GERBRANT VAN VLEDDER cycle de vie des vagues océaniques

Gerbrant van Vledder

LE LIVRE DES VAQUES
PAR DOLPH KESSLER

Quelques notions de base sur l’origine
Et cycle de vie des vagues océaniques

Ce livre de Dolph Kessler montre magnifiquement la grande variété dans laquelle les vagues océaniques peuvent se manifester. C’est un exemple de nombreuses façons de regarder les vagues; L’artiste voit des modèles intrigants tandis que le marin reconnaît immédiatement leurs dangers et comment y faire face et l’océanographe spécule sur l’origine de chaque vague. Cela illustre comment les vagues peuvent être vues sous différentes perspectives. En tant que scientifique, je peux profiter de la beauté des vagues, non seulement dans ces photographies, mais aussi en appréciant l’élégance des équations mathématiques décrivant leur comportement. Dans mon travail, je vois généralement des images abstraites sur mon écran d’ordinateur en espérant qu’elles représentent correctement la réalité. Cependant, dans ce livre de photographies, prises sur l’océan Atlantique, Dolph Kessler montre un aspect différent des vagues. Ses photos montrent les diverses humeurs des vagues de l’océan: des ondelettes douces à une masse d’eau en furie. C’est donc un grand plaisir pour moi de présenter au lecteur quelques concepts de base sur l’origine et le cycle de vie des vagues océaniques.

À partir du cycle sans fin des vagues océaniques, chaque image représente un instantané dans le temps, de leur origine dans une douce brise jusqu’au moment où ils se brisent forcément sur la côte. Cela nous amène automatiquement à interroger ce qui se passe dans les phases intermédiaires. Avant d’expliquer cela, je vais d’abord présenter les différents types d’ondes qui se produisent sur l’océan. Les vagues les plus communes sont celles générées par l’action du vent. Tout le monde les reconnaît immédiatement comme des vagues d’eau, et ils se matérialisent partout, sur l’océan, les lacs, mais aussi dans nos fossés et étangs. Il est important de souligner que ces images de vagues enregistrées par Dolph Kessler sont le principal objectif de mon introduction. Un autre type commun de vagues sont les marées, reconnaissable par la variation lente deux fois par jour des niveaux d’eau. Ce phénomène d’onde est principalement généré par l’interaction gravitationnelle de la terre, de la lune et du soleil. Les raz de marée se révèlent dans la zone côtière où les courants d’accompagnement doivent se forcer par des étroits détroits. De temps en temps, la surface de l’océan est perturbée par un tsunami causé par un mouvement soudaine du fond océanique. Ceci à son tour est causé par des tremblements de terre ou des volcans explosifs. En eau profonde, ces vagues sont à peine visibles, mais dans les zones côtières peu profondes, elles peuvent augmenter en taille jusqu’à des hauteurs dévastatrices qui détruisent tout ce qui se trouve sur leur passage.

Pour permettre au lecteur de mieux comprendre l’histoire derrière chaque photographie, je vais décrire le cycle de vie des vagues de vent. Cela ne sera pas limité à une seule vague, mais plutôt à une collection d’ondes alors qu’elles poussent et se propagent sur l’océan jusqu’à ce qu’elles se brisent. Je vais également introduire un certain nombre de concepts pour permettre la définition de situations plus complexes. Pretor-Pinney a écrit un livre éclairant sur les différents types de phénomènes d’ondes que nous rencontrons dans notre vie quotidienne, y compris les vagues générées par le vent. Pour cette introduction, je vais faire appel à sa distinction des cinq phases du cycle de vie des vagues qui passent progressivement d’une phase à l’autre. Dans la première phase, une légère brise est suffisante pour générer de petites perturbations dans la surface de l’eau. Ils apparaissent souvent comme des modèles de diamants qui se croisent rapidement sur la surface de l’eau. Dès que le vent chute, ces ondulations disparaissent rapidement en raison de l’effet d’amortissement de la tension de surface. Les marins voient dans ces petites perturbations un coup de vent approchant, leur donnant le temps de resserrer la voile. Ces vagues initiales atteignent seulement des hauteurs de quelques centimètres, mais elles existent partout sur l’océan car le temps complètement calme est rare.

À mesure que le vent se renforce, nous arrivons à la deuxième phase de la croissance des vagues. Les petits tourbillons invisibles dans l’air créent des fluctuations de pression alternées qui poussent contre les petites vagues pour qu’elles grandissent lentement. Maintenant, ils sont devenus si grands qu’ils ne peuvent plus être soumis par la tension superficielle. La surface de la mer ressemble maintenant à une collection chaotique de vagues. Chaque onde simple peut être considérée comme un mouvement ondulatoire de la surface de l’eau avec le point le plus élevé appelé la crête de vague et le point le plus bas de l’onde de vague. On peut attribuer à chaque vague certaines caractéristiques, telles que leur hauteur (la distance verticale entre la crête et l’auge), leur longueur (la distance horizontale entre les crêtes suivantes), leur période d’onde (le temps qu’il faut pour atteindre une certaine Point) et la direction dans laquelle ils se propagent. D’une manière générale, la hauteur des vagues augmente avec l’augmentation des périodes d’onde et leur longueur d’onde est proportionnelle au carré de leur période.

Il a fallu beaucoup de temps avant que les océanographes démêlent la structure d’un champ d’onde. Heureusement, malgré le chaos apparent, il existe une structure sous-jacente. Pour simplifier, nous considérerons la situation où le vent souffle d’une seule direction. La première étape est simplement de compter combien de fois vagues viennent d’une certaine direction par rapport à la direction du vent. Nous voyons alors que la plupart des vagues se déplacent à peu près dans la même direction que le vent et que le nombre d’ondes diminue avec l’angle croissant par rapport à la direction du vent. Cette répartition sur les directions est appelée étalement directionnel. Les mers du vent sont généralement plus répandues que les vagues de houle régulières, qui semblent provenir d’une seule direction.

Une deuxième façon de compter les vagues consiste à regarder le mouvement de montée et de descente de la surface de l’eau à un endroit fixe par rapport à un niveau moyen. Chaque fois que les surfaces ondulantes de l’eau traversent ce niveau, une nouvelle vague commence à partir de laquelle nous pouvons déterminer sa hauteur et sa période. La hauteur de vague suit alors la différence entre le niveau d’eau le plus haut et le plus bas et la période d’onde est le temps entre deux passages de ce niveau d’eau moyen. Les observations montrent que dans les mers orageuses, l’augmentation de la hauteur moyenne des vagues est accompagnée d’une augmentation de la période des vagues, alors que dans les conditions de la houle la hauteur des vagues diminue avec l’augmentation de la période des vagues. Malgré le large éventail de hauteurs de vagues, beaucoup de gens sont capables d’attribuer une hauteur de vague caractéristique à une telle collection d’ondes, souvent appelée «hauteur de vague significative». Une autre propriété des vagues est leur pente, le rapport de la hauteur des vagues sur la longueur d’onde. Un champ d’onde croissant est plus raide qu’un champ d’onde de houle.

Avec la vitesse du vent croissante les vagues changent de caractère à nouveau et ainsi nous entrons dans la troisième phase dans le cycle de vie des vagues de vent. La mer devient plus rugueuse et les blancs apparaissent. Ces blancs indiquent des conditions de rupture où certaines vagues perdent une partie de leur énergie. En conditions de tempête, les creux entre les vagues se remplissent peu à peu de mousse et de gouttelettes, ce qui rend difficile la distinction des vagues individuelles. Dans des conditions de vent constant, les vagues vont devenir une situation d’équilibre dans laquelle la croissance par le vent et la dissipation par rupture de l’équilibre. Dans cette situation, la surface de l’onde apparaît encore chaotique, mais encore un certain ordre sous-jacent existe qui est associé à divers processus physiques. L’un de ces processus consiste en des interactions entre les différentes composantes d’onde constituant un champ d’onde. Ces interactions échangent de l’énergie telle qu’une certaine distribution émerge des vagues avec des périodes, des longueurs et des directions variables.

Au fur et à mesure que le vent chute, le champ d’onde changera de caractère et nous entrerons dans la quatrième phase. Le vent ne transfère plus d’énergie aux vagues et les blancs disparaissent rapidement. Maintenant les vagues ne sont plus sous l’influence du vent et les océanographes appellent de telles vagues de houle de vagues. Maintenant, une autre propriété intéressante des vagues de l’océan apparaît. La vitesse de propagation d’une onde est proportionnelle à sa période d’onde. Cela signifie que les ondes de plus longue période se déplacent plus rapidement sur la surface de l’océan que les ondes plus courtes avec des périodes d’onde plus petites. L’effet est que le champ d’onde est graduellement divisé en groupes d’ondes se propageant dans la même direction avec la même vitesse. Comme les vagues s’étendent sur la surface de l’océan, ils apparaîtront plus réguliers avec le temps et l’espace. Ces vagues régulières sont vécues comme des vagues de houle. Dans les années 1960, il a été découvert que les vagues de houle pourraient se propager sur des distances énormes comme ils perdent pratiquement aucune énergie en se brisant. Dans une expérience célèbre, il a été découvert que des vagues de houle approchant les côtes de l’Alaska ont été générées 10 jours plus tôt dans une tempête sévère près de l’Antarctique. C’est une distance de plus de 14.000 km! Ceci illustre en outre que les ondes de gonflement se comportent indépendamment des conditions météorologiques locales où elles sont mesurées. Cette propriété unique des vagues de houle a été exploitée pendant des centaines d’années par les gens de mer des îles Marshall pour soutenir la navigation entre leurs îles éloignées, bien avant le temps d’un dispositif GPS. Comme ces îles se trouvent au milieu de l’océan Pacifique, elles rencontrent un afflux assez constant d’houles produites dans les zones de tempête du nord et du sud de l’océan Pacifique. En juin 2015, j’ai participé à une expédition scientifique aux îles Marshall pour étudier cet ancien art de la lecture des vagues à des fins de navigation. Il était spécial de connaître le mouvement ondulant des vagues d’océan au milieu de l’océan et de s’appuyer sur l’artisanat du navigateur pour nous amener en toute sécurité à l’île la plus proche.

Même les vagues ont une vie finie. À un certain moment, ils vont frapper la côte. Avant d’atteindre la côte, cependant, ils sont ralentis et affaiblis par des bassins seulement pour se briser sur les côtes atlantiques. Surtout en temps d’orage, il est merveilleux de voir comment ces vagues puissantes explose en énormes éclaboussures. De cette façon, on peut sentir la puissance des vagues. Aussi, par temps calme et dans les zones à pentes légèrement inclinées, comme c’est le cas près de Nazaré au Portugal, les vagues de houle peuvent se raidir à des disjoncteurs gigantesques. Mais aussi en plein océan, des vagues venant de différentes directions peuvent se heurter dans des fontaines d’eau soudaine. Ceci est bien illustré dans un certain nombre de photos dans ce livre, comme celui de la page 46.

Dans le résumé ci-dessus, j’ai donné une description du fascinant cycle de vie des vagues océaniques générées par le vent. Fait intéressant, nous pouvons également inverser le problème. Que nous disent les vagues sur le vent? C’est déjà plus de 200 ans que Francis Beaufort a abordé cette question. Il était à la recherche d’une méthode pour consigner systématiquement l’état du temps à partir des navires. Sur la base des caractéristiques visibles de la surface de la mer, il a pu dériver une échelle objective allant de 1 (petites ondulations) à une échelle presque impossible à mesurer 12 (force d’ouragan). Comme il y avait des milliers de navires naviguant sur l’océan, il a été en mesure de dériver un atlas climatique mondial du vent et les conditions des vagues. Un tel atlas donne une description statistique des conditions météorologiques qui peuvent être attendues un jour donné. Il fut bientôt reconnu comme indispensable pour planifier des voyages sûrs. Avec l’arrivée des techniques de prévision par ordinateur, ces atlas sont vite devenus obsolètes.

Ces modèles informatiques utilisent les prévisions de vent sur l’océan et traduisent cette information en une prédiction des conditions de vagues attendues, semblable à des prévisions météorologiques bien connues. L’art de prédire les conditions des vagues a fait un bond significatif dans la Seconde Guerre mondiale quand il y avait un besoin fort de prévisions d’onde fiables pour des débarquements amphibies sûrs. À cette époque, faire une telle prédiction exigeait beaucoup de travaux manuels fastidieux et compliqué. Avec une connaissance croissante de la génération et du comportement des vagues générées par le vent et avec le développement des techniques informatiques, il est aujourd’hui relativement facile de faire une prévision utile. Les modèles de prédiction des vagues couvrent maintenant le globe entier et sont capables de produire des prévisions fiables pour une semaine à venir. Cela permet aux gens de mer d’optimiser leur itinéraire et d’éviter les systèmes de tempête dangereux.

Malgré ces progrès, les prédictions ont encore leurs limites. Un exemple comprend l’incapacité à prédire les ondes aberrantes. De telles vagues s’élèvent inopinément de la surface de l’océan comme une paroi escarpée d’eau. Les premières histoires sur ces vagues ont été accueillies avec scepticisme par les scientifiques. Ce n’est que lorsque des mesures d’ondes fiables prises à partir de plates-formes offshore ont confirmé l’existence de telles vagues, ce sujet a-t-il été sérieusement étudié par les chercheurs. Il est probable que les vagues anormales sont la cause de la disparition soudaine de dizaines de navires sur les océans du monde. Heureusement, d’énormes progrès ont été réalisés pour prédire la probabilité qu’une telle vague phénoménale se produise dans une certaine zone et un certain laps de temps.

Dans les régions arctiques, l’océan est bordé de champs de glace. Les bords de ces champs de glace sont continuellement attaqués par les vagues. Le mouvement de l’onde se propage dans la glace en brisant graduellement la glace en petits morceaux. Lorsque le vent souffle vers la glace, les glaces se regroupent en une zone compacte, alors que les vents marins sont remplis de milliers de petits paquets de glace. Cette glace à la dérive damps le mouvement des vagues menant à l’expérience de l’eau tranquille pour quiconque naviguant à travers une telle zone. Dans les régions polaires de l’océan Atlantique, du Groenland et de l’Antarctique, les icebergs naissent des glaciers qui mènent à la mer. Ces majestueuses montagnes de glace peuvent être très dangereuses car la plupart de leur volume est sous l’eau. Les grandes bosses de glace dérivent lentement des courants océaniques tandis que les vagues les grignotent, ce qui provoque des icebergs variés. Malgré la beauté des icebergs, les gens de mer doivent être très prudents lorsqu’ils s’aventurent à proximité d’eux.

Dans le résumé ci-dessus, j’ai présenté la multitude de phénomènes d’ondes sur l’océan et comment ils peuvent être vécus par les gens de mer. Bien que Jamais l’intention de Dolph Kessler d’interpréter la science des vagues, les détails complexes et la richesse stylistique de ces photographies ondulées ne cessent de me fasciner.

Gerbrant van Vledder
Olst, octobre 2016