Qu'est-ce qu'une onde ?
Les ondes correspondent à des déformations périodiques d'une interface. En océanographie, les ondes de surface se matérialisent par une déformation de la surface de la mer, c'est-à-dire de l'interface entre l'atmosphère et l'océan.
Une onde se caractérise par :
-sa période T ou sa fréquence 2 pi / T
-sa longueur d'onde : lambda
-sa vitesse de propagation (ou vitesse de phase) : c = lambda / T
-son amplitude : A
-son rapport d'aspect : d = 2A / lambda
Sur la figure ci-dessous, la valeur de l'amplitude A de l'onde est exagérée
par rapport à la
profondeur H de l'océan
Mouvements des particules d'eauMouvement des particules d'eau au passage au passge de l'onde
La déformation de l'interface (air-mer dans le cas d'une onde de surface) se propage à la vitesse de l'onde. Les particules d'eau mises en mouvement au passage de l'onde se déplacent avec une vitesse qui leur est propre, mais restent en moyenne à la même position
Cas des ondes courtesCas des ondes longues
Ondes Courtes
Mouvement des particules d'eau au passage de l'onde
Cas des ondes courtes
En eau profonde, c'est-à-dire lorsque la longueur d'onde de l'onde est faible par rapport à la profondeur H de l'océan (au moins 2 fois plus faible), les particules d'eau se déplacent sur un cercle. Les ondes sont alors appelées ondes courtes (figure ci-dessous)
Mouvement des particules d'eau au passage de l'onde
Cas des ondes longues
En eau peu profonde, c'est-à-dire lorsque la longueur d'onde de l'onde est très grande par rapport à la profondeur de l'océan (au moins 20 fois plus grande), les particules d'eau se déplacent sur une ellipse. Les ondes sont alors appelées ondes longues (figure ci-dessous)
Vitesse de propagation de l'onde
La vitesse de propagation c dépend du type d'onde que l'on considère. Dans le cas des ondes longues et des ondes courtes définies précédemment, la formule permetant de calculer c est assez simple :
-> pour les ondes courtes (eau profonde) :
-> pour les ondes longues (eau peu profonde) :
Cela signifie que parmi les ondes courtes (la houle par exemple), celles qui ont la longueur d'onde la plus grande se propageront le plus vite.
Et si l'on considère une onde longue (un tsunami par exemple), en se rapporchant des côtes, sa vitesse diminuera en même temps que la profondeur du fond
Classification des ondes
Les ondes peuvent être classées de différentes manières. Une des possibilités consiste à les différencier par les forces qui les génèrent. Dans ce cas, nous trouvons :
1. Le forçage météorologique (vent) -> houle, vagues
2. Le forçage par des tremblements de terre -> tsunamis
3. Le forçage astronomique -> marées
D'autres classifications sont basées sur :
la période des ondes. Celle-ci varie de quelques secondes à quelques années suivant les
ondes que l'on considère
les forces qui tendent à rappeler les particules, mises en mouvement par le passage de l'onde,
vers une position de repos. Ceux sont par exemple ls force de gravité ou la force de Coriolis
Ondes forcées par le vent : houle, vagues
Les ondes forcées par le vent sont des ondes courtes. Pourquoi ?
On distingue :
les vagues qui sont formées par le vent local
la houle (swell en anglais) qui est formée par un champ de vent éloigné de la zone
d'observation
Quels sont les facteurs qui déterminent l'amplitude, la période et la longueur d'onde de la
houle?
Que devient la houle en arrivant près des côtes ?
Ondes forcées par le vent : houle, vagues
Pourquoi la houle est-elle une onde courte ?
La longueur d'onde de la houle est de l'ordre d'une centaine de mètre. Au large,la profondeur de l'océan est supérieure à 4000 m. Par conséquent nous sommes bien dans lecas ondes courtes pour lesquelles la longueur d'onde doit être inférieure à 2 fois la profondeurde l'océan
Ondes forcées par le vent : houle, vagues
Quels sont les facteurs qui déterminent l'amplitude, la période et la longueur d'onde de la houle?
L'effet du vent sur l'état de la mer dépend :
-de la distance sur laquelle le vent souffle sans rencontrer d'obstacles. Cette distance est appelée le fetch. La présence de la côte limite le fetch dans le cas d'un vent soufflant de la terre vers la mer. Au large, le fetch est généralement déterminé par la taille de la "dépression" qui produit le vent
-du temps pendant lequel le vent souffle de façon continue à une force donnée.
Ainsi, pour une vitesse de vent donnée, il faudra un certain temps pour que les ondes créées atteignent un état d'équilibre. Ensuite, même si le vent continue à souffler, la houle ou le clapot ne grossiront plus
On peut montrer :
que des vagues de 10 m de hauteur et de période 11 secondes peuvent être produites localement par un vent soufflant à 45 noeuds (81 km/h) pendant 20 heures et sur une
distance (fetch) de 250 km
qu'une houle de 2 m de hauteur et de période de 14 secondes peut être produite par un vent soufflant à 36 noeuds (65 km/h) à 2000 km de distance et 62 heures plus tôt
Ainsi, une dépression, située au large de l'Islande est capable de créer des ondes de longueurs d'ondes différentes. Etant donné que la vitesse de propagation des ondes courtes est proportionnelle à leur longeur d'onde, les ondes dont la longueur d'onde est la plus grande arriveront en premier sur les côtes bretonnes.
Ondes forcées par le vent : houle, vagues
Que devient la houle en arrivant près des côtes ?
En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux dont la profondeur est inférieure à leur demi-longueur d'onde. Par conséquent, elles se transforment en ondes en eau peu profonde (ou ondes longues) et se propagent avec une vitesse qui est proportionnelle à la hauteur d'eau.
A cause du frottement sur le fond, la houle est ralentie et sa longueur d'onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l'onde s'accompagnent d'une augmentation de l'amplitude. La période est la seule propriété qui ne change pas à l'approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la houle est de plus en plus raide et la proximité du fond déforme le mouvement des particules d'eau ; 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. C'est ce qui fait le bonheur des surfers
Ondes forcées par les tremblements de terre : tsunamis
Les tsunamis sont des ondes longues. Pourquoi ?
Les tsunamis dans l'histoire
Le tsunami le plus fort qui ait été répertorié dans l'histoire a été produit par l'éruption d'un volcan en 1883. Il a atteint une hauteur de 35 mètres et a coûté la vie à 36 830 personnes. Dans l'océan Pacifique, quatre tsunamis dont la hauteur dépassait les 30 mètres ont été mentionnés depuis 634 av. J.C.. Dans l'océan Atlantique, un très important tsunami a été observé à la suite d'un tremblement de terre près de Lisbonne au Portugal.
Pourquoi les tsunamis sont-ils si dangereux, si redoutés ?
Ondes forcées par les tremblements de terre : tsunamis
Pourquoi les tsunamis sont-ils des ondes longues ?
La longueur d'onde des tsunamis est généralement supérieure à 100 km. La profondeur de l'océan étant plutôt de l'ordre de 4000 m, les tsunamis peuvent être considérés comme des ondes longues ou ondes en eau peu profonde.
Au large, les tsunamis se propagent très rapidement. En effet, ceux sont des ondes longues et leur vitesse est proportionnelle à la profondeur de l'océan. Au large, la profondeur de l'océan est en moyenne de 4000 m et les tsunamis se propagent avec une vitesse de 200 m/s environ, ce qui correspond à 700 km/h. En se rapprochant des côtes, les tsunamis ralentissent car la profondeur de l'océan diminue
Au cours de sa propagation, un tsunami perd très peu d'énergie. En effet, la perte d'énergie est inversement proportionnelle à la longueur d'onde de l'onde, et celle des tsunamis est très grande
La quantité d'énergie présente dans un tsunami dépend de la vitesse de l'onde et de son amplitude.
Par conséquent, en se rapprochant des côtes, la vitesse du tsunami va diminuer, mais pour maintenir son flux d'énergie constant, son amplitude va augmenter de façon considérable. Ainsi, un tsunami sera quasiment imperceptible au large, mais son amplitude pour atteindre rapidement 10, 20 voire même 30 mètres en arrivant près de la côte. Cette vague très haute, très énergétique et très rapide est donc capable de créer des dégats considérables lorsqu'elle atteint, quasiment par suprise, les côtes souvent très peuplées du Pacifique. A cause de cette force destructrice des tsunamis, un sytème d'alerte a été mis en place. Ce système utilise les mesures sismiques des tremblements de terre et calcule le temps d'arrivée de l'onde sur les côtes des basins océaniques.
