Publié le par Mister Fanjo

La cinétique des vagues

Cet article de vulgarisation a pour but d’expliquer la cinétique des vagues en particulier comment elles se forment. C’est parti !

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Comment se forment les vagues ?

Une vague est une déformation de la surface d’une étendue liquide le plus souvent sous l’effet du vent.

Frémissement de l’eau sous l’influence des anticyclone et dépression

A l’échelle de la planète,  les anticyclones et les dépressions créent de grands mouvements d’air. Ces derniers frottent la surface des océans et provoquent des irrégularités. Au fur et à mesure, le vent s’engouffre dans ses légères ondulations, les renforce ce qui augmente leur puissance. Autrement dit, le frémissement de l’eau prend de l’ampleur et se transforme en houle sous l’effet du vent. On parle de train de houle.

Amplification de la houle du large jusqu’au rivage

On observe le phénomène d’ondulation sur toutes les étendues d’eau (les océans, les mers, les lacs, les rivières, et même les flaques…). Les caractéristiques des ondes dépendent principalement de trois facteurs :

  • la force du vent
  • la durée durant laquelle il souffle
  • le fetch, c’est-à-dire la distance parcourue par le vent sans obstacle

A ce propos, plus l’étendue d’eau sur laquelle le vent souffle est importante, plus les ondes tendent à se renforcer. C’est pourquoi les vagues en mer sont généralement plus petites que celles des océans. Les ondes ont moins d’espace pour emmagasiner l’énergie du vent.

Néanmoins, sous certaines conditions météorologiques, on peut tout de même observer de fortes houles sur de “petites” étendues d’eau. C’est par exemple le cas en méditerranée lors de grosses dépressions, voire même sur certains lacs, comme le lac Érié en Amérique.

Bref, on peut retenir que les trains d’ondes sont principalement dus au vent qui les renforce jusqu’au déferlement sur le rivage.

Le déferlement de la vague au bord de l’eau

A l’approche d’une côté, le profil de la houle se courbe au fur et à mesure que la profondeur d’eau diminue. Les ondes s’élèvent jusqu’à basculer vers l’avant et déferler. Concrètement, la vague se brise lorsque sa crête se déplace plus vite que son pied, notamment lorsque le bas de l’onde frotte le fond. Lors du déferlement, l’essentiel de l’énergie de la vague est dissipée en tourbillons et formation de bulles d’air.

L’influence des fonds marin

La forme d’un déferlement au voisinage du rivage dépend essentiellement de la pente des fonds. On distingue trois principaux types de déferlement.

  • Le déferlement progressif ou glissant. Il se produit généralement sur les plages à très faible pente. Les vagues commencent à se briser loin du rivage. La crête a un aspect mousseux qui s’accentue lors de la progression en laissant derrière une couche d’écume.
  • Le déferlement plongeant. La vague s’enroule autour d’une poche d’air puis s’écroule en créant une grosse éclaboussure. Il s’agit du type de déferlement prisé par les surfeurs. Il se produit le plus souvent au niveau d’une forte pente (rebord rocheux ou écueil).
  • Le déferlement frontal ou gonflant. La vague gravit la plage avant que la crête puisse s’enrouler. C’est le cas lorsqu’il y a un changement brutal de profondeur.

Autres types de vagues

On peut noter qu’il existe aussi d’autres types de vagues qui ne sont pas uniquement issues de la houle :

  • Les raz de marée : Les vagues se forment soit sous l’effet d’une tempête, soit lors d’un mouvement brutal des fonds marins causé par séisme, une éruption volcanique ou un glissement de terrain (dans ce cas, on parle de tsunamis).

Tsunami en Indonésie – 26 décembre 2004

  • Les mascarets : il s’agit des vagues qui remontent les fleuves par leur embouchure, sous l’effet de la marée montante.

Mascaret sur l’estuaire de la Gironde

  • Les vagues scélérates : ces vagues océaniques gigantesques et soudaines s’apparentent à des murs d’eau. Elles surgissent en pleine mer et peuvent causer des dommages importants aux bateaux. Les scientifiques ont encore du mal à expliquer comment elles se forment.

Autres facteurs influant sur la mécanique des vagues et de la houle

A ce propos, il convient d’indiquer que les vagues et la houle sont des phénomènes complexes qui dépendent de multiples autres facteurs comme le relief, les courants ou encore les vents locaux. 

L’exemple du cap Horn (réputé pour être l’un des passages les plus dangereux au monde pour la navigation maritime) illustre bien la complexité des phénomènes impliqués dans la formation des vagues. D’une part, la géographie de la région accentue la force des vents dominants à cause d’un effet entonnoir ce qui renforce localement la houle. Ensuite, des zones peu profondes viennent amplifier la hauteur des ondes. De plus, le vent souffle parfois à contresens des courants marins ce qui vient creuser les vagues encore plus. La région est aussi le point de rencontre entre les trains de houle venant de l’océan Pacifique et ceux de l’océan Atlantique. Bref, de multiples facteurs viennent influencer localement les caractéristiques des vagues.

6 informations complémentaires sur les vagues

  • Hauteur des vagues : La hauteur des vagues varie de quelques centimètres à plus de 30m pour les plus hautes. 
    • La plus grande hauteur enregistrée par un instrument est de 32,3 m
    • Lors de la tempête tempête Quirin en février 2011 en Atlantique Nord, les mesures faites par altimétrie satellitaire référencent un maximum de 36 m avec une moyenne de hauteur de creux de 20 m.
  • Modélisation des vagues avec des modèles physiques. Les scientifiques s’appuient sur des modèles physiques pour expliquer, avec plus ou moins de précision, la mécanique des vagues et de la houle . Par exemple, des chercheurs ont reproduit la cinétique des vagues scélérates dans un bassin. (Source vidéo : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/7/78/Super_Rogue_Wave.ogv/Super_Rogue_Wave.ogv.480p.vp9.webm)
  • La propagation des ondes : La houle peut prendre des formes étonnantes. 
    • Sous certaines conditions, on observe une houle parfaitement rectiligne.
    • Parfois, des ondes se propagent dans des directions différentes. Par exemple, on peut observer des trains de houle perpendiculaires, au phare des baleines sur l’ile de ré. On parle de « mer gaufrée ».
    • Il arrive que les ondulations soient complètement instable car des trains de houle de sens et direction différentes se rencontrent dans la même zone.

Mer gaufrée (phare des baleines – île de Ré)

  • L’échelle de Douglas. Tout comme l’échelle de Beaufort pour qualifier la force du vent, on utilise l’échelle de Douglas pour décrire l’état de la mer. Cette classification repose sur 10 valeurs qui sont fonction de la hauteur de la mer du vent.

Echelle de douglas

 

  • Captation de l’énergie houlomotrice. Il existe des dispositifs pour capter l’énergie de la houle (comme par exemple, le mécanisme Pelamis)

Mécanisme Pelamis

  • La Grande Vague de Kanagawa. Les vagues ne cessent de fasciner l’Homme. De nombreuses œuvres les représentent. L’une des plus célèbres est sans doute : La Grande Vague de Kanagawa, réalisée par le peintre japonais Hokusai vers les années 1830.

Conclusion

On peut retenir qu’une vague est une déformation de la surface d’une étendue d’eau le plus souvent sous l’effet du vent. Le vent s’engouffre dans les légères ondulations et les renforce jusqu’à ce qu’elles déferlent sur le rivage.

Sources

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