Les vagues

C'est essentiellement le vent qui provoque la formation de la houle. Nous mettrons de côté les cataclysmes divers liés aux mouvements de la croûte terrestre, provoquant la formation de tsunamis pour nous intéresser aux conditions ordinaires.

Le « fetch » désigne la zone sur laquelle le vent souffle avec une force et une durée plus ou moins importante. Cette zone est agitée, désordonnée.

En s’éloignant de la zone de fetch, la houle continue de se propager, tout en devenant de moins en moins désordonnée car moins perturbée par le vent. On voit alors se dessiner des trains de houle, des lignes d’ondulations rangées les unes derrière les autres.

• Lorsque la zone de fetch est importante, elle produit une houle longue, puissante. Souvent générée par les dépressions les plus intenses.
• Sinon, elle produit une houle courte, peu puissante, généralement par du vent ou de faibles dépressions proches de la côte.

Quelques définitions à connaitre quand on veut parler de la houle et des vagues, et on n'ira pas plus loin qu'une simple houle sinusoïdale.

• profondeur P, distance entre le fond et le niveau de la mer
• longueur d’onde λ, distance entre deux crêtes
• période T, intervalle de temps entre deux crêtes
• célérité c, vitesse de propagation.
• amplitude A, distance entre une crête et le niveau de la mer
• hauteur H, qui correspond à 2 A. Le swell, quoi.
• cambrure H / λ correspond au rapport d’aspect de la vague qui permet de savoir quand une vague est sur le point de déferler. Lorsque ce rapport atteint 1/7 ou plus, la cambrure est dite critique, la vague perd sa stabilité et devient déferlante.

Le mouvement des particules dans une vague présente l'allure suivante :

L’observation d’un petit objet flottant montre qu’il se déplace verticalement en passant successivement par la crête et le creux des vagues. On observe aussi qu’il se déplace vers la plage au passage d’une crête et vers le large au passage d’un creux. Ces deux mouvements se combinent en un mouvement unique dit « orbital ».

Ce mouvement diminue d’amplitude pour les particules situées à des profondeurs croissantes et devient nul à des profondeurs de l’ordre de la demi-longueur d’onde, ce qui donne une idée de la profondeur requise pour que le fond n'ait pas d'effet sur la houle. Et la profondeur à laquelle les plongeurs ne ressentent plus la houle.

La vitesse de propagation de la vague, sa célérité, est donnée en eau profonde (donc sans freinage provoqué par le fond) par la formule :

Qui ne dépend que de la période des vagues (g est l'accélération de la pesanteur terrestre). Par exemple :

Ceci dit, les choses se compliquent quand la profondeur n'est pas suffisante pour que la houle se propage sans pertes. Voici le même mouvement en eau peu profonde, où on voit que le fond "gêne" la vague :

En eau peu profonde, la vitesse est donnée par :

La vitesse ne dépend que de la profondeur !

Une vague de tsunami, qui possède typiquement une longueur d'onde en centaines de kilomètres, énorme par rapport à la profondeur des océans, est en régime des eaux peu profondes. Avec une profondeur de 4000 m, c'est du 200 m/s soit plus de 700 km/h. Oups !

Quand la houle arrive sur un rivage, elle a tendance à ralentir (à profondeur nulle, elle vaut zéro, évidemment). Avec 100 m de profondeur, on est à 30 km/h, les houles longues et moyennes auront déjà commencé à ralentir.

Un train de houle est notamment caractérisé par sa hauteur significative et sa période.

• Lorsque la période de la houle est inférieure à 8 s, la houle est dite courte.
• Lorsque sa période est comprise entre 8 et 12 s, la houle est qualifiée de moyenne.
• Enfin, lorsque sa période est supérieure à 12 s, la houle est longue.

Un surfeur devra observer la mer afin de "sentir" les conditions de houle.

Quand les vagues sont petites, la barre est facile à franchir. Lorsque les vagues sont grosses, le passage de barre est bien plus physique, il faut enquiller les canards car les accalmies sont bien courtes. Retrouvez plus de détails et de conseils sur : Houle longue VS Houle courte / Lacanau Surf Info

Il peut arriver que des houles proviennent de directions différentes et se croisent. On observe alors des interférences constructives et destructives, très classiques pour des ondes.

On en reparlera lorsque nous aborderons le phénomène de vague scélérate.

Lorsque la crête de la vague va plus vite que la vague elle-même, elle déferle, l'eau s'enroule et tombe.

Les spécialistes donnent des noms aux différentes parties de la vague déferlante :

Le déferlement d'une vague a deux origines possibles :

1. En pleine mer, sous l'effet du vent, d'au moins 6 Beaufort, 40 km/h.
2. Quand le fond marin remonte.

Quand les deux sont combinés, on peut alors parler du phénomène de vagues-submersion (voir plus loin).

Suivant la direction du vent par rapport à la houle, il peut augmenter ou freiner le déferlement :

Le vent provoque l'apparition des fameux moutons en mer :

Lorsque les fonds remontent, le mouvement des particules est ralenti et l’énergie cinétique ainsi perdue est transformée en énergie potentielle, augmentant de fait, la hauteur et la cambrure de la vague qui finit par s’écrouler lorsque sa hauteur dépasse 7 fois la longueur d'onde. Le haut de la vague "va plus vite" que le fond.

Ce phénomène devient dramatique dans le cas des tsunamis, car nous avons alors une hauteur pas forcément très importante en pleine mer, mais la longueur d'onde est énorme.

On distingue plusieurs genres de vague déferlante, provoquée par la raideur de pente du fond marin.

La pente est douce, l'énergie est progressivement libérée, on a de l'écume, c'est une vague molle qui peut se former loin du rivage.

La pente est plus abrupte, il se forme les fameux rouleaux prisés des surfeurs.

Avec une pente abrupte, la vague rencontre le courant retour de la précédente et trébuche. On dirait qu'elle remonte à la verticale.

Quelques vagues sont particulièrement célèbres, surtout chez les surfeurs.

A chaque fois, il s'agit de conditions particulières concernant le profil de profondeur à l'approche de la houle, et évidemment qu'une houle puisse se développer en pleine mer, et arriver "proprement" sur le rivage. En gros, qu'il n'y ait rien en face du rivage sur des centaines de kilomètres, et que le rivage soit en face d'une fosse océanique...

Les plus grosses vagues se produisent lorsque la houle est forte, et n'est pas ralentie par le fond marin qui remonte. C'est le cas du canyon de Nazare.

A Teahupoo, en Polynésie française, la houle provenant de l'océan Pacifique arrive directement sur les coraux (ouille !🤕), car c'est une île volcanique où le bord est très raide. Rien ne diminue l'énergie de la houle auparavant...

Le phénomène de vagues-submersion arrive quand tout va mal, la mer s'élève et ça déborde sévèrement :

• intensité de la marée
• tempête : surélévation du niveau marin (appelée surcote) selon trois processus principaux :
  • les vagues liées à la forte houle ;
  • le vent qui exerce des frottements à la surface de l'eau, ce qui génère une modification des courants et du niveau de la mer (accumulation d'eau à l'approche du littoral) ;
  • diminution de la pression atmosphérique (le poids de l'air décroît à la surface de la mer et, mécaniquement, le niveau de la mer monte). Une diminution de la pression atmosphérique d'un hectopascal (hPa) équivaut approximativement à une élévation d'un centimètre de la hauteur d'eau. Pa exemple, une dépression de 980 hPa (soit une différence de 35 hPa par rapport à la pression atmosphérique moyenne de 1015 hPa) génère une surélévation d'environ 35 cm ;
• déferlement des vagues : projection violente de masses d'eau.

La simultanéité de ces phénomènes aggrave la submersion, accroît les débordements et permet à la mer d'atteindre des zones habituellement abritées. La gravité de ces débordements varie en fonction de la hauteur d'eau atteinte, des volumes entrants et de la vitesse d'écoulement des eaux.

L'intensité de la submersion dépend aussi fortement de la configuration des fonds marins, de l'estran (zone couverte et découverte par la marée) et des caractéristiques géographiques des côtes comme :

• la diminution de la profondeur de la mer (à l'arrivée sur la côte, l'énergie des vagues se transforme en surélévation du niveau d'eau) ;
• la nature des fonds qui freine ou accélère la propagation de la vague vers la côte (sable, galets, vase…) ;
• l'orientation de la côte par rapport à la direction de propagation de la houle et des vagues.

Quand tout est contre vous... 😱

Les vagues dites scélérates (rogue waves ou freak waves en anglais) sont des vagues hors normes, décrites depuis longtemps par les marins mais passant pour une légende. Faut dire qu'affirmer avoir vu une vague de 30 mètres de haut en pleine mer un immeuble de 10 étages, cela semblait difficile à avaler.

Leur existence n'a été effectivement validée que relativement récemment (première mesure en 1995), et expliquées depuis peu.

Non seulement on observe le phénomène habituel d'interférences constructives entre deux ondes, mais ce phénomène est amplifié par des transferts d'énergie qui élève localement le niveau de la mer. Et on observe également un autre phénomène connu, l'instabilité de modulation, liée aux différentes vagues qui se propagent à des vitesses différentes. Les vagues scélérates ont été recréées en laboratoire :

• Les vagues sont générées par le vent dans la zone de fetch ;
• En dehors de la zone de fetch, les vagues se lissent pour donner des houles plus ou moins régulières ;
• Au voisinage du littoral, les houles se déforment sous l’influence des variations de profondeur et de morphologie de la côte ;

• Vagues et houles / Encyclopédie de l'environnement, A.Temperville
• Houle longue VS Houle courte / Lacanau Surf Info
• Marées, vagues scélérates et tsunamis / Luxorion Astrosurf
• Qu’est ce qu’une vague ? / Kayak Rochelais
• Les vagues-submersion / Météo France
• Comment prévoir les vagues ? / Météo Polynésie Française
• La Vague / Spot de Surf
• Les vagues scélérates, un phénomène maritime violent et encore mystérieux / National Geographic
• Rogue waves and analogies in optics and oceanography / Nature
• Les vagues scélérates / club des Argonautes