Thèse Ondes Internes Solitaires et Mélange Turbulent dans le Détroit de Gibraltar H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes Laboratoire de recherche : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels Direction de la thèse : Maria Eletta NEGRETTI ORCID 0000000281476718 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 Les écoulements gravitaires le long de topographies complexes génèrent des courants denses qui transportent masses d'eau, chaleur et moment, tout en déclenchant des processus de petite échelle tels que cisaillements intenses, instabilités, ondes internes et turbulence. Le mélange associé joue un rôle majeur dans la stabilisation des masses d'eau et dans la circulation thermohaline globale. Ces mécanismes interviennent dans de nombreux environnements océaniques, comme les overflows polaires, les plateaux continentaux et les mers marginales à forte évaporation.
Dans ce contexte, le détroit de Gibraltar constitue un laboratoire naturel particulièrement adapté à l'étude de ces processus. Sa bathymétrie marquée, la présence d'un écoulement stratifié intense et un forçage de marée prononcé en font un site idéal pour analyser, dans un cadre réaliste, des phénomènes fondamentaux de dynamique des fluides géophysiques. L'intérêt de cette étude dépasse largement le cadre régional : le détroit permet d'aborder des questions génériques telles que le contrôle hydraulique par la topographie, la génération et la propagation d'ondes internes solitaires, ainsi que la dissipation turbulente et le mélange associés aux reliefs bathymétriques. Ces processus sont communs à de nombreuses régions où des écoulements stratifiés interagissent fortement avec la topographie.
Malgré des décennies d'observations et de modélisation, la compréhension fine de ces mécanismes reste incomplète, notamment concernant les conditions de génération des ondes internes solitaires et la quantification de la dissipation et du mélange turbulents. Le détroit de Gibraltar est ici utilisé comme terrain d'étude privilégié pour analyser des mécanismes généralisables à d'autres contextes océaniques.
Pour répondre à ces questions, des expériences à grande échelle ont été menées sur la plateforme tournante Coriolis (LEGI, Grenoble) à l'aide d'un modèle réduit dynamique réaliste du détroit, intégrant bathymétrie, stratification, rotation et forçage de marée. Un jeu de données complet a ainsi été collecté sur plusieurs zones du détroit.
En parallèle, une configuration numérique avec le code CROCO reproduisant fidèlement le dispositif expérimental a été mise en place. Après validation par confrontation systématique aux données de laboratoire, ces simulations serviront d'outil d'extrapolation pour analyser la variabilité tridimensionnelle de l'écoulement gravitaire liée à la bathymétrie (contournement des seuils, variabilité spatiale du flux et de la dissipation) et d'outil d'intégration pour établir des bilans globaux de transports, de contrôle hydraulique et d'énergie.
L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes de génération des ondes internes solitaires et de quantifier la dissipation turbulente et le mélange associés aux reliefs bathymétriques marqués à partir des données expérimentales et numériques. Au-delà du cas du détroit de Gibraltar, ce travail vise à établir des lois d'échelle et des paramétrisations physiquement fondées, applicables à d'autres régions où des écoulements stratifiés interagissent avec la topographie, comme les détroits de Bab el-Mandeb, d'Ormuz, du Danemark, ainsi que les zones d'overflow polaires et les mers marginales. Les écoulements entraînés par la densité au-dessus de topographies complexes génèrent des courants denses, ou courants de gravité, qui jouent un rôle central dans le transport des masses d'eau, de la chaleur et de la quantité de mouvement. Ces écoulements à l'échelle mésoscopique déclenchent des processus à plus petite échelle, tels que les couches limites, les cisaillements intenses, les instabilités et les tourbillons sub-mésoscale. Le mélange qui en résulte contrôle la profondeur d'équilibrage des masses d'eau et influence fortement la circulation thermohaline globale (Price et O'Neil Baringer, 1994 ; Danabasoglu et al., 2010). Parmi les exemples majeurs figurent le débordement du détroit du Danemark (Käse et al., 2003), les plateaux continentaux arctiques et antarctiques (Aagaard et al., 1981 ; Muench et al., 2009), ainsi que les mers marginales où l'eau dense se forme sous l'effet d'une forte évaporation, telles que la mer Rouge, le golfe Persique et la mer Méditerranée (Peters et Johns, 2005 ; Vic et al., 2016 ; Baringer et Price, 1997).

Le détroit de Gibraltar constitue un laboratoire naturel pour l'étude de ces processus. Reliant la mer Méditerranée à l'océan Atlantique par un passage étroit, il est à la fois une voie maritime majeure et la seule sortie naturelle de la Méditerranée vers l'océan mondial, ce qui en fait l'une des régions les plus intensivement étudiées en océanographie (Armi et Farmer, 1988 ; Baringer et Price, 1999 ; García-Lafuente et al., 2007, 2013). Au-delà de son rôle stratégique, le détroit soutient une forte productivité biologique (Echevarria et al., 2002) et influence la circulation régionale. L'Outflow Méditerranéen (MOW) contribue à la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique (AMOC) (Reid, 1979), stabilise la variabilité climatique de l'Atlantique Nord à l'échelle géologique (Rogerson et al., 2012) et alimente les systèmes du courant des Açores et du golfe de Cadix (Jia, 2000 ; Peliz et al., 2007).
Malgré des décennies d'études, plusieurs processus clés restent débattus : la persistance du contrôle hydraulique aux principales caractéristiques topographiques, la quantification de la dissipation turbulente et du mélange aux seuils d'Espartell et West Espartell, ainsi que la génération et les propriétés des ondes solitaires internes (ISWs), incluant les effets de vent en surface libre. Objectif général :
Étudier les processus à petite échelle contrôlant les flux d'eau dense dans le détroit de Gibraltar et leur influence sur la circulation océanique à plus grande échelle, en se concentrant sur les ondes solitaires internes (ISWs) et la turbulence/mélange aux sites topographiques clés.

Objectifs spécifiques :
1) Génération et structure des ondes solitaires internes (ISWs)
- Identifier les mécanismes responsables de la génération des ISWs dans le détroit sous différents régimes de marée (vives-eaux vs mortes-eaux).
- Quantifier la propagation, l'amplitude, la dissipation d'énergie et l'interaction des ISWs avec l'écoulement moyen et la stratification.
- Isoler le rôle des interactions marée-topographie dans la génération des ISWs à l'aide d'expériences en laboratoire contrôlées sans flux d'échange net.
- Comparer les observations expérimentales avec les prédictions des modèles hydrauliques à deux couches afin de mieux comprendre les effets non-hydrostatiques.

2) Turbulence et mélange aux seuils topographiques clés
- Caractériser la turbulence, le cisaillement et le mélange aux seuils d'Espartell et de West Espartell à l'aide de mesures expérimentales haute résolution.
- Quantifier l'entraînement d'eau Atlantique dans l'Outflow Méditerranéen (MOW) et son impact sur la salinité, la densité et le transport le long du talus continental.
- Déterminer l'influence du mélange à petite échelle sur la trajectoire en aval et la profondeur d'équilibre finale du MOW.
- Développer des lois d'échelle et des paramétrisations robustes de la turbulence pour alimenter les modèles numériques et climatiques.

3) Intégration et implications pour la modélisation océanique
- Fournir des jeux de données expérimentales de haute fidélité pour valider les simulations numériques des flux d'eau dense dans le détroit.
- Évaluer les implications des dynamiques des ISWs et de la turbulence observées sur la circulation à grande échelle.
- Contribuer à l'amélioration de la modélisation régionale en reliant les mesures expérimentales à petite échelle aux processus océanographiques à plus grande échelle. 1) Analyse des expériences à grande échelle réalisées sur la plateforme Coriolis.
2) Simulations numériques CROCO adaptés à la configuration expérimentale.
2) Analyse des lois d'échelle et modélisation théorique des ondes internes et de la turbulence.
3) Comparaison avec les données observationnelles et numériques afin de généraliser les résultats et valider les paramétrisations.

Le ou la candidat·e devra maîtriser le pré- et le post-traitement d'images, l'analyse de données et les méthodes statistiques (Python/MATLAB). De solides connaissances en mécanique des fluides, en traitement de données, ainsi qu'en outils théoriques et numériques sont indispensables. La curiosité scientifique, l'autonomie et la capacité à développer de nouvelles compétences constituent également des qualités requises.