OCEANOGRAPHIE PHYSIQUE

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1 Université de Liège OCEANOGRAPHIE PHYSIQUE François C. RONDAY Jean Marie BECKERS Version provisoire Institut de Recherches Marines et d Interactions Air-Mer GHER 1

2 Table des Matières Chapitre I Description de l océan Propriétés physiques de l eau de mer I.1 Introduction 1 I.2 Concept de salinité 2 I.3 Masse volumique et volume massique de l eau de mer 4 I.4 Température potentielle 7 I.5 Chaleur massique à pression constante 8 I.6 Vitesse du son 9 a) Atténuation 11 b) Réflexion et réfraction 12 c) Impédance acoustique 13 I.7 Coefficients de viscosité et de diffusivité moléculaires 14 I.8 Absorption de la lumière par l océan et réflexion de la lumière solaire à l interface air-mer 15 I.9 Caractérisation mécanique et thermique de la glace 17 a) Coefficient d expansion thermique 18 b) Chaleur massique 19 c) Chaleur latente de fusion 20 d) Coefficient de conduction thermique 20 I.10 Mécanismes de formation de la glace 21 a) Glace d eau douce 21 b) Glace d eau salée 22 Chapitre II Variabilité des principales variables Mélange et stabilité des masses d eau II.1 Introduction 1 II.2 Variabilité spatiale et temporelle de la température 1 II.3 Variabilité spatiale de la salinité 4 II.4 Variabilité de la vitesse du son 5 II.5 Glace marine 6 II.6 Equilibre quasi-statique 10 II.7 Stabilité d une particule d eau 12 II.8 Mélange de masses d eau 18 2

3 Chapitre III Modélisation de l environnement marin Equations générales de l hydrodynamique III.1 Introduction 1 III.2 Modèle mathématique pour le système marin 5 III.3 Equation de la conservation de la masse totale 6 III.4 Equation d évolution de la concentration d un constituant 9 III.5 Equation d évolution de la vitesse 11 III.6 Equilibre hydrostatique 13 III.7 Equation d évolution de la température 14 III.8 Introduction à la turbulence 16 a) Nombre de Reynolds 22 b) Energie cinétique turbulente moyenne et taux de dissipation de l énergie 23 c) Turbulence localement isotrope 24 III.9 Termes sources et flux turbulents dans les équations de la géohydrodynamique 27 Chapitre IV Dynamique des courants océaniques Partim 1 : courants «sans frottement» IV.1 Introduction 1 IV.2 Analyse des ordres de grandeur des termes de l équation de mouvement 2 IV.3 Equation de conservation de la masse 3 IV.4 Composante verticale de l équation de mouvement 4 IV.5 Composantes horizontales de l équation de mouvement 6 IV.6 Relation entre le courant géostrophique et la distribution verticale de pression 9 IV.7Géopotentiel et profondeur dynamique 11 IV.8 Méthode dynamique pour le calcul des courants géostrophiques 13 IV9 Océan à deux couches 19 Chapitre V Dynamique des courants océaniques Partim 1 : courants «avec frottement» V.1 Introduction 1 V.2 Trubulence et viscosité turbulente 3 V.3 Influence du frottement dans la dynamique des courants : Courants d Ekman 4 V.4 Courant de pente 9 V.5 Influence du temps sur les courants d Ekman Oscillations d inertie 10 V.6 Système élémentaire de courants 13 V.7 Remontée d eau (upwelling) 14 V.8 Introduction à la circulation générale 17 a) Circulation océanique de surface 18 3

4 b) Circulation océanique profonde 27 Chapitre VI Introduction à la dynamique des ondes de surface VI.1 Introduction 1 VI.2 Caractérisation des ondes 4 VI.3 Vitesse de phase et vitesse de groupe 7 VI.4 Estimation des divers ordres de grandeur des ondes de surface de gravité 9 VI.5 Dynamique de la houle 10 a) Composante verticale de l équation de la vitesse 11 b) Composantes horizontales de l équation de la vitesse 11 c) Equation de continuité 12 d) Conditions aux limites 12 e) Solution du problème 13 VI.6 Ondes stationnaires 17 VI.7 Energie dans une onde sinusoïdale 18 VI.8 Déformation de la houle dans les régions côtières 18 a) Réfraction des ondes 19 b) Réflexion d une onde sur un mur 21 c) Diffraction de la houle 22 d) Déferlement de la houle 23 VI.9 Mécanismes de génération des vagues par le vent 25 VI.10 Propriétés statistiques des vagues 26 VI.11 Introduction aux ondes internes 26 Chapitre VII Force astronmique de marée Analyse et prévision des marées VII.1 Introduction 1 VII.2 Caractérisation de la marée 2 VII.3 Lignes cotidales et d égales amplitudes 3 VII.4 Force de marée 5 VII.5 Potentiel de marée 10 VII.6 Equations de la dynamique pour les marées 13 VII.7 Historique de l analyse et des prévisions des marées 14 VII.8 Méthodes empiriques de la prévision des marées 16 VII.9 Méthode harmonique d analyse du potentiel de marée 17 a) Marées à longue période 21 b) Marées diurnes et semi-diurnes 21 VII.10 Analyse harmonique de la marée selon Doodson 24 VII.11 Analyse du signal de marée dans les mers littorales 27 VII.12 Utilisation des tables de marée 29 VII.13 Le problème de la prévision des marées tempêtes 33 Bibliographie 4

5 Annexe 1 Rappel de mathématique et de mécanique 1.0 Introduction Grandeurs primitives et grandeurs dérivées Point matériel, système de points, milieu continu (solide ou fluide) Dimensions Passage d un système d unités à un autre Homogénéité des lois de la physique Dérivée d une fonction continue 5 a) Fonction continue 5 b) Dérivée d une fonction continue Théorème de Taylor Différentielle d une fonction Dérivée d une fonction de fonction Dérivée partielle Différentielle totale 9 Annexe 2 Eléments de calcul vectoriel et de mécanique 2.1 Notion de référentiel Rappel d analyse vectorielle 11 a) Dérivée d un vecteur par rapport à une variable scalaire 11 b) Champs scalaires et vectoriels Rappel de calcul vectoriel 12 a) Produit scalaire 12 b) Produit vectoriel 13 c) Opérateur «nabla» 14 i) Gradient d un champ scalaire 14 ii) Divergence d un champ vectoriel Equation de la conservation de la masse dans un fluide Rotation plane d un vecteur unitaire Dérivée dans des axes liés à la Terre Vitesse et accélération relatives Loi de Newton dans un référentiel lié à la Terre Accélérations locale et spatiales dans un fluide Advection d une grandeur scalaire 27 Bibliographie 5