LES VAGUES DE VENTS

Caractéristiques d'une vague en tant qu'onde:

Elle se caractérise par les mêmes éléments qu'une onde, c'est à dire, une periode T, une longueur d'onde lambda, une vitesse de propagation c et une amplitude a ( sa hauteur étant égale à 2a ).

On peut aussi calculer la cambrure de la vague grâce au rapport entre la hauteur H et la longueur d'onde L (également appelée l): H/L
H et L éxprimés avec les mêmes unités.
Plus ce rapport est élevé , plus la vague est haute et vis versa.

La Génèse des Vagues

En 1774, B.Franklin remarquait que si deux couches de fluide en contact avaient des vitesses différentes il se produisait un transfert d'énergie entre elles et qu'à la surface de la mer étaient générées des vagues par ces transferts d'énergie. En 1925, H.Jeffreys émit l'hypothèse que les vagues puisaient l'énergie du vent grâce à des différences de pression...

Une vague naît dès qu'il y a du vent au dessus d'un plan d'eau: l'air en mouvement adhère aux particules de la surface et pousse l'eau devant lui.

Il se forme alors de minuscules oscillations qui indiquent que le vent a atteint une vitesse d’au moins quatre noeuds (=7,408 km/heure), vitesse en dessous de laquelle la tension superficielle (attraction mutuelle des molécules d'eau) de l’eau empêche leur formation.
Les vagues se déplacent donc dans le sens du vent.

La croissance:

Les vagues connaissent ensuite une phase de croissance qui se poursuit tant que leur célérité reste inférieure à celle du vent.

Cette croissance est déterminée par trois facteurs :

_La distance sur laquelle le vent souffle qui est appelée le fetch.

_La vitesse du vent, mesurée grâce à l’échelle de Beaufort

_La durée pendant laquelle le vent souffle.

Pour se développer les vagues ont besoin de temps et d’espace.

Influence de la durée du vent:

Par exemple, avec un vent de force 7

Influence du fetch:

Ce dernier tableau montre bien que plus la zone de fetch est grande, plus les vagues formées seront hautes. Ce qui explique qu’en Méditerranée, où la zone de fetch est de petite taille, les vagues soient moins conséquentes que celles frappant la côte Atlantique française.

Propagation:

Contrairement à ce que beaucoup de personnes pensent, le voyage de la houle (= les vagues qui après propagation se retrouvent loin de leur lieu de formation où il n'y a plus de vent) se fait sans transport de matière. En effet, au passage de l’onde, les particules sont mises en mouvement mais restent en moyenne à la même position. C’est l’énergie et non l’eau qui est transportée par les vagues. On peut facilement modéliser ceci en plaçant un bouchon sur une étendue d’eau calme et en déclenchant un train d’ondulations. On observe alors que le bouchon avance dans la direction des vagues quand il est sur la crête et recule lorsqu’il est dans le creux. Quand les vagues auront cessé on le retrouvera à la même place.

On distingue deux types d'ondes : les ondes courtes (comme la houle) et les ondes longues (les tsunamis qui seront étudiés ulterieurement). Les ondes sont dites courtes lorsque la longueur d'onde l est faible par rapport à la profondeur locale h de l'océan (au moins l <0,5h).

En outre, le vent a plus de prise sur les crêtes que sur les creux et tend à les pousser et à accélérer leur propagation. C'est pourquoi le profil caractéristique des vagues est bien différent de celui des simples ondulations sinusoïdales que nous avons vu précédemment et pour lesquelles l'eau oscille de haut en bas. Pour les vagues cette oscillation existe à grande échelle, mais à petite échelle il existe également un mouvement plus complexe des particules d'eau:

Au sommet des vagues les particules d'eau ont la même direction que la vague qui se propage et la direction opposée dans les creux. En surface le diamètre orbital correspond à la hauteur de la vague, il décroît exponentiellement avec la profondeur jusqu'à une profondeur égale à la moitié de la longueur de la vague.

Dans les milieux moins profonds, les cercles s'applatissent au fur et à mesure que l'on se rapproche du fond et se transforment en ellipses de plus en plus plates. Le mouvement sur le fond n'est plus qu'un mouvement rectiligne horizontal de va-et-vient. C'est ce phènomène qui est à l'origine du balancement des algues sur le fond de la mer.

Célérité de la vague:

La célérité des ondes courtes est définie par la formule suivante:

avec g l'intensité du champ de pesanteur terrestre (g environ égale à 10 m.s^-2) et l la longueur d'onde de la vague
La célérité ainsi obtenue s'exprime en m.s^-1

L'énergie des vagues:

La vague dispose d'une énergie potentielle ( dû à la hauteur de la vague) ainsi que d'une énergie cinétique (dû à la vitesse de la vague).

L'énergie théorique globale de la vague peut être dissipée de différentes façons:

_par un transfert de l'énergie en énergie cinétique (mouvement de l'eau amplififié)
_par un transfert de l'énergie en chaleur par frottement des molécules d'eau.
_par la résistance de l'air.

Remarque: l'énergie dissipée par frottement demeure particulièrement faible ( il faudrait près de trois ans pour réduire de 60 % l'amplitude d'une houle océanique de 100 m de longueur d'onde par ce seul mécanisme).

Le déferlement de la vague:

A l'approche des côtes, la profondeur de l'océan diminue. L'orbite décrit par les particules d'eau vient frotter sur le fond, la houle est ralentie, la hauteur des vagues s'accroît, leur longueur d'onde diminue, mais leur période reste contante. Ainsi, en se rapprochant du rivage, les vagues se rapprochent les unes des autres. Les vagues se cambrent et la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l'onde, et lorsque la crête n'est plus en équilibre, la vague déferle.
Une vague déferle lorsque son rapport H/L est supérieur à 1/7 ^ème