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Rayons d’ondes internes en champ lointain

1.3 Rayons d’ondes internes

1.3.1 Rayons d’ondes internes en champ lointain

Comme nous l’avons dit en §1.2.2, en 1967, Mowbray et Rarity [MR67]

ont observé expérimentalement la croix de Saint-André caractéristique de

la relation de dispersion des ondes de gravité internes (cf. figure1.9). Cinq

ans plus tard, Thomas et Stevenson [TS72] ont proposé une modélisation

analytique des observations de Mowbray et Rarity. Il a été prouvé par Peat

[Pea78] que les conclusions présentées ici ne changent pas radicalement pour

une étude avec rotation.

Sans perte de généralité, Thomas et Stevenson s’intéressent au rayon du

premier cadran et commencent par tourner le repère cartésien d’un angleθde

manière à ce que les nouveaux axes(O,e

s

) et(O,e

η

)soient respectivement

dans le sens de c

g

et de k, avec un nouveau jeu de coordonnées (s, η) tel

que s = xcosθ+zsinθ et η = xsinθ−zcosθ (cf. figure 1.10). De plus,

devant modéliser des phénomènes d’échelles centimétriques, ils ne négligent

pas la viscositéν. Curieusement

9

, l’étude réalisée en [TS72] est réalisée sans

inclure directement certaines approximations devenues usuelles telles que

Figure 1.9 – Expérience de Mowbray et Rarity [MR67, Planche 1(6)], visualisée

par strioscopie et avecω/N= 0.699.

O x

z

s

η

θ

|η| = Λ

0

s

1/3

/(2a

ts

)

k

k

c

g

Figure 1.10 – Rayon de Thomas et Stevenson. Son amplitude diminue en s

−2/3

et la courbe |η| = Λ

0

s

1/3

/a

ts

permet d’estimer l’évolution de la longueur d’onde

dominanteλle long du rayon.

l’approximation de Boussinesq ou le fait de considérer la viscosité comme

constante. Ils supposent cependant que les déplacements du fluide sont très

faibles (termes non-linéaires négligés) et surtout que le champ (de vitesse,

de déplacement. . .) a une structure de couche limite interne.

Cette dernière approximation est guidée par les expériences de [MR67] et

signifie que les variations selonssont bien moins importantes que les

varia-tions selonη(cf.figure1.9) et que le faisceau est concentré transversalement

dans une très faible portion de l’espace

10

. La traduction en termes

mathé-matiques de cette approximation est que ∂

s

est du même ordre que ε

ts

η

ts

= ((N

2

ων/2g

2

) tanθ)

1/3

≪1) et quelim

η→±∞

(v, b, P) = 0.

Après adimensionnalisation et développement au premier ordre enεts des

1.3. Rayons d’ondes internes 27

−1 −0.5 0 0.5 1

−1

−0.5

0

0.5

1

Λ

0

k

p/Λ

0

A

ts

Figure 1.11 – Profil de la fonctionA

ts

(p, q), c. à d. du rayon de Thomas et

Ste-venson pourp=a

ts

ηs

−1/3

etq=ωt. Les traits pointillés sont l’enveloppe du profil

|A

ts

|, le profil tracé en rouge correspond à q = 0 et les autres profils sont tracés

pourq=nπ/10 (n= 1. . .5).

équations régissant la dynamique des fluides, les auteurs de l’article montrent

que le champξ

ts

de déplacement des particules le long du rayon doit être tel

que :

ξ

ts

∝s

2/3

ℑ(A

ts

(a

ts

ηs

1/3

, ωt)), (1.39)

désignant la partie imaginaire, ats = (g/N ω)

2/3

/εts = (2ω/νtanθ)

1/3

et

avec :

A

ts

(p, q) =

Z

0

Kexp −K

3

+i(pK−q)

dK. (1.40)

Le profilA

ts

(p, q) est affiché en figure 1.11.

La forme de ξts est riche en contenu physique. Par définition de Ats, le

rayon est le résultat de la superposition d’une infinité d’ondes planes ayant la

même fréquenceω mais des nombres d’ondes différents. Il est tout de même

possible de définir une “longueur d’onde dominante” λ, calculée à partir de

K

0

= 3

1/3

qui maximise Kexp(−K

3

). La longueur d’onde adimensionnée

correspondante est Λ

0

= 2π3

1/3

et en définissant λtelle que Λ

0

=a

ts

λs

1/3

,

on obtient :

λ= 2π

3sνtanθ

1/3

, (1.41)

Cette méthode peut apparaître approximative mais la figure 1.11 montre

nettement que pour q= 0,Λ

0

est la distance entre les deux zéros de A(p, q)

entourant p = 0. Ainsi, la longueur d’onde λ et donc la largeur du rayon

augmentent ens

1/3

. Il est remarquable que quelque soits, la forme du rayon

s’étire mais ne change pas, d’où la qualification d’autosimilaire et qui justifie

que la longueur d’onde ait été cavalièrement associée à la largeur du rayon.

Ensuite, par hypothèse du modèle, la structure du rayon ne dépend pas

de la taille de l’objet. Plus spécifiquement, en s= 0 (à l’origine), λ = 0et

tout se passe donc comme si on se plaçait infiniment loin de l’objet, d’où le

fait que ce modèle soit adapté au champ lointain.

Pour ce qui est de l’amplitude, elle décroît le long du faisceau en s

2/3

.

Les responsables sont en fait les effets dissipatifs, qui sont en outre

respon-sables de l’élargissement du rayon. En effet, plus une onde plane a un nombre

d’onde k élevé (petite échelle), plus la viscosité va atténuer son amplitude.

Ainsi, au cours de sa propagation le long du rayon, un paquet d’onde

possé-dant initialement toutes sortes d’échelles du fait de la taille nulle de l’objet

oscillant va progressivement voir ses petites échelles se dissiper et la largeur

du rayon va donc augmenter, en plus de voir son amplitude diminuer. Ces

considérations (élargissement du rayon ens

1/3

, diminution de son amplitude

ens

2/3

) sont résumées en figure1.10.

On voit donc que la dissipation visqueuse joue un rôle fondamental dans

l’existence des rayons dont la longueur d’onde est proportionnelle à ν

1/3

.

Dans l’océan, les échelles en jeu pour les rayons d’ondes internes sont de

l’ordre de 100 m, pour des vitesses de l’ordre de 10 cm.s

−1

. Ainsi, les nombres

de Reynolds construits avec la viscosité moléculaire de l’eauν= 10

6

m

2

.s

−1

sont de l’ordre de 10

7

et la viscosité moléculaire n’a pas d’effet sur de tels

rayons. Cependant, de tels nombres de Reynolds indiquent que l’écoulement

est turbulent à l’intérieur des rayons. Or, la turbulence augmente fortement la

diffusion de quantité de mouvement et peut être modélisée par une viscosité

effective supérieure à la viscosité moléculaire de plusieurs ordres de grandeur

(p. ex. [GHP01, §11.1]). Ainsi, dans l’océan comme dans le laboratoire, la

viscosité (éventuellement turbulente) joue un rôle essentiel dans la définition

de l’échelle transverse des rayons d’ondes internes.