Mécanique statistique hors équilibre des grandes échelles océaniques : application à la bistabilité du Kuroshio (courant sur la côte est du Japon) et à l'anticyclone de Zapiola (anticyclone océanique au large de l'Argentine) – STATOCEAN

Les écoulements géophysiques externes, océans et atmosphère, ont un impact majeur sur nos sociétés, non seulement parce qu'ils sont une des composantes majeures du climat, mais également parce leur compréhension a des répercussions économiques importantes. Ces écoulements turbulents font intervenir un très grand nombre de degrés de liberté, et une variété étonnante d'échelles spatiales et temporelles les caractérisent. Il est donc naturel de chercher à réduire cette complexité grâce à des outils de physique statistique. C'est notre objectif. Bien que les écoulements géophysiques soient hors équilibres, nous considérerons dans une première partie la théorie d'équilibre dite de Robert-Sommeria-Miller (RSM), pour expliquer une partie de leurs propriétés. Cette approche d'équilibre, essentielle mais nécessairement limitée, sera complétée par le développement dans le contexte de modèles d'écoulements géophysiques, d'outils les plus modernes de la physique statistique hors équilibre, par exemple la théorie des grandes déviations ou à plus long terme des approches de type thermodynamique des histoires (formalisme de Ruelle initialement développé pour les systèmes déterministes et récemment généralisé aux processus stochastiques). Nous nous intéresserons plus précisément à plusieurs phénomènes liés à la dynamique des grandes échelles des courants océaniques, d'une part la bistabilité de certains courants de bord ouest tel le Gulf-Stream, mais plus particulièrement la bistabilité du Kuroshio (à l'est du Japon) et d'autre part l'auto-organisation de l'anticyclone de Zapiola, un tourbillon océanique au large de l'Argentine. Notre choix pour ces exemples a été guidé par l'importance de ces phénomènes dans la circulation océanique, mais aussi pour leur intérêt en terme de physique statistique. En effet, le Kuroshio montre une situation de bistabilité que nous expliquerons par la proximité d'une transition de phase hors équilibre. Le Zapiola est un exemple paradigmatique d'auto-organisation proche d'un équilibre statistique. Ces deux problèmes serviront d'exemple pour illustrer l'intérêt de la physique statistique pour les écoulements en géophysique en général. Le Kuroshio joue en rôle essentiel pour le transport d'énergie vers les pôles dans la région pacifique. L'étude de sa bistabilité et la variabilité (fluctuations) associée sont donc des problème essentiels en géophysique. Grâce aux progrès exceptionnels obtenus ces vingt dernières années par la communauté océanographique, ces phénomènes sont maintenant raisonnablement reproduits dans une hiérarchie de modèles de complexité croissante. Le but d'une approche de physique statistique est de développer : i) des idées théorique expliquant et prédisant la forme de l'auto-organisation de ces écoulements, indépendamment de la complexité dynamique, ii) des outils de caractérisation précise de la statistique de la dynamique de ces écoulements (grandes déviations) iii) la mise au point de modèles de complexité moindre, avec moins de degrés de liberté, reproduisant de façon satisfaisante les phénomènes et utilisable pour des modèles climatiques, ce qui n'est pas le cas actuellement. Notre approche s'inscrit donc en complément et non en opposition avec les approches traditionnelles de mécanique des fluides et de dynamique non linéaires développées jusqu'à présent par les océanographes. Une composante non négligeable du projet est expérimentale, visant à reproduire en laboratoire le type de bistabilité caractéristique du Kuroshio, grâce aux indications données par les prédictions de la mécanique statistique. Le projet regroupe une équipe spécialiste de mécanique statistique pour les écoulements géophysiques (INLN) et deux des plus grands laboratoires d'océanographie français (LPO, Brest) et (LEGI,Grenoble). En terme de dynamique des océans,il regroupe des équipes spécialistes des simulations numériques à tous les degrés de complexité, des modèles les plus académiques aux plus réalistes, et une équipe expérimentale mondialement reconnue pour ses apports à la mécanique des fluides géophysiques.