Projet ANR-11-PDOC-0017 – SIMILA : Etude des données de sismique marine pour la compréhension des processus engendrant des structures en fines couches et du mélange dans l’océan intérieur.
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Claire MÉNESGUEN (INSTITUT FRANCAIS DE RECHERCHE POUR L'EXPLOITATION DE LA MER (IFREMER))
Partenaires : Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer
Montant : 121183.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Etude des processus de fine échelle et du mélange dans l'océan intérieur par l'exploitation des données de très haute résolution de sismique marine.Depuis plusieurs décennies, des perturbations de fine échelle ont été observées au pourtour de tourbillons chauds ou froids. Des progrès dans la compréhension de leur formation et leur transferts d'énergie sont aujourd'hui possibles grâce aux développements majeurs que connaît l'observation à haute résolution de l'intérieur des océans, et ce notamment grâce à l'adaptation et l'utilisation de techniques nouvelles comme la sismique réflexion marine dans la colonne d'eau.
Adaptation et exploitation de la sismique marine pour l'étude des processus de fine échelle.De part leur longueur et leur détail, les sections de sismique réflexion marine ont mis en évidence des structures spatialement intermittentes se présentant sous la forme de fines couches de grande extension horizontale, superposées sur la verticale et localisées autour des tourbillons océaniques. Plus généralement, cette nouvelle imagerie pour l'océan intérieur a révélé la présence récurrente de structures de fine échelle en périphérie de structures de moyenne échelle. La dynamique de ces structures de fine échelle est encore mal connue bien qu'elle assure la transition entre le régime de turbulence géostrophique et le régime de turbulence tridimensionnelle isotrope. Aussi, il est envisagé que ces structures jouent un rôle potentiellement important dans la dissipation des structures de moyenne échelle. Pour aller plus loin, il est nécessaire d'adapter et d'exploiter la technique de sismique réflexion marine pour l'étude des processus de fine échelle. Il est nécessaire aussi de coupler ce travail avec des études numériques à très haute résolution. Conjointement,  la haute résolution des observations et des simulations permettra d'explorer les interactions d'échelles dans des régimes turbulents peu explorés et dont l'importance peut s'avérer importante dans le bilan énergétique de l'océan et la fermeture turbulente.
Vers une analyse quantitative des processus de fine échelleLa technique de sismique réflexion marine apporte des perspectives nouvelles sur les phénomènes de fine échelle mais elle souffre pour le moment de limitations quant à leur analyse quantitative. La raison principale en est que le signal mesuré est complexe et qu'il ne correspond pas aux paramètres traditionnellement mesurés et analysés en océanographie physique. Il en résulte des difficultés d'interprétation voire des contradictions. Aussi, il est nécessaire de dépasser le traitement qualitatif d'imagerie et de mettre en place une procédure permettant d'évaluer les paramètres physiques pertinents pour l'étude des phénomènes de fine échelle. Cette première tâche pourra être basée sur l'utilisation conjointe des données de sismique réflexion marine et de données XBT, XCTD, etc...
Résumé de la soumission : La dynamique océanique est constituée d'une gamme très large d'échelles, ses mouvements s'organisent dans des structures allant du centimètre à plusieurs milliers de kilomètres. Toutes les échelles de ce spectre ne sont pas également connues et observées. De nouvelles techniques de mesures pour l'océanographie physique telle que la sismique réflexion marine (méthode depuis longtemps utilisée pour le sous-sol marin, mais seulement récemment exploitée pour la couche océanique), nous permettent aujourd'hui de détailler la fine structure au sein de l'océan. Ce projet se positionne à l'interface de deux disciplines: (i). les géosciences où les techniques de sismique ont été développées, techniques nouvellement exploitées en océanographie physique et pas encore spécifiquement adaptée à la couche océanique et (ii). la physique des océans où la connaissance actuelle des phénomènes de petite échelle dans l'intérieur de l'océan se verrait fortement enrichie par de nouvelles et plus complètes observations.SIMILA se distingue par l'emploi de nouvelles techniques et l'adaptation de celles-ci pour produire des observations -de résolution jusqu'à présent inégalées, améliorant d'un facteur au moins 100 la résolution horizontale- des structures fines à l'intérieur de l'océan. Parallèlement, des études théoriques et des simulations de haute résolution seront menées à bien afin de répondre aux questions scientifiques dans le domaine de la turbulence océanique à petite échelle.
Résultats : Le set de donnée de sismique réflexion marine dans la colonne d'eau est continuellement enrichi par les campagnes réalisées pour les géosciences. L'exploration de ce set de donnée a conduit à une première étude où sont discutées les structures de fine échelle d'un tourbillon d'eau Méditerranéenne présent au large du Maroc (Ménesguen et al. 2012). En particulier, on a mis en évidence la signature de bras spiraux s'enroulant autour du tourbillon et résultant de sa lente déstabilisation (Hua et al., soumis)
Perspectives : Par ailleurs, la technique de sismique réflexion marine connait des évolutions notables en ce qui concerne la largeur du spectre des fréquences utiles du signal acoustique. De nombreuses recherches, motivées par le fait que la variété des échelles spatiales réfléchies par la sismique dépend des fréquences du signal acoustique, discutent les effets de l'élargissement du spectre. Les acquisitions menées à ce jour en sismique ont eu lieu dans les gammes de fréquence de la sismique conventionnelle (i.e. pétrolière 10-50 Hz) et de la sismique Haute Résolution (150-200 Hz, pour échantillonner des petites échelles, Géli et al. 2009). Mais plusieurs solutions sont aujourd’hui proposées par différentes compagnies industrielles pour élargir le spectre de fréquence utile. La seconde tâche est de favoriser l'utilisation de ces techniques innovantes dans le cadre de la colonne d'eau.
Publications et brevets : - Hua, B.-L., Ménesguen C., Le Gentil S.,Aiki N., Schopp R., “Layering and stratified turbulence surrounding an anticyclonic eddy.” soumise à J. Fluid Mechanics.
- Ménesguen,C., B. L. Hua, X. Carton, F. Klingelhofer, P. Schnurle and C. Reichert, “Spiral arms winding around a Meddy seen in seismic reflection data south of the Azores front.” Geophys. Res. Lett., 39, 5, doi:10.1029/2011GL050798, 2012