DFE 11 : Océanographie

Groupe 3 : Solal Marzouk Edouard Clocheret Clément Nedonsel

Commentaires généraux sur l'enseignement thématique.

Je serais très intéressé par ce que vous évoquez : les conférences sur les “grands enjeux” de l'Océan.

Par ailleurs, je suis personnellement et je sais que d'autres aussi sont grands fans de voiliers. Je serais intéressé par un cours plus centré sur le principe physique des bateaux, et bateaux à voile.

Question 0 : Globalement, le cours DFE11 a-t-il répondu à votre attente ? Commentez l'intérêt de ce cours de mécanique des fluides dans le cursus général d'un ingénieur ENSTA ? C'est aussi la place pour toutes vos propositions d'évolution du cours.

Je trouve ça bien que l'ENSTA raffermisse son lien avec le génie maritime (même sans attendre la fusion avec Brest qui met du temps) parce que c'est trop absent du cursus.

Les questions ci-dessous sont spécifiques au cours DFE11 et à son organisation. En 2020, le projet fait entièrement à distance s'était bien déroulé, car j'avais interagi de façon plus séquentielle avec les groupes, tandis que cette année c'était pendant des séances en salle où les interactions avec 7 groupes sont plus difficiles. Et l'absence de PCs 'école' dans la salle a pas mal compliqué les choses. Peut-etre que la solution est tout simplement d'être 2 enseignants pour la partie “projet” du cours.

Je pense que l'interaction est riche mais dans ce cas il faut donner les informations communes aux 7 groupes et ne pas en oublier. A mon avis la solution n'est pas très compliquée, il faudrait par exemple pendant une séance projeter au tableau une visualisation ncview et simplement présenter “vn c'est la vitesse”… “hn la hauteur, d'eau”… c'est cette étape introductive qui a peut être été trop dite individuellement au détriment d'autres groupes. Pourquoi ne pas exposer un résultat de simulation générique en direct pour que l'objectif soit clair ?

Question 1 : L'objectif général du cours est une initiation à la dynamique des fluides géophysiques par des cours magistraux en support d'un projet mené en groupe. Est-ce une bonne formule ou pensez-vous qu'il est préférable de revenir à la formule classique CM/PC avec exercices en TD ? Ou une autre formules (à décrire) ?

J'aurais vraiment aimé que le projet prenne le parti radical d'être de la programmation (à partir de zéro ou presque). Quitte à ce que le résultat soit infiniment plus basique, une simple modélisation dans une case, en utilisant des bibliothèques simples d'affichage natives de Python ou de Matlab (“plot”…).

Question 3 : Si la solution du projet doit être maintenue, pensez-vous que le sujet du projet doit être beaucoup plus cadré avec des étapes préétablies (comme dans un TD) ou bien faut-il laisser la dimension 'découverte des phénomènes' par vous mêmes avec un projet que vous choisissez et à partir des résultats de simulations que vous concevez vous même, comme on l'a fait cette année ?

Je pense qu'un sujet précis à suivre pour être plus guidé serait intéressant.

Question 4 : Je continue de croire que le travail à partir du shell, le fortran et les outils de visualisation (matlab, ncview, panoply, cdo, …) sont le bon choix pour le projet numérique, mais cela vous a posé manifestement pas mal de difficultés d'appropriation de ces outils, même si j'ai été impressionné par la façon dont certains se sont appropriés le projet. Toutes les suggestions pour améliorer le déroulement du projet sur ces aspects - notamment la gestion du code et la visualisation des résultats - mais aussi son organisation en général seront bienvenues. En particulier, vu que vous avez eu une formation à github je crois, est-ce que c'est une option d'utiliser github pour accéder aux seules sources fortran nécessaire, ou ce serait une difficulté de plus ?

Github est incontournable aujourd'hui, et on l'utilise dans nos cours de programmation. C'est une très bonne solution pour partager du code.

Nous avons choisi de consacrer notre présentation à la vie et aux travaux de l'illustre explorateur et auteur français Paul-Emile Victor. Il a consacré sa vie à l'exploration de régions polaires, en particulier le Groenland et l'Antarctique, où il a effectué plusieurs expéditions scientifiques dans les années 1930 et 1940.

Il a également contribué à la connaissance des peuples inuits et de leur culture, notamment en établissant des contacts étroits avec eux lors de ses expéditions.

En plus de ses activités d'explorateur et d'ethnologue, Paul-Emile Victor a été un écrivain prolifique, publiant de nombreux récits de voyage et ouvrages sur l'Arctique, l'Antarctique et les peuples inuits. Il a aussi été un militant écologiste de premier plan, plaidant pour la protection de l'environnement et de la nature.

Un aspect remarquable de la vie de Paul-Emile Victor est son engagement en faveur de la préservation de l'environnement et de la nature, qui était très en avance sur son temps. Dans les années 1950 et 1960, il avait déjà compris les effets néfastes de l'activité humaine sur la planète et les conséquences dramatiques que cela pourrait avoir pour les générations futures.

Choix du sujet : Comment apparaît un courant de bord Ouest comme le Gulf Stream ?

Définition du problème

On va étudier le courant dans l'Atlantique Nord (au dessus de l'équateur). On observe que le courant est circulaire dans le sens horaire. On va chercher à expliquer cette observation.

“circulaire” : on par le “gyre'. Et il faut surtout insister sur le fait que le courant est beaucoup plus intense le long de la côte Ouest.

Pour cela nous allons cherche à définir une configuration de modèle, ce qui consiste à définir la géométrie du domaine, l'état initial, les conditions aux limites et un certain nombre de paramètres numériques.

On utilise pour cela l'article de William R Holland, dans lequel il pose une première paramétrisation du problème : https://www.medship.org/lib/exe/fetch.php/mf210:hollandlinjpo1975.pdf.

On va commencer par un bassin carré et pourquoi pas intégrer un petit décrochage ensuite qui représente le golfe du Mexique.

On prendra comme paramétrisation :

1. 800m de profondeur
2. 1500 km de largeur
3. 1500 km de longueur
4. 2000 m^2.s-1 de viscosité latérale
5. 0 de viscosité au fond
6. Une plage de variation de +100 à -50 m

Avec cette paramétrisation, les critères de convergence sont vérifiés et notre code tourne. Nous avons aussi rajouté des vents, très simples pour l'instant: un vent zonal (c'est-à-dire Ouest-Est) constant dans le temps qui varie selon la latitude, idéalisant les alizées au sud du bassin et les vents d'ouest au Nord.

Le Gulf Stream

Le Gulf Stream est un des courants océaniques majeurs. S’étendant sur l’entièreté de l’Atlantique Nord, il provient des côtes des EtatsUnis. Son influence est forte sur les conditions de climat et l’équilibre géophysique de cette région du monde. On se propose donc d’étudier la formation de ces courants de bord ouest par un modèle numérique en Fortran et on s’appuiera sur les travaux de Holland. On comparera les effets des modèles de Hunk et Stommel. Enfin, nous nous intéresserons aux influences du vents et à l’apparition d’ondes de Rossby.

Le modèle de Stommel

On montre dans cette simulation l’importance du paramètre λ qui rend compte du frottement entre les couches de fluide. On fixe donc νx à 0 Pa.s. Le frottement entre les couches est donc aussi un paramètre qui a une forte influence sur la largeur du courant, qui est proportionnelle à la racine de λ.

La simulation numérique

Le modèle utilisé est adapté du Shallow Water de Holland. Les équations résolues numériquement sont celles-ci : Nous avons veillé à la convergence dans le choix de nos paramètres en vérifiant les conditions CFL.

Ondes de Rossby

Au cours de notre étude, nous avons observé l’apparition de phénomènes périodiques, les ondes de Rossby qui sont des mouvements de la circulation atmosphérique ou océanique de grande longueur d'onde. Ils sont dus à la variation de la force de Coriolis selon la latitude.

La balance d’Ekman

Un des moteurs principaux de ce courant est le pompage d’Ekman. Avec du vent comme les Alizées, en rotation macroscopique dans le sens horaire, la balance d’Ekman cause le plongeon de masses d’eau au centre du domaine et crée des vitesses verticales. C’est la première étape de la mise en mouvement des masses d’eau.

Munk ou Stommel ?

Les équations peuvent se reparamétriser de cette manière : Dans cette équation deux termes apparaissent et pour interpréter séparément leur influence, on se place successivement dans les cas ν » λ (modèle de Munk), puis ν « λ (modèle de Stommel).

Le modèle de Munk

Cette approximation consiste à négliger le frottement entre les couches. On ne s’intéresse qu’à la viscosité du fluide ν qui cause le frottement latéral. On fixe donc λ à 0 Pa.s. Les figures suivantes montrent les hauteurs d’eau au cours du temps. L’influence de la viscosité latérale est donc importante pour la mise en place du courant de bord ouest. En effet, la largeur du courant et donc son débit y est directement lié. Le courant est d’autant plus large que la viscosité est importante. Notre modèle va dans le sens de la littérature qui prévoit une largeur proportionnelle à ν.

Conclusion

Cette étude a montré l'établissement d'un régime stationnaire similaire au Gulfstream, en examinant la compensation entre l'apport et la dissipation d'énergie. Les modèles de Munk et Stommel ont été utilisés pour analyser le rôle du frottement et du vent dans cet équilibre. Pour une compréhension plus approfondie, des mesures supplémentaires peuvent être envisagées pour quantifier l'impact précis des différents paramètres et améliorer la corrélation entre les modèles théoriques et les simulations.

Bibliographie

• R. HOLLAND William, On the generation of the Mesoscale Eddies and their Contribution to the
• Oceanic General Circulation
• Schmitz, W. J., & McCartney, On the North Atlantic circulation
• Cunningham, Temporal variability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation

poster_gulf_stream_v6_vf.pdf

Voici une version révisée du poster, en tenant compte des commentaires faits pendant la présentation orale.