Océanographie de la côte de la Colombie-Britannique - Pêches et ...

Chapitre 7. La production de vagues de vent
Les vents produisent des vagues. L'homme le sait
depuis des milliers d'années et doit faire face à ce phénomène
depuis qu'il s'aventure sur les mers. D'autres
mécanismes engendrent des vagues, mais c'est sûrement
le vent qui contribue le plus à rider la surface de l'eau
sur notre planète. Cependant, la façon dont l'énergie du
vent se transmet aux vagues est encore mal comprise.
L'étude de la production des vagues de vent demeure un
aspect important de l'océanographie.
Un problème difficile
En plus de la mesure des quantités, les importants
problèmes techniques demeurent les obstacles majeurs à
l'étude de la genèse des vagues de vent. Il est très difficile
de concevoir des instruments qui mesurent les
variations du vent et de la pression à la surface de l'eau
ainsi que le mouvement de bas en haut des vagues. Les
capteurs doivent d'abord être exposés à l'air qui
s'écoule au-dessus des vagues tout en demeurant secs, la
moindre goutte d'eau ayant l'effet d'un coup de masse
par rapport aux faibles brises. De plus, les instruments
doivent flotter de façon à enregistrer le mouvement
vertical de la vague sans s'agiter comme les embarcations
dans un clapot. En outre, la présence des instruments
perturbe l'écoulement de l'air au-dessus des
vagues. Les données recueillies peuvent donc induire en
erreur l'océanographe qui comprend mal comment son
instrument flottant perturbe le processus naturel de la
génération des vagues. Un autre problème qui hante
tous les chercheurs est la façon de bien faire fonctionner,
en eau salée, les instruments électroniques sensibles.
Pour une raison ou pour une autre, l'eau salée s'infiltre
dans les instruments les mieux scellés et, conductrice
d'électricité, elle corrode les métaux et cause bien
des ennuis aux chercheurs. Finalement, le théoricien a
un rôle à jouer : construire, d'après les lois de la physique,
un modèle mathématique qui explique en détail la
genèse des vagues de vent. Pour être acceptable, le
modèle doit se vérifier par les observations.
Qu'est-ce qui doit être expliqué? Toute théorie doit
d'abord expliquer la formation des vagues sur une
surface plane; elle doit donc tenir compte du rôle de la
tension de surface dans les premiers stades de la formation
d'une vague. Les observations montrent que cette
force engendre les premières rides (ondes capillaires)
lorsque le vent se lève. Ensuite, toute théorie doit expliquer
la croissance de ces rides et leur transformation en
ondes de gravité. Comme cela est mentionné précédemment,
trois facteurs principaux régissent cette croissance
: la force moyenne du vent, sa persistance à une
vitesse donnée et sa course. Plus le vent souffle longtemps
et fort, plus est grande la quantité d'énergie
transmise aux vagues. (L'énergie des vagues est proportionnelle
au carré de leur hauteur.) Parce qu'elle
détermine la période pendant laquelle un groupe
d'ondes en déplacement reçoit directement de l'énergie
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d'un système de vent donné, la course du vent est
importante. Les hautes vagues à longue période ne peuvent
apparaître que par forts vents persistants soufflant
sur une grande étendue de l'océan. Ces vagues sont donc
confinées aux régions médio-océaniques, là où la course
du vent n'est limitée que par les dimensions de la
tempête. Elles ne se produisent pas dans des eaux abritées,
tel le détroit de Géorgie, où la course du vent est
limitée par les terres.
Il est évident que la hauteur des vagues s'accroît
proportionnellement à la force, à la persistance et à la
course du vent. Pour un ensemble de conditions
données, cependant, les vagues ne s'accroissent pas
indéfiniment; il existe une limite, appelée mer entièrement
levée, qui marque le moment où les vagues deviennent
saturées d'énergie et où toute addition d'énergie
par le vent augmente la turbulence et le chaos à la
surface (tableau 6.2). Bien que ce processus soit également
intéressant pour les océanographes, c'est plutôt la
croissance des vagues entre les deux extrêmes — mer
calme et mer entièrement levée — qui attire l'attention
des chercheurs et des théoriciens.
Mécanismes de la production
des vagues
Sir William Thomson (Lord Kelvin) fut le premier,
en 1874, à proposer une explication mathématique au
processus de la production des vagues de vent. S'inspirant
des idées de H. Helmholtz, il expliqua la croissance
des vagues par le mécanisme qu'il appela l'instabilité de
Kelvin-Helmholtz. Bien qu'abandonné depuis longtemps
pour rendre compte des ondes de surface, ce
mécanisme est aujourd'hui considéré comme l'une des
causes principales de la turbulence en air limpide (dont
nous avons parlé au chapitre 6 relativement aux ondes
de gravité internes). En 1932, le physicien Lamb expliqua
de façon presque identique la croissance des vagues.
Malheureusement, cette théorie prévoyait un vent d'au
moins 6,5 m /s (13 kn) pour que des vagues apparaissent;
elle décrivait donc un processus qui n'est ni efficace
ni réaliste. Jeffreys (1925) proposa la théorie de
l'abritement. Celle-ci suppose un vent d'au moins 1 m / s
(2 kn) seulement. En termes simples, elle dit que le vent
passe au-dessus de la vague de façon à se détacher de la
crête du côté sous le vent et à laisser une zone abritée ou
contre-remous (fig. 7.1). Ainsi, la pression de l'air dans
le contre-remous est inférieure à la pression normale et
amplifie le mouvement ascendant de la partie sous le
vent de la crête de la vague. De la même façon, la pression
de l'air du côté au vent de la crête, pression plus
forte que la normale, agit plus fermement sur cette face
de la crête et accroît le mouvement vers le bas. Si cet
effet se poursuit, la vague grossit. La théorie n'expliquait
pas et ne pouvait pas expliquer comment les
vagues naissent, rien ne perturbant l'écoulement de l'air