Turbulence et écologie marine
François G. Schmitt
Ellipses
1 Introduction7
1.1 La recherche de lois7
1.2 Observation, expérimental, théorie, modélisation, numérique8
1.3 Sur le sujet de ce livre : la turbulence et l'écologie marine10
1.4 Présentation des contenus des différents chapitres12
2 Présentation de différents concepts13
2.1 Déterminisme et chaos13
2.2 Couplages multi-échelles16
2.3 Complexité17
2.4 Référentiels eulérien et lagrangien18
2.5 Stratégie d'échantillonnage20
2.5.1 Mesures en eulérien21
2.5.2 Mesures à haute fréquence : ADV, ADCP et autres capteurs22
2.5.3 Mesures en lagrangien26
2.5.4 Que dire des autres types de mesures ?28
2.6 Turbulence, scalaire passif, scalaire réactif29
3 Introduction aux probabilités, et méthodes d'analyse statistique31
3.1 Densité de probabilité31
3.1.1 Probabilités discrètes31
3.1.2 Probabilités continues32
3.1.3 Quelques densités de probabilité classiques35
3.2 Moments statistiques40
3.2.1 Définition40
3.2.2 Relations entre moments et densités de probabilités40
3.2.3 Intervalle de confiance41
3.3 Extrêmes42
3.3.1 Les extrêmes environnementaux dans le domaine sociétal42
3.3.2 Un premier exemple : l'abondance de copépodes45
3.3.3 Un second exemple : la fluorescence45
3.4 Corrélations et bruits46
3.4.1 Corrélation et autocorrélation46
3.4.2 Bruit et mémoire d'une série temporelle47
3.5 Analyse spectrale52
3.5.1 Le spectre d'énergie et ses propriétés52
3.5.2 Exemples de spectres d'énergie53
3.6 A propos des tests statistiques55
4 La turbulence59
4.1 Introduction59
4.1.1 Le nombre de Reynolds61
4.1.2 Equations de Navier-Stokes62
4.1.3 Transport de scalaires passifs et réactifs64
4.1.4 Energie cinétique et dissipation66
4.1.5 Navier-Stokes et le problème de la turbulence68
4.2 Aspects numériques69
4.2.1 Simulations numériques directes (DNS)70
4.2.2 Modèles linéaires versus non-linéaires74
4.2.3 Modèles de transport à base de moyenne de Reynolds : les flux à petite échelle75
4.2.4 Les modèles à base de viscosité turbulente77
4.2.5 Moyenne de Reynolds de l'équation du scalaire passif80
4.2.6 Pistes pour parvenir à fermer la moyenne de Navier-Stokes82
4.3 Turbulence homogène et isotrope84
4.3.1 Cadre eulérien : cascade de Richardson-Kolmogorov86
4.3.2 Cadre eulérien : loi de Obukhov-Corrsin90
4.3.3 Nouvelles échelles de la turbulence : échelle de Kolmogorov, d'injection, de Taylor91
4.3.4 Turbulence convective96
4.3.5 Intermittence : approche de Kolmogorov-Obukhov 1962101
4.3.6 Caractérisation de l'intermittence multifractale106
4.3.7 Intermittence de scalaires passifs110
4.3.8 Intermittence lagrangienne113
4.4 Diffusion turbulente : concentration en matières dissoutes115
4.4.1 Introduction : diffusion moléculaire115
4.4.2 Diffusion turbulente119
4.4.3 Diffusion turbulente lagrangienne : approche de Taylor122
4.4.4 Diffusion relative turbulente : approche de Richardson125
4.4.5 Diffusion anormale126
4.5 Particules et turbulence127
4.5.1 L'équation de Maxey-Riley-Gatignol pour la dynamique de petites particules dans un écoulement turbulent128
4.5.2 Cas des petites particules inertielles131
4.5.3 Dynamique de particules planctoniques131
4.5.4 Cas des particules non sphériques132
4.5.5 Nombre de Stokes et concentration préférentielle136
5 Turbulence et plancton139
5.1 Plancton et motilité139
5.1.1 Questions de définition139
5.1.2 Nombre de Reynolds particulaire141
5.1.3 Importance de la turbulence pour l'écologie du plancton143
5.2 Turbulence et zooplancton143
5.2.1 La nage des copépodes en laboratoire sans turbulence145
5.2.2 Accélération des copépodes147
5.2.3 La nage des copépodees en laboratoire avec turbulence148
5.2.4 Turbulence et larves d'invertébrés marins151
5.2.5 Turbulence et taux de rencontre : approche théorique153
5.2.6 Différents tests in situ ou expérimentaux des modèles de taux de rencontre159
5.2.7 Hétérogénéités et comportement natatoire du zooplancton160
5.2.8 Simulation numérique directe de la turbulence et copépodes162
5.2.9 Concentration préférentielle, taux de rencontre et nombre de Stokes pour les copépodes166
5.2.10 Bilan des études sur les effets de la turbulence sur le zooplancton171
5.3 Turbulence et phytoplancton172
5.3.1 Dynamique eulérienne de séries temporelles de phytoplancton et scalaires passifs175
5.3.2 Dynamique lagrangienne de séries temporelles de phytoplancton et scalaires passifs181
5.3.3 Analyse d'images satellitaires de chlorophylle182
5.3.4 Turbulence et composition des communautés phytoplanctoniques186
5.3.5 Turbulence et culture de micro-algues188
5.3.6 Modélisations numériques : particules phytoplanctoniques motiles et non motiles192
5.3.7 Turbulence et bactéries197
5.3.8 Bilan des études sur les effets de la turbulence sur le phytoplancton199
6 Autres interactions entre la turbulence et l'écologie marine201
6.1 Turbulence biogéochimique201
6.2 Turbulence et organismes benthiques suspensivores206
6.2.1 Vitesse de courant et capture par les suspensivores207
6.2.2 Microfermetures et turbulence chez les bivalves209
7 Conclusions et perspectives211
Bibliographie
215
Index
241