E4 Vagues océaniques - Surface

Topique

Les vagues de surface océaniques sont des perturbations à l'interface entre l'eau et l'air, où la gravité agit comme force de rappel. En eau profonde, lorsque la profondeur dépasse environ un quart de la longueur d'onde, la vitesse de chaque vague dépend uniquement de sa longueur d'onde et non de la profondeur : les vagues longues se propagent plus vite que les vagues courtes, un phénomène appelé dispersion. En eau peu profonde, où la profondeur est bien inférieure à la longueur d'onde, c'est l'inverse : toutes les vagues, longues et courtes, se propagent exactement à la même vitesse, une vitesse qui dépend uniquement de la profondeur et qui augmente avec la racine carrée de cette profondeur. Cette égalité des vitesses explique pourquoi les vagues en eau peu profonde cessent de se disperser.

Le vent génère des vagues océaniques et, ce faisant, ces vagues évoluent en un spectre de fréquences et de directions qui peut prendre deux formes typiques, selon le degré d'avancement du processus de génération des vagues. Le spectre d'une mer où le vent génère encore activement des vagues présente un pic d'énergie concentré à une fréquence de crête bien définie, avec un facteur d'amplification proche de 3,3 fois celui d'une mer pleinement développée. Cela signifie que l'énergie de ce spectre est beaucoup plus concentrée autour de cette fréquence de crête que dans une mer pleinement formée. Le spectre de Pierson-Moskowitz, en revanche, décrit précisément une mer pleinement formée, où le vent n'ajoute plus d'énergie aux vagues et où son facteur d'amplification maximal est exactement égal à un. La hauteur significative des vagues quantifie l'amplitude moyenne du tiers supérieur des vagues composant le spectre et est directement liée à la variance de ce spectre : plus le spectre des vagues contient d'énergie, plus sa variance est grande et, par conséquent, plus la hauteur significative des vagues qu'il produit est importante. Ainsi, connaître la variance du spectre suffit à prédire la hauteur moyenne des plus grandes vagues en mer.

Lorsque l'amplitude d'une vague particulière dépasse environ un septième de sa longueur d'onde, un seuil appelé critère de Stokes, cette vague déferle, formant de l'écume blanche à la surface. Ce déferlement est la principale source de dissipation d'énergie dans l'ensemble du spectre des vagues, et c'est ce même déferlement qui permet à la houle de transférer de l'énergie cinétique et des gaz dissous à l'océan sous-jacent. Outre la dissipation d'énergie lors du déferlement, les vagues produisent également des courants de Stokes : un flux net de masse d'eau dans le sens de propagation de la vague, dû à la différence de transport de l'eau entre la crête et le creux. Ces courants de Stokes transportent en surface les bouées dérivantes et les polluants en suspension. Au sein même du spectre des vagues, les interactions non linéaires redistribuent constamment l'énergie d'une fréquence à l'autre, ce qui entraîne une réorganisation interne continue du spectre, même longtemps après la disparition du vent.

On s'attend à ce que, loin de leur zone d'origine, les vagues se propagent sous forme d'une houle de plus en plus ordonnée. C'est précisément la dispersion décrite précédemment qui provoque la séparation de cette houle par fréquence au fil de son parcours sur des milliers de kilomètres : les vagues les plus longues et les plus rapides atteignent les côtes lointaines en premier, suivies des plus courtes. Ainsi, de la dispersion qui distingue les eaux profondes des eaux peu profondes à la séparation des fréquences que subit une houle après avoir parcouru des milliers de kilomètres, les vagues de surface océaniques portent avec elles, dans la structure même de leur spectre, l'histoire complète du vent qui les a générées et de l'océan qu'elles ont ensuite traversé.

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