Les vagues de courtes longueurs d’onde s’écartent de la direction du vent

Quand on regarde les vagues qui déferlent sur une plage, on remarque facilement qu’elles se propagent dans la direction du vent. Si l’on porte la vue  au loin sur la mer, ce qu’on voit est bien plus compliqué : un tapis de vagues mouvantes semblant partir dans toutes les directions. Des chercheurs du laboratoire de Physique des Océans à Brest en association avec le SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine) et des universitaires italiens et russe) se sont intéressés aux vagues de courtes longueurs d’onde (la longueur d’onde est la distance entre deux crêtes successives). Ils ont découvert que les vagues de longueur d’onde de l’ordre du mètre ne se déplaçaient pas dans la direction du vent mais dans une direction faisant environ 70° avec celle-ci. Cela a d’importantes implications dans la croissance des fortes vagues et les risques de dangereuses déferlantes en cas de tempête.

La plateforme de mesures en Mer Noire

Les expériences ont été réalisées sur la plateforme de recherche de l’Institut d’Hydrophysique Marine de Katsivela en Mer Noire, à 500 m au sud de la côte de Crimée. La carte ci-dessous (Fig.1) précise le lieu.

Fig.1. Location de la plateforme de Katsiveli

Fig.1. Location de la plateforme de Katsiveli.
©American Meteorological Society. Reproduit avec autorisation.

On mesure vitesse et direction du vent sur la plateforme à 23 m au-dessus du niveau de la mer. Un ensemble de 6 capteurs placés au bas de la plateforme fournit une mesure de  hauteur de la surface de la mer .

Fig.2. Photographie de la plateforme orientée vers le nord-est. Les deux inserts ©American Meteorological Society. Avec autorisation.

Fig.2. Photographie de la plateforme orientée vers le nord-est. . Les deux inserts montrent en rapproché les deux caméras écartées de 2m.
©American Meteorological Society. Reproduit avec autorisation.

La mesure stéréoscopique de la hauteur de l’eau

Principal système de mesure installé sur la plateforme, un ensemble stéréoscopique de deux caméras d’axes parallèles écartées de 2 m (inserts Fig. 2) filme le mouvement de la mer. Elles sont placées à12,25 m au-dessus de la surface de l’eau. Les objectifs de 5mm de distance focale assurent un grand angle de champ La profondeur de l’eau au point d’observation est de 30m. Les séquences d’images ainsi obtenues sont traitées numériquement. On obtient ainsi un portrait à trois dimensions (x,y, et la hauteur z) des vagues. La figure 3 donne un exemple de reconstruction stéréoscopique de la surface à partir de deux paires d’images.

Fig.3. A gauche : Deux paires d’images stéréoscopiques prises à 0,33 s d’intervalle, celle du haut étant la première. Les contours en bleu délimitent la surface utilisée pour la reconstruction d’image . A droite : Reconstruction de l’image 3 D des surfaces de l’eau correspondantes. Les axes x,y correspondent à la surface moyenne de l’eau prise comme origine. Les fausses couleurs représentent la hauteur de l’eau au-dessus de cette surface. ©American Meteorological Society .Reproduit avec autorisation.

Fig.3.
A gauche : Deux paires d’images stéréoscopiques prises à 0,33 s d’intervalle, celle du haut étant la première. Les contours en bleu délimitent la surface utilisée pour la reconstruction d’image .
A droite : Reconstruction de l’image 3 D des surfaces de l’eau correspondantes. Les axes x,y correspondent à la surface moyenne de l’eau prise comme origine. Les fausses couleurs représentent la hauteur de l’eau au-dessus de cette surface.
©American Meteorological Society.  Reproduit avec autorisation.

La direction des vagues de courte longueur d’onde

La prise de longues séquences d’images permet, par transformation de Fourier, de séparer les composantes à  différentes longueurs d’onde du mouvement des vagues. Un traitement numérique complexe permet alors d’obtenir des résultats surprenants. Des vagues de courtes longueurs d’ondes (comprises entre 0,8 et 2 mètres) ne se propagent pas dans le sens du vent, comme celles, dominantes, de grande longueur d’onde mais font avec la direction de celui-ci un angle d’environ 70° de part et d’autre.

L’expérience a été menée en Mer Noire, mer fermée où les vagues sont plus petites que dans l’océan. Dans ce dernier cas , on fait l’hypothèse que la longueur d’onde  des vagues courtes à directions écartées de celle du vent pourrait être de l’ordre de 10m.

Pour vérifier cela, une campagne de mesure en Mer d’Iroise, au large de la Bretagne, a été entreprise en octobre 2015. Ses résultats sont en cours de traitement.

 

 

 

 

Les vagues de courte longueur d’onde qui ont une direction différente de celle du vent vont moins vite que celui-ci. Elles présentent donc une prise au vent plus importante que les vagues dominantes de plus grande longueur d’onde qui sont plus lisses et se déplacent à la vitesse du vent. Mais comme ces petites vagues augmentent le frottement du vent à la surface de l’eau, elles peuvent contribuer à la croissance des vagues dominantes car, quand elles les traversent,  la surface de celles-ci offre une grande prise aux rafales.

Le vent qui « pousse » l’eau peut, à cause de ce phénomène, faire monter très haut le niveau de la mer en cas de tempête, ce qui peut conduire à des phénomènes de submersion marine comme lors de la tempête Xynthiaen 2010, ou encore à des vagues déferlantes d’une grande puissance.

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Analysis and Interpretation of Frequency–Wavenumber Spectra of Young

Wind Waves

FABIEN LECKLER,  Service Hydrographique et Océanographique de la Marine, Brest, France

FABRICE ARDHUIN AND CHARLES PEUREUX,  Ifremer, Laboratoire d’Océanographie Spatiale, Centre de Brest, and Laboratoire de Physique des Océans, UMR 6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO, Plouzané, France

ALVISE BENETAZZO,  Institute of Marine Sciences, National Research Council (CNR-ISMAR), Venice, Italy

FILIPPO BERGAMASCO,  Universit Ca’ Foscari di Venezia, Venice, Italy

VLADIMIR DULOV,  Marine Hydrophysical Institute, Sebastopol, Russia


JOURNAL OF PHYSICAL OCEANOGRAPHY VOLUME 45, 2484

American Meteorological Society.

 

 

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