Les Vagues

I. Définition.

Les vagues sont le déplacement à la surface des océans d'ondes périodiques générées par le vent.
Les vagues marines ont une grande variété de formes, de dimensions et de vitesses de propagation. Leur comportement peut être modélisé à partir des formes ondulatoires, beaucoup plus simples, utilisées par les mathématiciens, et analysé en termes de période, vitesse et écartement (longueur d'onde). Pour les grandes vagues océaniques, la vitesse de propagation est proportionnelle à la période : plus les vagues sont espacées, plus elles voyagent vite. Une autre équation établit que la longueur d'onde est proportionnelle au carré de la période.

Mouvement des particules d'eau dans une vague. Il faut faire la distinction entre les vagues ordinaires, dues à un simple vent sur la mer, et la houle causée par des courants atmosphériques éloignés. La hauteur, la longueur entre les crêtes, la période et la direction des vagues sont très variables. Le temps ou durée d'action et la distance ou longueur d'action permettent d'évaluer la force du vent de mer.

II. Genèse des vagues.

Parmi les différents types de vagues, on nomme houle forte les ondes d'une période moyenne de 20 s, qui se traduit par des écartements de plus de 600 m et des vitesses de propagation supérieures à 30 m/s. Les vagues de houle ordinaire, plus rapprochées, ont une période d'environ 10 s pour un écartement de 150 m et une vitesse de 15 m/s. Les vagues de vent marin, d'une période de 7 s, ont un écartement de 75 m pour une vitesse de 10 m/s. Enfin les vagues du littoral, à l'intérieur des baies, ont des périodes plus courtes, de l'ordre de 3 s, ce qui se traduit par des écartements de 15 m et des vitesses de 5 m/s. Les rides à la surface des étangs ont une période de 0,5 s, une longueur de 0,4 m et une vitesse de 0,8 m/s.

Les vagues sont générées par le vent (1, voir image ci-dessus). En l'absence de vent les vagues continuent à se propager librement, c'est ce qu'on appelle la houle (2). Aux abords des côtes, ces vagues sont modifiées par la présence du fond (3, pour des profondeurs inférieures à 300 m) et en particulier la rugosité du fond (rides, roches) qui peut être elle-même due aux vagues. Enfin les vagues déferlent (4) sur la plage ou les hauts-fonds, récifs et autres, pour des profondeurs de 1 à 20 m, perdant toute leur énergie qui est en partie communiquée aux courants. Ces courants et les vagues sont responsables de l'essentiel des mouvements de sédiments sur les plages : érosion, formation de barres ...
En pratique ces 4 zones peuvent se chevaucher, la "mer du vent" est souvent mélée à la houle, et le vent peut souffler sur la zone de déferlement près de la plage, générant des vagues localement, près du rivage. La propagation des vagues est influencée par les courants et les variations du niveau d'eau, mais à leur tour les vagues modifient les courants et le niveau moyen de l'eau. Ces effets, en plus des forces exercées par les vagues sur les structures et les sédiments, expliquent le grand intêret porté aux vagues par les ingénieurs civils. Même si les surcôtes dues aux vagues sont modestes (quelques dizaines de centimètres tout au plus) elles se superposent aux marées, aux surcôtes dues au vent et à l'effet de baromètre inverse.

La hauteur des vagues (la distance verticale entre un creux et une crête) est plus difficile à modéliser. Elle est principalement déterminée par la force du vent, le temps pendant lequel il souffle et la longueur du plan d'eau sur lequel il s'exerce. En pleine mer, l'interaction est souvent très longue, et les vents d'une dépression peuvent générer des vagues de période et d'amplitude élevées. Dans leur ensemble, les vagues se déplacent dans une direction proche de celle du vent : lorsqu'elles quittent la zone de genèse, elles continuent sur leur lancée sous forme de houle.

III. Les vagues en mouvement.

Quand les vagues de houle s'éloignent de la zone de genèse, celles ayant la plus longue période (et la plus grande longueur d'onde) se déplacent le plus vite, et arrivent donc les premières aux stations côtières et aux balises de mesure. En mesurant l'intervalle de temps les séparant de l'arrivée des vagues de houle plus serrées et plus lentes, il est possible d'estimer la distance entre la station de mesure et la zone de genèse : on parvient ainsi à détecter des systèmes de houle jusqu'aux antipodes de leur lieu d'origine.

L'évolution du spectre des vagues par rapport à la vitesse du vent et à son domaine d'action est aujourd'hui assez bien comprise. À partir des données météorologiques, des algorithmes informatiques peuvent générer des prévisions utiles sur l'état de la mer et des vagues. Le résultat de ces prévisions peut être confronté aux observations visuelles des marins et aux relevés des instruments embarqués à bord des balises et des bateaux de recherche. La hauteur des vagues peut d'autre part, être mesurée depuis un satellite en orbite, au moyen d'un altimètre radar ou laser : la précision des mesures est aujourd'hui de l'ordre du centimètre.

IV. Un transport d'énergie.

Les vagues transportent l'énergie du vent : une partie de celle-ci se dissipe dans les moutonnements et autres turbulences en cours de route, et la fraction résiduelle se dissipe dans les vagues déferlantes de bord de côte et en friction exercée sur le rivage. La conversion d'une partie de cette énergie en électricité a été mise à l'étude et plusieurs types de dispositifs mécaniques ont été conçus pour récupérer l'énergie des vagues de houle. Les problèmes d'opération et d'entretien sont toutefois considérables, et aucun dispositif n'est encore en exploitation régulière.

Lorsque la longueur d'onde d'une houle côtière est inférieure à la profondeur de l'eau, elle est dite courte et interagit peu avec le fond. Mais dans les houles longues, où la longueur d'onde est supérieure à la profondeur de l'eau, la vitesse de déplacement est limitée par cette profondeur. De telles vagues longues incluent tant les oscillations locales, dans les ports et les baies, que les systèmes géants causés par les marées.

V. Particularité.

Un exemple particulier de vague longue est le tsunami (vague géante en japonais), train d'ondes généré par une éruption ou tremblement de terre sous-marin et qui parcourt l'océan à des vitesses élevées (de l'ordre de 200 m/s).
Bien qu'ils soient de faible amplitude en pleine mer, les tsunamis ont des effets dévastateurs lorsqu'ils atteignent la terre ferme et que leur amplitude croît avec la diminution de la profondeur de l'eau : les déferlantes peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres de hauteur, comme sur les côtes du détroit de la Sonde après l'éruption du Krakatau en 1883.

Un réseau de surveillance mondial est chargé de détecter les tsunamis et de suivre leur trajectoire.

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