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LAZAR

Ayah LAZAR

19 Décembre 2012 École Polytechnique.

Instabilites inertielles dans les écoulements océaniques

Membres du jury :
Joël Sommeria, Legi Grenoble, rapporteur
Riwal Plougonven, LMD, rapporteur
Jean-Marc Chomaz, LadHyX, examinateur
Paul Billant, LadHyX, examinateur
Pascale Bouruet-Aubertot, examinateur
Eyal Heifetz, Tel Aviv University, co-directeur
Alexandre Stegner, LMD, co-directeur

L’instabilité inertielle des tourbillons océaniques se produit lorsque l’équilibre entre la force centrifuge, la force de Coriolis et le gradient de pression de- vient instable. C’est une instabilité sélective qui induit des perturbations tri-dimensionnelles de petite échelle dans les anticyclones de forte vorticité. Les méchanismes de sous-méso échelle, comme les instabilités inertielles, ont un rôle important dans le bilan nergétique de l’océan. Ces perturbations agéostrophiques peuvent transférer de l’énergie de la méso échelle vers les petites échelles, où se produit la dissipation océanique. Ainsi, ces instabilités peuvent induire un mélange vertical en transportant depuis le fond des océans, des eaux riches en nutriments, ce qui modifie la production primaire. Nous avons étudié la stabilité des tourbillons circulaires vis à vis des perturbations inertielles en tenant compte de la stratification et de la dissipation, qui sont essentiels dans les écoulements océaniques. Ce travail de thése est une étude exhaustive de ce phénoméne, réalisées par une analyse de stabilité linéaire et par des expériences de laboratoire, sur la plate-forme Coriolis, à grand nombre de Reynolds. Nous avons établi un nouveau critére de stabilité marginal qui prolonge le critére de Rayleigh et s’avére pertinent pour différents types de tourbillons, nous permettant ainsi de construire un premier diagramme de stabilité. Nous confirmons nos résultats théoriques lors d’expériences en laboratoires, et nous identifions une signature de l’instabilité inertielle sur la dynamique de surface. Cette signature nous permet de détecter des tourbillons faiblement instables qui ne se détruisent pas complètement. Nous utilisons ces mêmes outils d’analyse pour étudier la stabilité des tourbillons océaniques rééls. De plus, nous avons étudier la dynamique des tourbillons intenses dans le Golf d’Eilat (Aqaba) à l’aide du modéle numérique afin de mieux comprendre les processus qui contrôle la circulation de surface.

Inertial Instability in Oceanic Flows
Inertial instability of vortices is an instability that occurs when the equilibrium between the centrifugal force, the radial pressure gradient force and the Coriolis force is unstable. It is a selective destructive mechanism that induces small three-dimensional perturbations on anticyclones with strong vorticities. Submesoscale mechanisms, such as this, play an important role in the over-all energy budget of the ocean. Their strong ageostrophic flows can extract energy from  balanced mesoscale states, and transfer it to smaller scales, from which it is dissipated through three-dimensional processes. Also it might be an over-looked source of vertical mixing in the ocean, transporting nutrient rich waters from the deep and effecting primary production.
We study the stability of circular vortices to inertial perturbations, taking into account stratification and vertical eddy viscosity, both of which are essential when dealing with oceanic flows. This is a comprehensive study of this phenomenon by means of linear stability analysis and high Reynolds laboratory experiments performed on the Coriolis platform. We study many types of circular vortices, provide a first estimate of the stability diagram and reach an asymptotic analytic marginal stability criterion, which is a further generalization to the well known generalized Rayleigh criterion. With laboratory experiments we corroborate our theoretical results, and find a useful signature of the instability on the surface dynamics. This signature is sensitive enough to detect a even weak instability that does not result in complete vortex breakdown. We try to use the same tool to study the stability of real oceanic vortices. Finally we investigate the dynamics of intense eddies in the Gulf of Eilat (Aqaba) with a general circulation model, and gain some insight on the surface circulation.




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