Définition
Une vague désigne une onde mécanique, (c'est-à-dire un phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu matériel (composé de particules) sans transport de matière) qui se propage à la surface de l'eau sous l'emprise du vent au contact de deux fluides, qui correspondent à l'air et l'eau. Elles peuvent avoir toutes sortes de formes, de dimensions et de vitesses de propagation. Elle est constituée d'une crête, son point de culminance, et d'un creux entre deux crêtes, son point le plus bas. Les vagues transportent une quantité considérable d'énergie mais ce n'est en aucun cas un déplacement de matière: pour démontrer cela, nous nous appuyons sur une expérience très facile à réaliser.
Afin d'expliquer plus concrètement que les vagues ne présentent pas un déplacement de matière horizontal : pour cela, nous avons utilisé une cuve à onde. Nous avons réglé la fréquence des ondes créées avec le stroboscope et nous avons placé un grain de riz sur l'eau. La présence du miroir nous permet un agrandissement des ondes. Normalement, le grain de riz ne devait subir aucun déplacement, mais, à cause sûrement des courants d'air, le grain de riz en avait tout de même un très faible, mais assez léger, on peut donc imaginer que sans ce vent, le grain de riz n'aurait subi aucun déplacement du tout.
Nous avons donc démontré grâce à cette expérience que lors d'un passage d'une onde, la matière n'est pas déplacée mais oscille autour de sa position initiale. On observe alors que le grain de riz avance dans la direction des vagues quand elle est sur la crête et recule lorsqu’elle se trouve dans le creux. Les particules d'eau ne sont pas entraînées dans la vague car l'eau est immobile, elles se déplacent seulement à la fois longitudinalement et transversalement, à la direction de la vague, leur mouvement est donc orbital, ce qui explique que l'on qualifie les ondes des vagues comme des ondes orbitales. L'amplitude du mouvement des particules diminue cependant avec la profondeur jusqu'à devenir négligeable à partir de λ/2. On peut observer ce phénomène lorsque les mouettes se trouvent sur les vagues. Elles ne se déplacent pas, elles oscillent autour de leur position; elles avancent sur la face avant de la vague c'est-à-dire avant la crête, et reculent sur la face arrière jusqu'au creux. |
Le terme "vague" reste cependant très vague car il regroupe à la fois la houle, la mer de vent c'est-à-dire les vagues créées par un vent local ainsi que les déferlantes.
Les ondes
Un onde de vague peut être caractérisée par les critères suivants:
- sa longueur d'onde (λ), soit la distance parcourue par l'onde entre deux crêtes.
- sa période notée T qui représente l'intervalle de temps qui s'écoule pour que deux crêtes passent au même point.
- sa célérité c'est-à-dire vitesse de propagation qui, par définition, correspond à la propriété suivante: C = λ / T.
- son amplitude, ou hauteur de la vague, notée A, qui correspond à la distance entre une crête et le niveau de la mer au repos.
- sa hauteur notée H, c'est-à-dire la distance entre un creux et une crête et qui correspond à 2A.
- sa 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.
Nous pouvons séparer les ondes en deux cas bien précis:
II. Les ondes longues (en eau peu profonde)
Les ondes longues sont localisées généralement près des côtes, en eau peu profonde. Ce type d'onde se produit lorsque la profondeur de l'océan est inférieure à λ/20, distance à partir de laquelle le mouvement orbital atteint le fond et produit un frottement qui affecte la propagation de la vague. Le mouvement des particules varie alors avec un écrasement des orbites circulaires formant petit à petit une ellipse; l'écart devient plus important entre deux ondes successives. La célérité de la vague est alors aussi affectée et son expression devient c = √(gh) où g correspond à l'accélération gravitationnelle et h la profondeur de l'eau (voir le graphique au-dessus), cependant n'étant qu'en première, nous ne sommes pas en mesure d'expliquer cette propriété. |
I. Les ondes courtes (en eau profonde)
En profondeur, la vitesse de propagation, la longueur et la période sont celles de la houle en surface. Seul le rayon orbital diminue. L'amortissement de la houle en profondeur est considérable, le rayon orbital r devient pratiquement nul lorsque la profondeur devient supérieure à λ/2. Les ondes courtes sont localisées dans les océans, au large des côtes, en eau profonde, c'est-à-dire quand λ est deux fois plus faible par rapport à la profondeur de l'océan (λ/2). Les particules d'eau se déplacent alors selon des trajectoires parfaitement circulaires. Lors de ce type d'onde, il n’y a aucune influence du fond de l’océan sur l’onde. Dans ce cas précis, la vitesse est définie par : c = √(gλ/2π). On remarque ici que la vitesse ne dépend pas de h. |
Toutefois, il existe une zone qui se situe entre les eaux profondes et les eaux peu profondes que l'on nomme: zone de transition. On a donc λ/2 > profondeur de la zone de transition > λ/20. L'équation pour définir la vitesse dans cette zone reste trop compliquée pour nous, nous nous contenterons donc de préciser la présence de cette zone. Dans la réalité, cette zone est souvent très abrupte, le long de la plateforme continentale par exemple, on ne parle donc pas vraiment de vagues de zone de transition mais seulement de vagues en eaux profondes ou eaux peu profondes.
Les différentes vagues
Les vagues éoliennes :
Sans impulsion extérieure, nos mers resteraient inertes. Leurs mouvements ne peuvent naître que d'une rupture d'équilibre. Le perturbateur le plus commun est le vent : en se frottant à la surface de la mer, il transfert à l'eau une partie de son énergie. Un souffle de brise fait frissonner la surface, avec de fines rides de quelques millimètres de hauteur. Les premières vaguelettes ou vagues capillaires exigent un vent constant pour faire naître et durer : si le calme revient après le coût de vent initial, très vite la surface des eaux redevient lisse. Il en va tout autrement si le vent persiste : les vaguelettes lui offrent alors une meilleure prise que la mer d'huile et ces vagues capillaires ont tôt fait de devenir de vraies vagues qui ne peuvent être lissées par compensation des tensions de surfaces.
Lorsque les vagues ont atteint une hauteur de l'ordre du centimètre, elles se reproduisent sans avoir besoin de l'agitation de l'air. Seule l'apesanteur peut rabaisser leurs crêtes. Une lutte s'engage entre celle-ci et la force de propulsion du vent, donnant naissance à ce qu'on appelle la brise des mers.
Sans impulsion extérieure, nos mers resteraient inertes. Leurs mouvements ne peuvent naître que d'une rupture d'équilibre. Le perturbateur le plus commun est le vent : en se frottant à la surface de la mer, il transfert à l'eau une partie de son énergie. Un souffle de brise fait frissonner la surface, avec de fines rides de quelques millimètres de hauteur. Les premières vaguelettes ou vagues capillaires exigent un vent constant pour faire naître et durer : si le calme revient après le coût de vent initial, très vite la surface des eaux redevient lisse. Il en va tout autrement si le vent persiste : les vaguelettes lui offrent alors une meilleure prise que la mer d'huile et ces vagues capillaires ont tôt fait de devenir de vraies vagues qui ne peuvent être lissées par compensation des tensions de surfaces.
Lorsque les vagues ont atteint une hauteur de l'ordre du centimètre, elles se reproduisent sans avoir besoin de l'agitation de l'air. Seule l'apesanteur peut rabaisser leurs crêtes. Une lutte s'engage entre celle-ci et la force de propulsion du vent, donnant naissance à ce qu'on appelle la brise des mers.
Cependant, le vent n'est pas le seul facteur créateur de vagues. En ce sens, des fluctuations du niveau de l'eau peuvent aussi être liées à des phénomènes météorologiques, des tremblements de terre, des glissements de terrain, ou encore l'interaction entre la Terre et la Lune. Il existe entre autres les marées, les mascarets, les vagues scélérates et les tsunamis ou raz de marée Chacun de ces types de vagues a des caractéristiques particulières.
Les mascarets:
Les vagues de mascaret sont des phénomènes exceptionnels; à l'occasion de grandes marées, une soudaine surélévation de l'eau au niveau des estuaires survient quand l'onde de marée remonte, se heurtant aux eaux descendantes du fleuve. Ces mascarets peuvent remonter les fleuves sur plusieurs centaines de kilomètres.
Les conditions favorables à l'apparition d'un mascaret sont: un fort coefficient de marée, un estuaire en forme d'entonnoir et un très faible niveau d'eau, lors de la marée basse. La marée montante crée une succession de vagues pouvant atteindre 2 mètres parfois. Cet ensemble de vagues emportant avec lui près de la moitié de la marée montante remonte l'estuaire avec une vitesse d’environ 20 km/h. Il disparaît alors dans les zone où le courant de marées est complètement affaibli.
Les vagues de mascaret sont des phénomènes exceptionnels; à l'occasion de grandes marées, une soudaine surélévation de l'eau au niveau des estuaires survient quand l'onde de marée remonte, se heurtant aux eaux descendantes du fleuve. Ces mascarets peuvent remonter les fleuves sur plusieurs centaines de kilomètres.
Les conditions favorables à l'apparition d'un mascaret sont: un fort coefficient de marée, un estuaire en forme d'entonnoir et un très faible niveau d'eau, lors de la marée basse. La marée montante crée une succession de vagues pouvant atteindre 2 mètres parfois. Cet ensemble de vagues emportant avec lui près de la moitié de la marée montante remonte l'estuaire avec une vitesse d’environ 20 km/h. Il disparaît alors dans les zone où le courant de marées est complètement affaibli.
Les vagues scélérates:
Beaucoup plus dangereuses car totalement imprévisibles, les vagues scélérates demeurent le cauchemar de tout marin. Souvent considérées par les scientifiques comme un phénomène très rare, des recherches montrent que ces phénomènes arrivent beaucoup plus souvent que ce que nous croyons. Une vague scélérate à une hauteur démesurée par rapport à l'état de la mer durant laquelle elle survient. C'est une vague océanique soudaine et très haute qui se caractérise par sa taille, sa forte pression et sa formation en mur d'eau dévastateur: peu de bateaux peuvent y résister.
Une vague est considérée comme scélérate si sa hauteur significative (la moyenne des hauteurs crête/creux du tiers des plus fortes vagues) dépasse 2,1 fois celle des autres vagues. Ces vagues sont formées par les frottements du vent sur la surface de la mer. Les vagues scélérates sont dangereuses car elles surviennent au cœur d'un état de mer plutôt modéré et qu'elles concentrent en elles une proportion inattendue de l'énergie qui aurait dû se trouver dispersée.
Le cap de Bonne Espérance, à la pointe de l'Afrique, se trouve sur de nombreuses routes maritimes. Bartolomeu Dias, le premier Européen arrivé ici en 1488 l'avait surnommé le Cap des tempêtes. Depuis cet date, plus de mille bateaux ont sombré dans ces eaux. Les vagues scélérates prennent naissance quand le vent souffle sur l'océan. Ce sont tout d'abord des vagues capillaires mais quand le vent forcit, les vagues grossissent. En traversant l'océan, certaines vagues sont plus rapides que d'autre. Quand elles se rejoignent elles se cumulent jusqu'à devenir gigantesques.
Afin d'expliquer l'origine de ces vagues mystérieuses, nous avons essayé de trouver des correspondances entre les lieux où des bateaux avaient été touchés par des vagues de ce type et les différents facteurs qui pourraient les causer. Après de nombreux essais, nous avons superposé une carte des courants présents au Cap de Bonne Espérance avec les positions des vagues scélérates enregistrées.
Nous avons pu observer une relation. En effet, tous les bateaux touchés reposaient sur la trajectoire du courant des Aiguilles, un des plus violents au monde. Il longe le Cap dans l'océan Indien en direction de l'Atlantique. Il peut atteindre une vitesse considérable de 15 km/h. De même que pour le "Jet Stream" pour les avions, ce courant peut réduire le temps de trajet des bateaux. Ils peuvent gagner jusqu'à une journée en contournant la Cap de l'Afrique du Sud, c'est pourquoi il est tant navigué, mais le risque reste important. En conséquence, la plupart des bateaux empruntent une route plus sûre 1500 km plus au Sud.
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Les tsunamis:
Le tsunami (terme japonais pour raz-de-marée) désigne aussi un type de vague, mais générée par un remous de l'océan souvent dû à un tremblement de terre ou un glissement de terrain mais qui peut aussi avoir pour cause une éruption volcanique ou bien même une chute de météorite. Nous allons ici nous intéresser aux tsunamis causés par un séisme ou bien un glissement de terrain. Le tsunami est très dangereux car ce n'est qu'à l'approche des côtes que le niveau de l'eau s'élève subitement pour former une vague de plusieurs mètres de haut, l'énorme énergie est projetée en avant pour former une vague surpuissante. Ce n'est pas la hauteur de la vague qui cause des ravages mais plutôt la masse d'eau.
Le tsunami (terme japonais pour raz-de-marée) désigne aussi un type de vague, mais générée par un remous de l'océan souvent dû à un tremblement de terre ou un glissement de terrain mais qui peut aussi avoir pour cause une éruption volcanique ou bien même une chute de météorite. Nous allons ici nous intéresser aux tsunamis causés par un séisme ou bien un glissement de terrain. Le tsunami est très dangereux car ce n'est qu'à l'approche des côtes que le niveau de l'eau s'élève subitement pour former une vague de plusieurs mètres de haut, l'énorme énergie est projetée en avant pour former une vague surpuissante. Ce n'est pas la hauteur de la vague qui cause des ravages mais plutôt la masse d'eau.
Ces deux phénomènes peuvent provoquer des ondes longues dont la vitesse de propagation est proportionnelle à la racine carrée de la profondeur d'eau. Ces ondes peut parcourir des dizaines de milliers de kilomètres, en passant inaperçu sous un bateau en pleine mer. C'est lors de l'arrivée près des côtes qu'un tsunami devient dangereux. Car en se rapprochant des côtes, la longueur d'onde diminue étant donné la diminution de la profondeur. La période des vagues reste constante ce qui produit des vagues pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres.
Cependant nous n'approfondirons pas ce type de vagues étant donné qu'elles ont une origine sismique. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux vagues éoliennes maritimes dans la suite de ce TPE.
Cependant nous n'approfondirons pas ce type de vagues étant donné qu'elles ont une origine sismique. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux vagues éoliennes maritimes dans la suite de ce TPE.