Les fluides stratifiés présentent deux types principaux de mouvement : les ondes de gravité internes et des mouvements tourbillonnaires quasi-bidimensionnels (ou modes de vorticité potentielle). Les ondes évoluent sur une échelle de temps rapide TN = 1/N, où N est la fréquence de Brunt-Väisälä, une fréquence naturelle déterminée par la force de la stratification, tandis que les mouvements tourbillonnaires sont régis par une échelle lente TA = L=U, où U et L sont des échelles horizontales de vitesse et longueur caractéristiques des structures tourbillonnaires. La différence entre ces deux modes peut être illustrée par la décroissance d'une zone turbulente en présence d'une stratification de fond stable : pendant l'éffondrement de la turbulence initiale, l'énergie est soit rayonnée sous la forme d'ondes internes qui se propagent loin de la région turbulente initiale, soit transmise aux mouvements d'advection quasi-horizontaux qui s'organisent comme patches de vorticité potentielle. Cette thèse aborde d'un point de vue expérimental et théorique le problème de l'interaction des ondes de gravité internes et tourbillons pancake dans un fluide fortement stratifié ainsi que l'étude des mécanismes diffusifs des tourbillons pancake.

L'effet sur l'écoulement atmosphérique de grande échelle, du déferlement des ondes de gravité de montagne à des niveaux critiques, est étudiée sous l'angle d'une production de vorticité potentielle dans le cadre du modèle de Eady. Concernant les échelles synoptiques, on montre notamment à l'aide d'un modèle semi-géostrophique linéarisé forcé par une force paramétrisée, que l'effet est cyclolytique dans le cas d'un front froid, et cyclogénétique pour un front chaud. Puis la dynamique 2D complète non linéaire est abordée à l'aide des équations primitives anélastiques. La réponse au forçage montagneux (paramétrisé ou direct) aux échelles sous-synoptiques, contient notamment des modes de Eady non-géostrophiques, couplant une onde de Eady de surface à une onde d'inertie-gravité de même échelle, et des trains d'ondes d'inertie-gravité générés spontanément par l'écoulement équilibré associé au dipole de vorticité potentielle. L'étude de la saturation non linéaire de ces réponses donne des amplitudes relativement faibles mais significatives.

Une campagne de mesures simultanées obtenues d'une part in-situ par un ballon instrumenté entre le sol et 18 km d'altitude, d'autre part à distance par un radar Stratosphère-Troposphère permet une étude expérimentale du domaine d'échelles de la turbulence tridimensionnelle isotrope, de celui du champ d'ondes de gravité aléatoires et du domaine de transition entre ceux-ci. Divers résultats ont été obtenus: la turbulence inertielle n'est observable que si l'espace spectral disponible est suffisamment large et le caractère non-passif des fluctuations de température s'y manifeste clairement. L'anisotropie des fluctuations dans le domaine de transition est intermédiaire entre celles observées dans les domaines limitrophes et les mesures radar montrent qu'elle reste importante jusqu'à des échelles de l'ordre de 3 m.

L'ajustemnt géostrophique nonlinéaire de fronts et de jets est analysé. Il est démontré que le formalisme lagrangien est le mieux adapté pour décrire sans ambiguité ce problème. Des modifications du scenario classique d'ajustement de Rossby sont mises en évidence. <br /><br />L'analyse de radiosondages de la campagne FASTEX montre que les jets et les fronts atmosphériques aux moyennes latitudes sont des sources importantes d'ondes de gravité. <br /><br />Un mécanisme d'excitation d'ondes de gravité à partir de mouvements vorticaux est analysé théoriquement dans le cadre d'un fluide stratifié, pour les ondes excitées par un tourbillon ellispoïdal.

Nous considèrons le ballottement des liquides dans les réservoirs cylindriques pour de forts taux de remplissage. Le système est soumis à une oscillation rectiligne horizontale et périodique de basse fréquence. Des visualisations ainsi que des mesures temporelles de la position de la surface libre par sonde capacitive ont permis de détailler les mouvements d'ondes ainsi que la déstabilisation du front. Trois régimes sont mis en évidence : un mode plan antisymétrique, un régime chaotique et un mode tournant. Le mode forcé est très bien modélisé par un pendule simple amorti. Ce modèle mécanique permet de prévoir la coexistence initiale du mode propre décroissant et du mode forcé et de déterminer l'amplitude stationnaire et le déphasage par rapport à l'excitation. La résonance est observée pour des fréquences inférieures à la fréquence propre linéaire du mode 1, la non linéarité est négative pour ces taux de remplissage. Le mode plan déferle alors et un régime pseudo périodique d'alternance des différents modes et de phases de brisure s'installe. L'étude détaillée de la brisure est réalisée en cuve carrée. Le front de l'onde à la paroi est déstabilisé par des ondes transverses de type Faraday. Cette instabilité donne lieu à une forte modification du profil de l'onde. Elle conduit également à une importante création de bulles entraînées et de gouttes par un phénomène de splashing. Pour des fréquences légèrement supérieures à la fréquence de résonance linéaire, le mode tournant, onde progressive azimutale, émerge. Ce mode existe pour des fréquences élevées par mise en rotation de la masse de fluide et effet Doppler. Il reste stable pour des amplitudes d'ondes très importantes.

Cette thèse vise à mieux connaître la structure thermique de la haute atmosphère jovienne dans les régions polaires . Pour cela, deux points sont abordés : la caractérisation des ondes de gravité stratosphériques, et les variations de température dans l'ionosphère. L'étude d'occultations stellaires a permis d'obtenir des profils de température à haute altitude pour les deux hémisphères. Ces profils confirment l'augmentation de température stratosphérique lorsqu'on se rapproche des pôles. L'analyse temps-échelle de ces profils de température a permis de détecter des ondes de gravité, et d'en caractériser certains modes. Cette thèse développe également des méthodes d'étude, caractérise les limites de chaque méthode, et définit des stratégies d'observations pour la détection d'ondes de gravité. L'analyse de données du spectro-imageur BEAR portant sur les raies d'émission de H3+ dans l'infrarouge proche a ensuite permis de mettre en évidence des variations latitudinales et longitudinales de la température ionosphériques dans la zone aurorale, et de les relier aux variations d'abondance de H3+. Les avancées dans les deux domaines permettent de quantifier l'apport énergétique du déferlement d'ondes de gravité d'une part, et des précipitations aurorales d'autre part, au bilan thermique des thermosphères des planètes géantes.

L’objectif de cette thèse est d’obtenir une meilleure connaissance des ondes de gravité atmosphériques, de leurs sources et caractéristiques, et de leur propagation au moyen d’observations ballons et de simulations. Les ballons pressurisés (SPBs) utilisés dans cette thèse sont une des meilleures plateformes d’observations des ondes de gravité, et permettent d’obtenir l’ensemble de leurs caractéristiques. Les modèles à haute résolution donnent une description complète de l’écoulement, non seulement des ondes, mais aussi de leurs sources. Nous avons combiné mesures par SPBs et modélisation pour décrire les ondes de gravité et évaluer le réalisme des champs d’ondes de gravité dans des sorties de modèles. En s’appuyant sur les observations de PreConcordiasi (2010), les ondes de gravité convectives sont décrites aux Tropiques sur l’ensemble de la campagne, ainsi que sur un cas de cyclone tropical en développement. Dans un deuxième temps, les observations de la campagne Concordiasi (2010) nous permettent de quantifier le réalisme du champ d’onde de gravité résolu aux hautes latitudes (hémisphère sud) décrit dans les analyses de l’ECMWF. Un bon accord géographique et saisonnier est observé pour les flux de quantité de mouvement et l’intermittence. Cependant, il est montré que la magnitude des flux est sous-estimée dans les analyses de l’ECMWF. Enfin, une contribution aux campagnes opérationnelles ballons est apportée, en se focalisant sur les ballons stratosphériques ouverts qui sont le plus grand défi pour le CNES. Pour des cas d’étude lors de la campagne Strapolété (2009), nous montrons que l’incertitude sur la position de retombée des ballons peut être réduite dans une configuration simple en assimilant des observations par radiosondages. / The goal of this thesis is to obtain a better knowledge of the atmospheric gravity waves in the atmosphere, of their sources and characteristics, and their propagation using balloon observations and modeling. The superpressure balloons (SPBs) used in this thesis are one of the best platform to observe gravity waves, and allow us to retrieve the ensemble of their characteristics. High-resolution models provide a complete description of the flow, not only of the waves, but also of their sources. We have combined SPB measurements and modeling in order to describe the gravity waves and evaluate the gravity wave field in model outputs. Using the observations from PreConcordiasi (2010), the convective gravity waves are described in the Tropics during the whole campaign, and also for a case of developing Tropical Cyclone. Second, observations from the Concordiasi campaign (2010) allow us to quantify the realism of the resolved gravity wave field in the ECMWF analyses at high latitudes (Southern Hemisphere). A good geographical and seasonal agreement is found for the momentum fluxes and the intermittency. However, it is shown that the magnitude is underestimated in the ECMWF. Finally, we bring a contribution to the operational balloon campaigns, with a focus on the open stratospheric balloons, which constitute the greatest challenge for the CNES. For cases during the Strapolété campaign, we show that the uncertainty on the final touchdown position of the balloons can be reduced using a simple setup that assimilates radiosoundings.

L’objectif de la thèse était d’analyser deux types de perturbations de l’ionosphère supérieure observées sur les mesures de plasma fournies par le satellite DEMETER.Les premières sont des Perturbations Ionosphériques Itinérantes de moyenne échelle engendrées par l’action sur le plasma des ondes de gravité atmosphériques qui se propagent jusqu’à haute altitude. Elles prennent la forme de variations quasi-périodiques de densité du plasma qui peuvent atteindre des amplitudes considérables et sont plus fréquentes dans l’hémisphère Sud avec un maximum au-dessus de l’Océan Pacifique. Elles peuvent modifier l’électrodynamique de l’ionosphère et amplifier le champ électrique d’origine dynamo.Les secondes sont observées dans l’ionosphère équatoriale comme des augmentations à grande échelle de la densité du plasma sous la forme de plateaux. En fonction des conditions d’activité magnétique, des dépressions de densité à moyenne échelle peuvent apparaitre sur les plateaux et conduire à la formation des bulles de plasma équatoriales. / This thesis aims at analyzing two kinds of ionospheric disturbances observed on plasma measurements on-board the DEMETER satellite.The first events are Mid-Scale Traveling Ionospheric Disturbances that develop through the interaction between atmospheric gravity waves and the ionospheric plasma. They are observed as quasi-periodic variations of the plasma density that may reach very large amplitudes and are more frequently observed in the Southern hemisphere with a maximum over the Pacific Ocean. These MSTID may strongly modify the electrodynamics of the mid latitude ionosphere and form structures where the dynamo electric field is significantly enhanced.The second events are detected in the equatorial ionosphere as large scale enhancements of the plasma density under the form of plateau. Depending on the level of magnetic activity these large scale structures may be modified by mid-scale density depletions that, eventually, get instable and led to the formation of depleted plasma bubbles.

Les ondes internes jouent un rôle essentiel dans la dynamique de l'atmosphère et de l'océan. Elles sont entres autres invoquées pour expliquer le mélange irréversible de ce dernier. Dans des géométries particulières, ces ondes sont susceptibles de converger vers des trajectoires limites appelées attracteurs. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement ces attracteurs dans une cuve trapézoïdale. Dans un premier temps, nous nous intéressons à leur bilan énergétique, en mesurant les différentes dissipations ainsi que la puissance injectée par le générateur d'onde. Si cette puissance est suffisante, l'attracteur est susceptible de se déstabiliser par interactions triadiques. Nous quantifions la part de dissipation portée par ces ondes secondaires ainsi générées. La mesure de la puissance injectée en régime linéaire a montré qu'elle est plus importante pour les attracteurs. Cette résonance, observée jusqu'ici sous une excitation monochromatique, est ici observée en étudiant la réponse du système à une impulsion. Un développement théorique est proposé et permet de comparer quantitativement les deux méthodes. Enfin, nous étudions le régime non linéaire des attracteurs, qui présente des spectres temporel et spatial très riches. Après avoir caractérisé le régime non linéaire, nous exhibons deux comportements non linéaires très différents et apportons des pistes d'explication à leur existence / Internal waves are very important to atmospheric and oceanic dynamics. Among others, they might explain the irreversible mixing of the oceans. In particular geometries, these waves can focus on limit cycles called attractors. Firstly, we investigate the energy budget of these attractor by measuring the different dissipative terms and the injected power coming from the waves source. If this power is sufficient, the attractor destibilise throught triadic instabilities. We quantify how much these secondary are important to the global dissipation rate.The measurement of injected power in the linear regime has shown that it is bigger for the attractors. This resonance, which had been observed under a monochromatic excitation, is here study by analysing the response of the system to an impulse. A theoretical development is proposed to compare quantitatively these two methods. Finally, we study the non linear regime of attractors, which present some complex spatial and temporal spectrum. We caracterise this non linear regime and show that two very different non linear beahviors exist. We bring up some explanation to these behaviors

Ce mémoire est composé de deux parties indépendantes. Si les deux sujets traités sont de nature différente, l'étude asymptotique du problème est à chaque fois au centre de la réflexion. Dans la première partie, nous nous intéressons au comportement d'un système composé de deux fluides non miscibles, soumis à la seule force de gravité. Un tel système est utilisé en océanographie, afin de modéliser une étendue d'eau de densité variable. On commence par écrire sous forme agréable les équations d'évolution gouvernant le système. Ensuite, on développe une panoplie de modèles asymptotiques, dans les régimes d'eau peu profonde - où l'on suppose que la profondeur des couches de fluide est petite devant la longueur d'onde caractéristique à l'interface - et d'ondes longues - où l'on ajoute une hypothèse de petitesse des déformations à la surface et à l'interface. Ces modèles sont rigoureusement justifiés, par des résultats de cohérence ou de convergence. Finalement, on s'intéresse particulièrement au phénomène d'eaux mortes, qui se manifeste par une forte résistance à l'avancement subie par un corps naviguant dans des eaux stratifiées. Cette résistance est une conséquence de l'énergie dépensée par le corps pour générer une onde à l'interface entre les deux couches de fluide. Là encore, des modèles asymptotiques sont construits, justifiés rigoureusement et simulés numériquement. Une telle étude nous permet de prédire dans quelles situations le phénomène d'eaux mortes se manifeste. La deuxième partie est dédiée à l'étude de la propagation des ondes dans un milieu non-homogène. La motivation de cette étude se situe dans les cristaux photoniques, dont les propriétés de structure se répercutent sur la propagation des rayons lumineux. Plus particulièrement, nous nous intéressons à l'influence de la présence de défauts dans le matériau, modélisés par des singularités et/ou des discontinuités dans la microstructure. On montre que ces interfaces ont un effet prédominant sur les propriétés asymptotiques du matériau - notamment le coefficient de transmission - lorsque la longueur caractéristique de la microstructure tend vers zéro.