Nonlinear internal gravity wave modes and settling particles in stratified fluids : two pathways to mixing

Les fluides stratifiés sont présents dans divers contextes géophysiques tels que dans l'atmosphère, les astres ou l'océan. Dans de tels milieux, les oscillations entretenues par la flottabilité peuvent se propager au sein du fluide et sont appelées ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent transférer l'énergie depuis des forçage à grande échelle, comme les marées ou le vent, vers de plus petites échelles où elles deviennent plus instables et déferlent. Ce transfert d'énergie irréversible modifie la stratification et constitue ce qu'on appelle le mélange diapycnal.La dynamique des océans est très sensible à la stratification. Ainsi, comprendre la cascade d'énergie vers les petites échelles est essentiel pour pouvoir correctement paramétriser le mélange dans les modèles climatiques globaux.L'un des mécanismes principaux permettant aux ondes internes de transférer de l'énergie aux petites échelles est l'instabilité triadique résonante, par laquelle une onde de forte amplitude se déstabilise en générant deux ondes secondaires de plus courtes longueurs d'onde. Pour observer ce phénomène, nous générons des ondes internes de forte amplitude en excitant des modes résonants d'ondes internes dans un domaine rectangulaire. Nous montrons que les caractéristiques des ondes secondaires sont fortement contraintes à la fois par les conditions de résonance non-linéaire et par les conditions de résonance imposée par la géométrie du domaine. Nous analysons l'effet combiné de ces deux types de contraintes en variant les caractéristiques de l'onde principale et la géométrie du domaine. Cette interaction donne lieu à une dynamique non-linéaire complexe incluant la génération d'ondes internes s'écartant leur relation de dispersion. à la fois par les conditions de résonance non-linéaire et par les conditions de résonance imposées par la géométrie du domaine. Pour observer le mélange induit par les ondes internes, nous réalisons d'autres expériences similaires aux précédentes avec un forçage plus intense. Grâce à des mesures simultanées des champs de vitesse et de densité, nous observons une dynamique non-linéaire similaire à celle des expériences précédentes, cette fois accompagnée d'une évolution lente de la stratification de fond. Nous montrons que cette évolution modifie la structure spatiale des ondes internes, établissant une boucle de rétroaction entre la dynamique non-linéaire et le mélange. Nous identifions ainsi plusieurs régimes de mélange associés à des efficacités différentes. De plus, nous détectons la signature d'événements de mélange localisés et étudions la nature des instabilités à l'origine des déferlements. Enfin, nous considérons un autre mécanisme de transfert irréversible d'énergie dans un fluide stratifié : la sédimentation de nuages de particules dans un fluide stratifié au repos. Nous observons l'entraînement de fluide léger dans le sillage du nuage vers des zones plus denses. Nous analysons comment le fluide revient au repos après cette perturbation et quantifions le transfert d'énergie irréversible des particules vers le fluide environnant. Nous montrons que le mélange n'apparaît que dans certains régimes.