Étude des interactions océan-atmosphère à proximité immédiate de l'interface: application aux vagues de vent et aux vagues extrêmes

The viscous sub-layer above the wind water waves plays a crucial role in the air-sea fluxes of momentum providing important boundary conditions for ocean atmosphere interactions. During the mechanical energy transfer from the wind to the waves, one part of the energy contributes to amplifying the waves through the form drag, whilst the other part contributes to the drift current through the viscous stress. The viscous stress can be determined from wind profile characteristics in the viscous layer. We present an original experimental investigation of the determination of the air flow characteristics within the first millimeters above wind waves. The experiments were conducted in the large IRPHE air-sea interaction in Luminy France. An electromechanical device-diver facilitates the passing of a hot wire anemometer through the viscous sub-layer which allows the measurement of shear stress at the surface. These measurements provide a thorough description of the local structure of the wind in all the zones very close to the water surface. We show that the viscous stress's contribution to the total stress is a decreasing function of the wind speed and of the dominant wave slope. We also show that the viscous stress presents modulations of intensity along the wave profile. These modulations depends on wave slope and wave age. Application to wind wave generation and effect of wind on extreme wave and rogue wave are conducted.La surface de l'océan, interface entre deux milieux l'un liquide et l'autre gazeux, est un lieu d'échange d'énergie dans lequel l'influence du vent est importante. La compréhension des processus d'échanges est un enjeu important pour appréhender la dynamique et le couplage des deux milieux. Lors du transfert d'énergie mécanique du vent vers les vagues, une partie de l'énergie participe à l'amplification des vagues, via la traînée de forme, une autre contribue au courant de dérive, via la traînée visqueuse. Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer la répartition de cette énergie entre ces deux traînées pour différentes conditions de vent et de vagues. La détermination de la traînée de forme passe par la mesure de la pression statique au plus près de la surface et celle de la traînée visqueuse par la mesure de la vitesse de l'écoulement de l'air dans la sous-couche visqueuse. Des dispositifs expérimentaux originaux ont été développés dans cette optique. Une sonde de pression constituée d'une antenne de pression de type Elliot et d'un capteur miniature inséré au plus près du point de mesure permet de donner une description détaillée des champs de pression dans la couche limite turbulente. Un dispositif "suiveur à vagues" asservi à une sonde à vagues, permet de réaliser les mesures au plus près de la surface notamment dans le creux des vagues. Enfin, un dispositif « plongeur » permet de faire transiter une sonde de vitesse dans la sous-couche visqueuse de l'air afin de déterminer les contraintes de cisaillement au niveau de la surface. Ces mesures permettent d'obtenir une description fine de la structure locale de l'écoulement de l'air dans les zones toutes proches de la surface marine. Ainsi, nous montrons que la contribution de la tension visqueuse à la tension totale est une fonction décroissante du vent et de la cambrure de l'onde dominante. On montre également que la tension visqueuse n'est pas constante le long du profil de la vague mais présente des modulations, fonction de la phase de la vague, qui s'amplifient avec la cambrure de la vague. Par ailleurs, l'étude des champs de pression met en défaut les méthodes classiques de mesure de la traînée de forme qui consiste à extrapoler le profil vertical des corrélations Pression-Pente à l'altitude de l'eau au repos. L'expression analytique du flux de quantité de mouvement de l'air à l'eau écrite dans un repère mobile permet d'identifier les diverses composantes qu'on peut relier à la traînée totale à la surface. Une étude comparative de la mesure des flux du vent vers les vagues via la méthode Inertio-Dissipative et la méthode directe montre que les résultats divergent à proximité de l'interface. Bien que tous les termes de l'équation bilan de l'énergie cinétique de la turbulence ne puissent être déterminés expérimentalement, on montre que des termes supv plémentaires apparaissent lorsque les mesures sont réalisées sur un support mobile lié aux déplacements de l'interface. Une approche expérimentale montre que la durée de vie de vagues scélérates générées par focalisation spatio-temporelle est significativement augmentée en présence de vent. Une forte asymétrie est effectivement observée entre les phases de focalisation et de défocalisation. L'étude des interactions entre le vent et le groupe focalisant met en évidence que ce phénomène est en partie dû au mécanisme de décollement de l'air à la crête de la vague extrême