10/11/2006

LES VAGUES SCéLéRATE

 

     

                     

Les vagues monstrueuses existent bel et bien. Tous les jours sur la planète un navire fait naufrage, dans des conditions souvent mystérieuses. Lorsque des navires de grande taille, à l'état neuf, coulent, il faut trouver autre chose que les défaillances humaines et les erreurs techniques.

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Un peu d'histoire

Au XIX° siècle, le navigateur normand Dumont d'Urville relate avoir rencontré à bord de l'Astrolabe des vagues monstrueuses en explorant les côtes de la Nouvelle-Zélande et de la Nouvelle-Guinée (1828) ; à l'époque, il fut pris pour un plaisantin.

D'autres marins rescapés les avaient décrites bien avant lui, mais on pensait qu'elles étaient un mythe comme le fameux serpent de mer.

 

Vague.

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La vague scélérate, monstre des mers

Dans les quarantièmes rugissants, au sud du quarantième parallèle existe une zone où les tempêtes peuvent dresser des vagues gigantesques, de 30, voire 35 mètres, aptes à mettre au tapis les marins les plus expérimentés. Les observations satellites mesurent couramment dans la région des hauteurs de vagues moyennes de 16 à 18 mètres. Des navires peuvent être victime d'une vague de 35 à 36 mètres de haut. Car, au milieu de mers déjà très abruptes, peuvent se lever des vagues monstrueuses, deux ou trois fois plus hautes que les autres. On les appelle des vagues scélérates. Un phénomène rare, difficile à évaluer scientifiquement mais destructeur. Dumont d'Urville a été la risée de tous quand il a expliqué avoir rencontré de telles vagues dans les mers du Sud. Mais quand, à la fin de la Seconde Guerre, un porte-avions américain a vu ses deux ponts pliés par une vague, le problème a commencé à être pris au sérieux.

L'Ifremer, organisme français de recherches océanographiques, a déjà tenu un congrès sur le sujet. Car, en dépit des modèles informatiques et de multiples essais en bassin artificiel, la cause de ces vagues reste mystérieuse. Forme particulière des tsunamis, ces vagues géantes seraient-elles provoquées par les séismes? Impossible car, au large, les tsunamis sont à peine perceptibles, ils ne se dressent qu'à l'approche des côtes, quand les fonds remontent. Phénomène purement météorologique provoqué dans le chaos de grosses tempêtes? Pas nécessairement. Il faut de la houle, mais cela peut arriver par temps relativement calme. Ainsi, le 4 novembre, une vedette a sombré au large de la Californie, sans faire de victimes. Il y avait peu de vent et une petite houle de moins de 2 mètres quand une vague de plus de 4 mètres a surgi brusquement, balayant le navire de 16 mètres. Le 1er janvier 1995 au large de la Norvège, la plate-forme pétrolière Draupner a subi les assauts d'une vague de plus de 18 mètres, dans une mer où les vagues ne dépassaient pratiquement pas les 10 mètres  et dans une zone sans courants significatifs. Cette fois, cependant, c'était pendant une tempête modérée. En 1982, la plate-forme Ocean Ranger a disparu au large de Terre-Neuve avec 84 personnes à cause d'une vague scélérate qui a déferlé dans la salle de contrôle.

D'autres chercheurs mettent en cause le rôle des courants. C'est, par exemple, le cas au large de l'Afrique du Sud, où le courant des Aiguilles, qui descend de l'océan Indien, dresse une mer mal famée quand il rencontre la houle venue des quarantièmes rugissants.

 A l'Ifremer, on a constaté qu'un certain nombre de facteurs pouvaient jouer un rôle. Mais ils ne sont pas forcément tous présents en même temps. On peut citer pêle-mêle une mer plus cambrée que la normale, un vent plus fort que d'habitude par rapport à l'état de la mer et, peut-être, la fusion de deux tempêtes. Comme dans le cas de l'Andrea Gail, ce chalutier américain disparu corps et biens aux Etats-Unis en 1991 et immortalisé dans le film En pleine tempête, sorti à l'automne 2001. Une vague née de la fusion d'un ouragan tropical et d'une tempête descendue du Nord avait également brisé les vitres de la passerelle du paquebot Queen Elizabeth II situées à 27 mètres au-dessus de la ligne de flottaison.

Un paramètre semble récurrent : beaucoup de ces vagues scélérates ont été observées par 150 à 200 mètres de fond, quand le plancher océanique commence à remonter. C'est par exemple le cas dans le golfe de Gascogne, si redouté des marins. De plus, ces vagues ont souvent surgi au moment où le vent d'une tempête commence à faiblir. «C'est souvent en fin de coup de vent, quand le vent bascule du nord-ouest au sud-ouest, qu'on observe les plus grosses vagues dans les mers du Sud, explique la navigatrice Isabelle Autissier, victime d'un naufrage en 1994 au large de la Nouvelle-Zélande pendant la course Around Alone. Ce sont des vagues pyramidales.» Des monstres qui se forment par la rencontre de vagues venues de plusieurs directions. Le voilier de la navigatrice aurait heurté une vague de 35 mètres. «Pour Gerry [Rouf], c'est fort possible. Mais dans mon cas, franchement, je n'en sais rien, il faisait nuit et il est déjà difficile d'apprécier la hauteur d'une grosse vague en plein jour.».

Les vagues "classiques" sont créées par la friction du vent sur la surface de la mer. Elles se propagent ensuite pendant quatre à cinq jours avant de s'atténuer et de disparaître ou bien de rencontrer une côte. La répartition de l'énergie est assez uniforme sur la surface de la mer et dans le temps. Au contraire, les vagues scélérates concentrent énormément d'énergie.

Certaines vagues scélérates se produiraient dans des mers fortes où des vagues "jeunes", de plus en plus hautes se propageraient de plus en plus vite et rattraperaient celles que la tempête a déjà produites. Les vagues verraient leur hauteur s'additionner par conjugaison des phases et des amplitudes. Des théories récentes font appel à l'équation de Schrödinger pour expliquer l'apparition de semblables monstres. La théorie de la houle "classique", linéaire, a longtemps nier la possibilité d'existence de telles vagues. Des théories non linéaires en prévoient l'existence. L'analyse des océans par des satellites radar révèle que ces vagues fantastiques ne sont pas si rares que cela.

Les efforts produits par de telles vagues sur les tôles des coques sont estimé à 100 tonnes/m2 alors que les navires sont conçus pour "encaisser" 30 tonnes/m2 au grand maximum. Cela explique les spectaculaires trous sur certains navires ayant croisés une "scélérate".

Selon les rares témoins, les vagues scélérates ressemblent à un mur d'eau s'étendant à perte de vue.

vague_scelerate.jpg (24681 octets)photographie prise dans le Golfe de Gascogne dans les années 1940

Les vagues scélérates n'ont rien à voir avec les tsunamis. En japonais, « tsunami » signifie « grande vague dans le port », mais le terme a largement dépassé ce sens premier. Il désigne aujourd'hui les violents raz-de-marée qui déferlent sur les rivages détruisant tout sur leur passage. Les tsunamis peuvent avoir des origines très variées. S'ils sont souvent provoqués par des séismes localisés en mer ou par des glissements de terrain sous-marins comme celui de juillet dernier, il arrive aussi que leur origine soit à rechercher sur terre à proximité d'un volcan actif. Dans ce cas, c'est l'arrivée brutale en mer d'une quantité plus ou moins importante de produits volcaniques dévalant les pentes de l'édifice ou des avalanches de débris qui déplace la masse d'eau et provoque une onde de très grande énergie. C'est elle qui se propage ensuite à la surface de l'océan. Tous les tsunamis ne voyagent pas de la même manière. Tout dépend de la longueur d'onde qui les caractérise, en d'autres termes, de la distance qui sépare deux crêtes successives. Par exemple, les vagues déclenchées par des séismes sous-marins ont des longueurs d'onde de l'ordre de plusieurs centaines de kilomètres, toujours bien supérieures à la profondeur de l'océan dans lequel elles évoluent. Leur vitesse dépend donc uniquement de cette profondeur : les ondes ralentissent dès qu'il y a moins d'eau. En revanche, les tsunamis provoqués par des glissements de terrain ont, eux, des longueurs d'onde plus petites, de l'ordre de quelques kilomètres. Résultat, leur propagation est plus complexe car la vitesse des ondes dépend aussi de leur fréquence.
Au large des côtes, les tsunamis destructeurs d'origine tectonique ont en général une hauteur de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres - et ne sont jamais vus ou ressentis par les navires. Mais, lorsque le raz-de-marée atteint le littoral, la hauteur des vagues augmente rapidement. C'est l'inverse pour la vitesse. Par 5 000 mètres de fond, ces vagues se propagent à environ 800 km/h, à peu près la vitesse d'un avion. Elles peuvent traverser le Pacifique en moins d'une journée. En revanche, par 10 mètres de fond, la vitesse chute à moins de 40 km/h. Ainsi, à l'approche des côtes, la partie avant des vagues ralentit fortement, tandis que l'arrière continue à se propager à très vive allure. La longueur d'onde diminue donc fortement sur les côtes, et, comme l'énergie se conserve, la hauteur des vagues augmente. La géométrie de la côte et du littoral est ensuite déterminante. Les récifs, les baies, les embouchures de rivières, les reliefs sous-marins et les pentes de la plage sont autant de paramètres qui modifient le tsunami à l'approche de la côte. Dans les cas extrêmes, le niveau de l'eau a atteint plus de 15 mètres pour des vagues ayant parcouru des milliers de kilomètres et plus de 30 mètres pour celles nées à moins de cent kilomètres. Les zones inondées peuvent s'étendre à plus de 300 mètres à l'intérieur des terres, recouvrant de vastes terrains d'eau et de débris.

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Une vague se brisant sur la côte sauvage de l'île d'Yeu
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Une vague se brisant sur la côte sauvage de l'île d'Yeu
La grande vague de Kanagawa de Katsushika Hokusai
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La grande vague de Kanagawa de Katsushika Hokusai

Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générés par le vent et ont une amplitude crête-à-crête allant généralement d'une dizaine de centimètres à une dizaine de mètres. Des « vagues scélérates » allant jusqu'à trente mètre de hauteur sont exceptionnellement rencontrées au large. Les séismes de forte puissance créent également des vagues appelées tsunamis ou raz-de-marée.

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Propagation des vagues (Modèle d'Airy)

Les vagues sont en fait des ondes de gravité. Un modèle simple établi par Airy permet d'en obtenir quelques caractéristiques.

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Relation de dispersion
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Le mouvement de tout fluide parfait, ce qui est une bonne approximation pour l'air et l'eau, est régi par les équations de Navier-Stokes. Pour un fluide incompressible et un écoulement irrotationnel (ce qui est le cas de tout mouvement causé par des forces de pression), ces equations se simplifient pour devenir l'équation de Laplace. Les solutions ondulatoires et de faible amplitude obéissent à une relation de dispersion

{omega}^2 =g k cdot 	anh (k H)

avec ω = 2π / T la pulsation de l'onde, T la période de la houle , g l'intensité de la pesanteur, k = 2π / L le nombre d'onde, L la longueur d'onde de la houle et H la profondeur de l'eau. Cette relation permet d'aboutir à une expression simplifiée de la célérité de propagation de l'onde :

c=frac{{omega}}{k} = sqrt{frac{g}{k}	anh(kH)}

Comme on a brutalement simplifié les équations de départ pour établir cette relation, elle n'est valable que pour des vagues de faible amplitude par rapport à la profondeur de l'eau et de cambrure ka faible (ou a est l'amplitude des vagues). Ce dernier critère correspond à des vagues pas trop "pentues".

On peut néanmoins tirer de cette relation quelques propriétés intéressantes, notamment qu'à profondeur importante la vitesse des vagues ne dépend plus de la profondeur puique la tangente hyperbolique tend vers 1. De façon plus qualitative, on peut comprendre le comportement des vagues à l'approche du littoral. Ainsi , à nombre d'onde constant, quand la profondeur diminue, la vitesse des vagues c décroît. La vitesse de groupe Cg, vitesse du transport d'energie décroit elle aussi. Pour que l' énergie du système soit conservée alors qu'elle est transportée à une vitesse plus faible il faut que la densité d'énergie par mètre carré augmente. Or cette densité d'energie, est, en joules par mètres carrés, égale à ρga2. La hauteur des vagues 2a doit donc augmenter et elles finissent par déferler.

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