapporteur
Ariane Koch-Larrouy	Université de Toulouse (UT)	Directrice de thèse
Moacyr Araújo	Université fédérale de Pernambuco (UFPE)	Co-directeur de thèse
Lucie Bordois	Service hydrographique et océanographique de la Marine (SHOM)	Membre invité
Pedro Augusto Mendes de Castro Melo	Université fédérale de Pernambuco (UFPE, Brésil)	Membre invité