B Legras, 2008 Ondes de gravité barotropes C'est le cas le plus simple qui se traite à partir des équations d'eau peu profonde linéarisées en ne prenant pas
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Lorsque les vagues arrivent à proximité du rivage, on est dans le cas d'ondes de gravité en eau peu profonde, et la célérité c des vagues dépend de la profondeur
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Effets de la tension superficielle : ondes capillaires EXPERIMENTATION SOMMAIRE Essai n°1 : ondes de surface en eau peu profonde avec effet de tension
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Ondes gravitaires en eau peu profonde: ω2 = ghk2 cinétique et une énergie potentielle due `a la gravité et la tension de surface du liquide Montrer que
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B Legras, 2008 Ondes de gravité barotropes C'est le cas le plus simple qui se traite à partir des équations d'eau peu profonde linéarisées en ne prenant pas
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1 3 2 Lignes de courant et trajectoires des particules en eau peu profonde 21 gravité (grandes longueurs d'ondes gouvernées par la gravité) La relation
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1 1 Oscillations d'un liquide dans un tube en U sous l'effet de la gravité Dans cette Figure 4 – Propagation d'ondes de surface en eau peu profonde Au repos
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Ondes de gravité `a la surface libre de l'eau réduit-elle `a ϕ0 exp(kz) en eaux profondes? 7 Montrer qu'au premier ordre en la perturbation, on peut écrire:
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4 jui 2015 · 4 - Les vagues sont des ondes (réfraction, Gravité - tension de surface Dissipations : - Viscosité du liquide Eau peu profonde = ellipses
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III1
B.Legras, 2008III. Ondes de Gravité
Ondes de gravité barotropeOndes de pure gravit
é baroclinesG
énération des ondes de gravitéOndes de montagnes Déferlement des ondes de gravitéOndes de Lee
Ondes d'inertio gravit
éBernard Legras http://www.lmd.ens.fr/legras legras@lmd.ens.fr III2B.Legras, 2008Exemples de nuages lenticulaires
formés par des ondes de gravité III3B.Legras, 2008Ondes de gravité barotropes
C'est le cas le plus simple qui se traite à partir des équations d'eau peu profonde linéarisées en ne prenant pas en compte le terme de Coriolis car la fréquence est supposée grande par rapport à f. ∂tu=-g∂x ∂tv=-g∂y d'où on tire ∂tt=gH1∇2 Cette équation possède des solutions ondulatoires avec une vitesse de phase c=gH1 Application: propagation des vagues de surface et des tsunamis III4B.Legras, 2008LES EQUATIONS
NON HYDROSTATIQUES
Dtu∂x'=0
Dtv∂y'=0
Dtw∂z'-b=0
DtbwN2=0
∂xu∂yv∂zw-w H0 =0 avec b=g ' (flottaison), w=Dtz, et N2=g dzOn a retiré les termes de Corioliscar l'
échelle est supposée petite eton a ajout
é l'accélération verticale [justifier sa forme dans ceséquations].
Forme linéarisée des équations
∂tuU∂xu=-∂x ∂tvU∂xv=-∂y ∂tbU∂xbwN2=0 ∂xu∂yv∂zw-w H0 =0On écrit
u,v,w,b,=e z 2H0 d'où u=k -Uk,v=l -Uk2H0-b=0
b=iN2 -Ukw ikuilvim-12H0w=0Ondes de pure gravit
é baroclines (1)
III5B.Legras, 2008Rappel
u=k -Uk,v=l -Uk2H0-b=0
b=iN2 -Ukw ikuilvim-12H0w=0
En combinant, on obtient -Uk-N2 -Ukw=m-i2H0
puis -Uk-N2 -Ukik2l2 -Ukim-12H0m-i
2H0=0
d'où k2l21-N2 4H02=0
et finalement on obtient la relation de dispersion -Uk2=N2k2l2 m2k2l21 4H0 2 En bleu, les termes provenant de la contribution non hydrostatique.Ondes de pure gravité baroclines (2)
III6 B.Legras, 2008Ondes de pure gravité baroclines (3)Considérons pour simplifier le cas l=0
La relation de dispersion vérifie alors -Uk=±Nk m2k21 4H021/2N
Supposons k0 et m0, ⇒ les lignes
de phase sont inclinées vers l'ouest. On se place dans le référentiel du vent (U=0).On suppose ∣m∣,k≫1/H0
d'où =kNm2k2-1/2 u=kN2b
Donc : u et w sont en phase avec ,
la température est en quadrature avec . c=Nk m2k23/2k,m Elle est (par définition) parallèle au vecteur d'onde et il y a propagation vers le basLa vitesse de groupe est
cg=NElle est orthogonale au vecteur d'onde
et est dirigée vers le hautCgNote: On suppose, sans perte de généralité, que 0 III7 B.Legras, 2008Sources des ondes de gravité Montagnes Convection Jets Instabilités de KelvinHelmholtz Ajustement g
éostrophique
III8B.Legras, 2008Ondes de gravité et relief
La relation de dispersion stationnaire est k2m21 4H02U2=N2
soit m2=N2U2-k2-1
4H0 2Il y a propagation verticale (m réel) si N2
U2-k2-1
4H020,
sinon l'onde est évanescente. k étant fixé par l'orographie, pour N et U donnés, ce sont les reliefs de plus grande extension qui permettent la propagation vers le haut. En supposant U>0, sachant que la vitesse de groupe doit être dirigée vers le haut et que la vitesse de phase doit être dirigée vers l'ouest dans le référentiel du vent pour compenser l'advection, on obtient k0 et m0. Plus précisèment: =-kNK3/2,cgx=-Nm2
K3/2,cgz=Nkm
K3/2,K2=k2m21
4H0 2 III9B.Legras, 2008propagationévanescent
III10 B.Legras, 2008Propagation d'un paquet d'onde stationnaire Montagne gaussienne de largeur 1kmMontagne gaussienne de largeur 100km III11B.Legras, 2008Fritts &
Alexander,
Rev. Geophys.,
2003températurevent horizontal
III12 B.Legras, 2008Breaking mountain waves - 11 May 2000MST Radar Vertical windYellow: Up, Blue: down
13 14 15
Time (UT)Vertical wind measured by EgrettDéferlement d'une onde de gravité III13 B.Legras, 2008Ondes de Lee pour un écoulement variant verticalement et pi égeageOn se place ici dans le cadre de l'approximation de Boussinesq avec v=0, pour lequel les équations stationnaires sontU∂xu∂zUw=-∂x
U∂xw∂z-b=0
U∂xbwN2=0
∂xu∂zw=0 Dès lors, en éliminant entre la première et la deuxième équationEn utilisant les deux dernières équations
U ∂xxw∂zzwp2w=0 avec p2=N2U2-∂zzU
La propagation verticale dépend du signe de p2. Positif s'il y a propagation. III14B.Legras, 2008Ondes de Lee
III15B.Legras, 2008Lee waves
24 Jan 2002
Ecoulement NNW sur GB avec
une couche stable surmontant la couche limite:piégeage des ondes de gravit III16 B.Legras, 2008Emission d'ondes de gravité par la convection III17B.Legras, 2008Emission
d'ondes de gravitépar ajustement géostrophique(cr
éation d'une circulation ag
éostrophique pour rétablirl'
équilibre du vent gradient)
III18B.Legras, 2008Ondes d'inertiogravité (1)On réintroduit f et on se place dans le cadre des équations hydrostatiques
vu qu'il s'agit de modes de grande échelle.Les équations sont (avec U=0 pour simplifier)
∂tu-f0v∂x=0 ∂tvf0u∂y=0 ∂tzwN2=0 ∂xu∂yv∂zw-w H0=0En passant en modes de Fourier u,v,w,=u,v,w,ez
on obtient -i-f0 f0-iu v=-ik lsoit u=kilf0 2-f02,w=-2 N2 m-i2H0
d'où la relation de dispersion 2=f02N2k2l2 m21 4H02 III19B.Legras, 20082=f0
2N2k2l2
m21 4H0 2Domaine de fréquence
f0∣∣≪NOn choisit l=0 et m2≫1
4H0 2 d'où =±f02N2k2
m21/2 et cg=N2k2 m3m,0,-k ∣cgz cgx∣=∣k m∣=-f021/2
N≪1
propagation quasi-horizontaleOndes d'inertiogravité (2)
III20B.Legras, 2008 f < ω < N, périodes de 5 min à 1j Longueur d'onde typique dans la région de la tropopause: 2 km Propagation vers la stratosphère et la mésosphère Variation d'amplitude en ρ-1/2
Rôle des ondes Transport vertical de moment ═> frottement en altitude Déferlement ═> mélange Turbulence engendrée par les ondes topographiques (CAT)