Des vagues dans presque toutes les directions

Ce qui se voit ne se mesure pas toujours facilement. Les vagues formées par le vent à la surface de la mer sont particulièrement difficiles à saisir car il y en a dans toutes les directions. Au large, les plus grandes vagues vont dans la direction du vent, et les plus courtes aussi. Entre les deux, pour des longueurs d'onde proche d'un mètre c'est beaucoup plus compliqué...

L'équipe de Fabrice Ardhuin au Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale (LOPS) vient de montrer, avec l'aide de collègues de l'université de Venise et du Marine Hydrophysics Institute de Sebastopol, que pour des vents moyens ces vagues intermédiaires ne vont pas du tout dans la direction du vent mais sur les côtés, à 70 degrés de la direction du vent. Ces mesures ont été réalisées en mer Noire avec un nouveau système stéréo-vidéo développé à Venise et à Brest. Ce résultat vient d'être publié dans le Journal of Physical Oceanography. La figure ci-dessus montre des clichés pris par les deux caméras (vue de gauche à gauche et vue de droite au milieu) et la forme de la surface avec des creux et des crêtes de 20 cm. La rangée du bas est prise 0,3 seconde après la rangée du haut. Les données analysés contiennent plusieurs séquences de 10000 images.

Les directions des vagues longues sont importantes, en particulier pour leur impact à la côte, c'est une des motivations pour  le satellite franco-chinois CFOSAT sera lancé en 2018. Les vagues plus courtes contiennent très peu d'énergie... mais elles modifient fortement les mesures de l'océan faites par satellite, en particulier le niveau de la mer, et elles forment la "rugosité" de la mer vue par le vent, celle qui modifie les surcotes et a probablement contribué aux inondations lors du passage de la tempête Xynthia. Cette rugosité modifie aussi la vitesse de croissance des grandes vagues: verser de l'huile sur la mer réduit ce frottement et supprime les vagues, petites ou grandes. En général il n'y pas d'huile, et le frottement varie avec la forme des vagues, et il est d'autant plus fort que les vagues vont dans la direction du vent.

L'étude qui vient de paraître, s'appuie sur un nouveau système de mesure développé dans le cadre du projet ERC "IOWAGA", avec le soutien du CNES. Le principe est très simple, deux caméras permettent de déterminer la forme de la surface de la mer, comme nos yeux nous permettent de voir le relief. En pratique, il a fallu un peu rus

er pour tirer le meilleur parti des mouvements et des reflets à la surface et améliorer le traitement des données pour mesurer les vagues les plus courtes possibles.

Comparé à une bouée qui ne peut pas voir le détail de la distribution d'énergie en fonction des directions, la vidéo est capable de séparer toutes les composantes du spectre des vagues.  Les mesures analysées ont été réalisées en 2011 sur la plateforme de Katsiveli, à 500 m au sud de la côte de Crimée, entre Sebastopol et Yalta. Le résultat le plus surprenant est que pour un vent de 25 noeuds, il y a bel et bien un "trou" dans la répartition de l'énergie en fonction de la direction du vent, comme le montre le diagramme ci-dessus. Il n'y a quasiment pas de vagues qui se propagent pour des longueurs d'ondes autour d'un mètre, plus précisément entre 80 cm et 2 m.

En Mer Noire, les vagues sont moins développées que dans l'océan car le vent ne peut pas agir sur de grandes distances, en particulier en zone côtière. Alors comment se transforme ce 1 m dans l'Atlantique?  C'est un des objectifs de la campagne "Vagues Large Bande" qui aura lieu sur le navire de l'INSU "Côte de la Manche" en mer d'Iroise du 20 au 28 octobre 2015. Probablement cette longueur doit être reliée à la longueur des grandes vagues, 14 m dans le cas étudié en Mer Noire. Lorsque les vagues se développement, ce qu'elle peuvent faire dans l'Atlantique, la longueur des vagues pour lesquelles on s'attend à un « trou » dans la direction du vent pourrait atteindre 10 m dans l'océan. Si c'est effectivement le cas, cela pourrait expliquer la croissance de la moyenne des pentes avec le développement des vagues alors que le frottement de l'air diminue: si les pentes s'alignent avec la direction du vent alors le vent n'a plus de "prise" sur la surface. Une autre explication peut être le déferlement des vagues: les vagues moins développées déferlent plus souvent, et offrent plus de prise au vent que les vagues lisses qui ne déferlent pas.

L'analyse de nouvelles mesures, en mer Noire en 2013 et en mer d'Iroise en 2015 et 2016, avec le soutien de la DGA et du CNES, permettra certainement d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes et la précision des prévisions des vagues et surcotes.