TRAVAUX PERSONNELS ENCADRES Groupe N°18 : ~ Alexandre Castaing PS°4 ~ Maxime Faitot PS°1 ~ Olivier Giraud PS°1 L’homme et la nature * Theme : La formation des vagues * Problematique : Pourquoi les vagues ne sont-elles pas identiques malgre leur origine commune ? * Disciplines concernees : SVT et sciences physiques Sommaire * Introduction I – Choix du sujet et definition de la problematique II – Les vagues : une origine commune ) Les caracteristiques d’une vague 2) Les vagues, filles du vent 3) Propagation des ondes 4) Rupture des ondes : le deferlement III – Un destin different 1) Phenomene de refraction 2) Diffraction des ondes 3) Influence du vent 4) Deferlements differents selon les fonds marins * Conclusion * Bibliographie * Lexique TPE : LA FORMATION DES VAGUES ET LEURS DIFFERENCES INTRODUCTION Nous avons tous ou presque deja eu l’occasion de cotoyer les vagues et meme de s’y amuser dedans. Mais ne vous etes vous jamais pose la question de leur origine et comment acquierent-elles tant de puissance ?
Ou alors n’avez-vous jamais ete intrigue de savoir pourquoi elles sont si differentes d’un endroit a l’autre du globe ? Certaines sont ravageuses, d’autres sublimes, faisant le bonheur des surfeurs
Pourquoi les vagues ne sont-elles pas identiques malgre leur origine commune ? Ceci nous conduira a etudier dans un premier temps l’origine commune des vagues, de leur creation dans les systemes depressionnaires au milieu des oceans jusqu’a l’arrivee sur les cotes, et dans un second temps, montrer en quoi elles sont differentes les unes des autres. Tout cela sera etoffe par des experiences pratiques realisees dans les laboratoires mis a notre disposition nous permettant ainsi de mieux comprendre les mecanismes des vagues. Photo 1 : Trains de houle approchant de la cote balinaise
I – Choix du sujet et definition de la problematique Pour definir le sujet d’une etude, il faut en avoir une bonne connaissance. A premiere vue la formation des vagues et ce qu’il en advient n’apparait pas comme un sujet essentiel de recherche scientifique ou de preoccupation a grande echelle. Nous sommes nombreux a avoir observe ce phenomene, peut-etre meme sans y preter attention ou meme se demander pourquoi un banal ballon flottant a proximite du rivage n’est pas ramene par les vagues mais reste au meme endroit seulement ballote par les ondes de surfaces.
Nous nous sommes pourtant pose la question, pensant que ce sujet meritait d’etre approfondi a l’aide d’une problematique precise permettant d’approcher le sujet sous deux plans opposes. Nous avons tout d’abord pense a aborder le sujet d’une maniere globale, considerant tout d’abord les vagues comme un mecanisme incessant et dont la cause indispensable est l’action du vent soufflant a la surface des oceans (hormis cas particuliers : seismes, glissements de terrains provoquant les tsunamis que nous n’aborderons pas dans cette etude).
Une fois que nous avons pu comprendre ce qui regissait la formation des vagues, nous nous sommes poses une seconde question : pourquoi les vagues ne sont t-elles pas toujours identiques ? Prenons deux exemples concrets (dans les Landes, cote Aquitaine) : sur les photos cidessous nous pouvons observer a gauche une vague deferlant sur une plage d’Hossegor et a droite une autre vague deferlant sur une plage de Capbreton a 800 metres plus au sud. Une enigme se pose alors : pourquoi a deux endroits differents espaces de quelques centaines de metres, les vagues n’ont sensiblement pas du tout la meme taille ni la meme forme?
C’est ce que nous allons justement tenter d’elucider. Hossegor Capbreton (photo prisent le meme jour, Avril 2008) Il est a noter que pour apporter des solutions a cette problematique, une approche pluridisciplinaires est necessaire touchant aussi bien a des problemes de sciences physiques que de meteorologie se rattachant plus particulierement a une seconde discipline qui est l’SVT. II – Les vagues : une origine commune 1) Les caracteristiques d’une vague Selon la definition officielle, une vague correspond a mouvement ascendant et descendant de l’eau qui resulte d’une action du vent, d’un courant, etc.
De plus une vague est une onde mecanique se propageant a la surface des mers, deformant ainsi cette surface . On peut caracteriser les vagues grace a differentes grandeurs physiques qui sont les suivantes : ? Longueur d’onde: on la note ? . C’est la distance entre deux cretes (ou sommets) ou creux consecutifs. Plus elle est grande, plus la vitesse de la vague sera eleve (selon le rapport v = d/t ou d est la longueur d’onde et t la duree, on parle de periode). Elle est exprimee en metres. ? Periode: on la note T. C’est l’intervalle de temps qui s’ecoule entre 2 cretes pour passer en un meme point.
Elle est notee en secondes. ? Celerite (ou vitesse de la vague): elle se calcule en faisant le rapport entre la longueur d’onde ? sur le temps qui separe cette distance soit la periode T. On a donc C = ? / T. Pour une meme periode, plus la longueur d’onde sera grande, plus la vague sera rapide. Aussi, pour une meme longueur d’onde, plus la periode T sera courte, plus la vitesse sera grande. On l’exprime en metres par seconde. ? Amplitude: l’amplitude d’une vague est notee A. Elle correspond a la hauteur verticale entre le sommet de la vague et le niveau de la mer au repos.
L’amplitude varie donc en fonction de la profondeur du fond et du fetch. En eau peu profonde (lorsque la vague se rapproche des cotes par exemple), l’amplitude sera plus grande que si une vague se situe en pleine mer (en metres). ? Le fetch : c’est la distance sur laquelle souffle le vent durant une certaine duree sans rencontrer d’obstacle. Ainsi, plus la distance sera grande, plus l’amplitude sera importante, c’est pour cela que sur les petites etendues d’eau (lacs de petite superficie) il n’y a aucune vague assez grande pour provoquer un deferlement. La hauteur : c’est la distance verticale entre le point le plus bas (le creux) et le point le plus haut (la crete). Ainsi lorsque que l’on prend en compte la hauteur d’une vague, il faut calculer la profondeur du creux et la hauteur de la crete. Elle correspond a deux fois l’amplitude soit 2A. ? La cambrure : c’est le rapport de la hauteur sur la longueur d’onde, C = H/ ? (sans unite). Schema 1 : representation simplifiee d’une onde et ses grandeurs caracteristiques. 2) Les vagues filles du vent
En opposition au vagues inconsistantes generees par un vent soufflant uniquement sur la zone de deferlement donc sur une petite distance, les plus belles vagues sont celles se propageant sous forme de houle et proviennent de systemes depressionnaires situes a plusieurs milliers de kilometres des cotes ou elles arrivent. Ainsi, contrairement a certaines idees recues, les vagues ne sont pas l’? uvre du va et vient des marees lunaires mais bien de l’action du vent sur une surface plus ou moins plane. Le vent est un mouvement de l’atmosphere et correspond a des mouvements de masses d’air.
L’air est plus chaud aux basses latitudes (zone equatoriale), et plus froid aux hautes latitudes (zones polaires) ; la difference de pression engendree dans toute l’atmosphere entraine des mouvements des masses d’air entre ces zones, ce qui cree ce que l’on appelle le vent. C’est pour cela que sous nos latitudes, l’equilibre atmospherique est tres fragile ou l’on observe une zone de transition entre les masses d’air froid polaire et d’air chaud tropical. Ainsi, la rencontre des ces masses creee les depressions qui sont a l’origine des vagues.
A la surface de l’eau, le vent se deplace de facon turbulente a la maniere d’un fluide et provoque la formation du clapot dans une premier temps et ensuite des ondes, de petites amplitudes et de longueur d’onde differentes. Ces ondes se deplacent donc dans le sens du vent qui exerce une force sur elles ; plus cette force sera elevee, plus les caracteristiques s’en verront changees et augmentees : c’est ce que l’on appelle le fetch. Schema 2 Schema 3 Schema 2 : figure simplifiee de l’action d’une vent sur un plan d’eau. Schema 3 : vitesse du vent en fonction du fetch ; et consequences sur l’etat de la mer en fonction de la hauteur des vagues.
Il est a noter que le vent doit souffler a une vitesse d’au moins 4 n? uds pour permettre l’apparition d’une vague (1 n? ud = 1,852 km/h). Mais le vent n’est pas un mouvement regulier mais agit par rafale provoquant ainsi des petites et grosses vagues ; ainsi un vent de 40 km/h soufflant sur 200 km pendant 15 heures peut engendrer des creux de 2,5 metres alors qu’ils seront de plus de 11 metres si il souffle sur 400 km a 200 km/h. La taille des vagues va dependre alors de l’intensite du vent, de la distance sur laquelle il souffle mais aussi de la longueur du plan d’eau sur laquelle il s’exerce.
Seules les vagues ayant acquises une vitesse proche de celle du vent pourront continuer leur parcours et ainsi devenir de la houle se deplacant grace a l’energie transmise prealablement par le vent. Les autres deferleront en haute mer et forme ainsi les «moutons». Finalement les houles vont se stabiliser et se propager tranquillement jusqu’a nos cotes. ? Compte rendu d’une experience modelisant l’action du vent : Durant nos heures encadrees de TPE, nous avons voulu modeliser l’action du vent pour verifier par nous-meme les affirmations des scientifiques.
Nous avons donc utilise le materiel suivant : – un seche cheveux avec differentes puissances – un recipient transparent que l’on a prealablement rempli d’eau C’est une experience assez simple dans la preparation, mais elle permet de bien observer l’influence et les modifications sur une surface plane que peu causer le vent. Nous avons donc rempli le recipient d’eau a ras bord, et nous avons exerce la soufflerie du seche cheveux dans le sens de la longueur avec differents niveaux de puissance.
Nous avons fait des photos de profil et en hauteur pour pouvoir bien observer les mouvements de surface. Nous observons alors des oscillations de surface et nous pouvons alors conclure que les vagues naissent bien de l’action du vent (ici modelise par la soufflerie du seche cheveux). En le mettant a la plus basse puissance, nous pouvons voir la creation d’ondes assez propres se deplacant jusqu’au bord oppose du recipient. Mais plus on augmente la puissance du souffle, plus les ondes deviennent turbulentes et se deplacent alors dans tous les sens donnant un mouvement assez chaotique.
Les ondes sont denaturees par le vent dont la vitesse est changeante, mais nous pensons qu’avec un recipient plus grand, les ondes se seraient stabilisees et n’auraient pas ete aussi turbulentes. Nous avons donc pu demontrer theoriquement que les vagues sont bien le fruit de l’action du vent et avons modelise a petite echelle ce qui se passe a l’echelle d’un ocean. Photo 2 faible puissance photo 3 pleine puissance ? Le souffle vient de la gauche et ainsi les ondes se deplacent de gauche a droite a la surface. 3) Propagation des ondes Les vagues sont des ondes mecaniques transversales ayant besoin d’un milieu materiel pour se propager (ici ‘eau). Aussi, contrairement a ce que nous pensons, les vagues sont un transport d’energie et non de matiere. C’est pourquoi les baigneurs se trouvant au large des cotes sont justes ballotes et non ramenes par les vagues sur la plage. Nous allons etudier ici le mouvement des particules d’eau, puis nous nous interesserons au phenomene de propagation des vagues. ? Commencons par le le mouvement des particules Le mouvement des particules est un mouvement d’eau qui se propage a des vitesses plus ou moins elevees selon la profondeur. Cela permet a la vague d’avancer, ainsi cette explication rentre dans la phenomene de propagation des ondes.
On peut etudier le mouvement de ces particules dans deux cas : ? celles en eau profonde ? celles en eau peu profonde ? En eau profonde, lorsque la longueur d’onde est au moins deux fois plus faible que la profondeur, les particules se propagent selon un cercle dont le diametre diminue avec la profondeur. En surface le diametre est de l’ordre de l’amplitude de la vague. En milieu d’ocean, une houle de longueur d’onde de 100 metres, accompagnee d’une profondeur de 1000 metres correspond bien a ce cas precis. Au large les trajectoires sont circulaires mais s’attenuent en profondeur. Schema 4 : mouvement des particules en eau profonde ?
En eau peu profonde, lorsque une vagues approche de la cote, les particules en surface ont toujours la meme trajectoire ; cependant elle s’aplatissent en ellipse avec la profondeur.. Proche du fond la trajectoire n’est plus un cercle ferme mais une sorte de boucle plate (schema 5). Schema 5 : mouvement des particules en eau peu profonde Maintenant que nous avons vu ce qui se passe lorsque une vague se deplace, nous allons voir comment physiquement la vague peut-elle se deplacer grace a sa propre energie accumulee lors de sa formation. ? Passons maintenant au phenomene de propagation des vagues
Lorsque le vent arrete de souffler, l’aspect de la surface de la mer devient de moins en moins chaotique. Les vagues lancees depuis le centre de la depression dans le sens du vent changent alors de statut. La vague de vent (on parle de « mer du vent ») disparait et fait ainsi apparaitre la houle. La houle quant a elle se propage selon un mecanisme mettant en action la vitesse et la pression. Cette reaction a ete decouverte par le physicien Daniel Bernoulli au XVIIIeme siecle (mecanique des fluides). Le principe en est le suivant: « dans un fluide en ecoulement, la vitesse et la pression varient en sens inverse. » ?
Analysons une vague a differents instants t, les differentes couleurs correspondent a differents niveaux de pression. Nous remarquons qu’une augmentation de pression entraine l’apparition d’une « bosse » et cette pression est a l’origine d’une baisse de vitesse des particules d’eau. Puis, la bosse s’etant deplacee, la pression est maximale a son sommet et decroit en descendant a droite. La pression decroit, donc la vitesse augmente. Ces deux schemas mettent bien en evidence la theorie decouverte par Bernoulli. Ainsi les vagues se deplacent du milieu des oceans jusqu’a nos cotes sans avoir besoin d’aucune energie exterieure.
La propagation de la houle est donc un mecanisme autonome et independant des elements exterieurs. Cela permet aux houles de parcourir de tres grandes distances grace a l’energie accumulee auparavant. Comme on peut le voir ci-dessous, en l’absence de courants et par grande profondeur (>300m), la houle se deplace en ligne droite sur les oceans du globe. Le schema represente une houle de 18s de periode arrivant en Californie (chaque couleur represente un jour). C’est donc grace a ce phenomene decouvert par Bernoulli que les vagues se propagent continuellement sur tous les oceans.
Schema 8 : propagation d’une houle dans l’ocean pacifique Cependant cette energie va se dissiper au cours du voyage en dehors de la zone de fetch (lorsqu’on jette un caillou dans de l’eau, les ondelettes generees diminuent en amplitude au fur et a mesure qu’elles s’eloignent de la zone d’impact), le reste de l’energie se dissipera definitivement lors du deferlement. 4) Rupture des ondes : le deferlement Ce qui reste de l’enorme quantite d’energie transmise aux vagues lors de leur formation, va pouvoir se dissiper lors du deferlement de la vague. Les vagues ont donc toutes la meme destinee qui est de finir leurs vies sur le bord d’une plage.
Comme nous l’avons vu precedemment, la vitesse des vagues diminue en fonction de la profondeur, ainsi l’energie perdue lors de cette baisse de vitesse provoque une hausse de la hauteur de la crete de la vague : c’est du au principe de transformation de l’energie cinetique en energie potentielle, la vitesse diminue, l’energie cinetique aussi et comme l’energie se conserve, cela se traduit par une elevation de la hauteur d’eau et donc une augmentation d’energie potentielle. Le deferlement se produit alors lorsque la pente de la vague atteint une cambrure maximale.
Lorsque la vague est « saturee » en energie et que la vitesse des particules du haut de la crete devient plus importante que celle des particules en creux de vague, la vague est destabilisee et deferle. Plus la cambrure augmente, plus la vague se rapproche du rivage jusqu’a cette valeur limite qui est d’un rapport de : C = H / ? = 0,142 soit 14% dans tous les cas possibles d’ondes et de types de cotes. Plusieurs facteurs participent a l’augmentation rapide de cette cambrure a l’approche du rivage. Tout d’abord les vagues ayant ete formees dans des zones ou la profondeur est tres elevee, arrivent sur les cotes ou la profondeur est tres faible.
Elle subissent alors ce qu’on appelle communement la remontee des fonds marins. – En premier lieu, cette diminution brutale de la profondeur participe a la reduction de la longueur d’onde, les trains de houle devenant de plus en plus proche. – Dans un second temps, cette diminution du niveau d’eau provoque la hausse de l’amplitude (et hauteur). Des etudes ont montrees que l’augmentation de l’amplitude est multipliee par un coefficient d’1,5 par rapport a l’amplitude lorsque la vague se trouve dans une zone de grande profondeur.
Ces deux parametres continuent d’evoluer jusqu’a ce que la cambrure n’atteigne son niveau critique exposee plus haut, c’est a ce moment la que le deferlement a alors lieu. En effet si on regarde de plus pres : ? H correspondant a la hauteur, augmente ? ? correspondant a la longueur d’onde, diminue Comme la celerite est definie par C = H / ? et qu’au numerateur on observe une valeur qui augmente alors que la valeur du denominateur diminue, la celerite est donc en constante augmentation jusqu’a la saturation qui oblige la vague a deferler.
Mais encore, un dernier parametre agit sur le deferlement, le frottement sur le fond. En effet lorsque les particules d’eau frottent sur le fond, le mouvement de ces particules s’en voit ralenti. Mais au contraire, les particules situees en surface ne sont pas ralenties et ont donc une vitesse plus elevee. La vague est alors en desequilibre car la crete avance bien plus vite que la base de la vague, et une fois la limite de cambrure atteinte, la vague deferle pour ne devenir qu’ecume. Ainsi on eut comprendre qu’il subsiste des differences dans le deferlement des vagues selon les fonds marins, une cote remontant rapidement causera moins de frottements et la vague s’en verra moins ralentie ; alors qu’une cote dont le fond remonte progressivement sur une plus grande distance freinera bien plus la vague. Les deferlements s’en verront donc changes et c’est ce que nous allons expliquer plus tard dans la partie consacree aux facteurs qui font que les vagues sont differentes selon les cas. III – Un destin different
Cette partie va permettre de repondre a notre problematique et de comprendre les mecanismes a l’origine de la difference des vagues. 1) Phenomene de refraction Quand une vague approche d’un cote avec un certains angle, la ligne de houle s’aligne alors parallelement au fond et a la plage. Ceci n’intervient que quand la profondeur se trouve inferieur a la moitie de la distance entre deux cretes successives. Nous avons vu precedemment que la profondeur a une influence majeure sur la celerite ainsi que sur la longueur d’onde.
Ainsi plus la profondeur diminue, plus les lignes de houle se rapprochent les unes des autres. De plus, les frottements du fond qui agissent sur le mouvement des particules d’eau modifient la trajectoire de ces particules. Mais comme les fonds ne sont jamais uniformes, les mouvements des particules d’eau sont tous differents les uns des autres (creux, bosses, asperites generales des fonds marins). On observe donc des trains de houle completement modifies et on a donc des vagues differentes en amplitude, en longueur et en vitesse qui arrivent au moment du deferlement.
Alors que si les fonds etaient lineaires, toutes les particules seraient modifiees de la meme facon ce qui donnerait des vagues totalement identiques de long en large. Il existe deux grandes methodes pour evaluer la refraction : ? le tracage et la representation des plans de vagues ? le tracage de lignes orthogonales dans le plan de la vague Ce sont des methodes proposees par Huyghens. Le premiere methode permet a partir d’une ligne de crete initiale, de retrouver les lignes de cretes suivantes. Sur la representation suivante, on a represente deux lignes de cretes, une initiale et la suivante.
Pour chaque point P de la crete initiale, la vitesse est calculee grace a la formule de la celerite qui nous le rappelons est : C = ? / T avec ? la longueur d’onde et T la periode entre deux cretes. Ainsi on sait que chaque point P ‘ de la crete suivant est situe a une distance de ? = CxT d’un point P de la crete initiale. La longueur varie en fonction de la profondeur, en connaissant les profondeurs exactes, on est donc capable de modeliser des trains de houle et ainsi comprendre ce qui change en fonction des lieux et des caracteristiques qui y sont observees.
Modelisation de deux cretes consecutives La seconde methode permet a partir du tracage d’orthogonale dans le plan de la vague, d’observer les deviations qu’a subit l’onde. Ces deviations dependent de la vitesse a laquelle se propage l’onde. On sait aussi que la vitesse est influencee par la profondeur, donc la deviation des orthogonales depend aussi de la profondeur. Cette deviation a pour formule physique la loi de refraction de Descartes : sin (i1) / C1 = sin (i2) / C2 Avec : – i1 l’angle d’incidence de l’orthogonale – i2 l’angle de refraction de l’orthogonale
Modele de deviation des orthogonales – C1 et C2 sont les celerites de l’onde avant et apres deviation. Ainsi avec cette methode, on peut facilement determiner l’amplitude de la houle. Ce calcul se termine lorsque la houle arrive tres pres du rivage et s’apprete a deferler ou lorsque elle rencontre un obstacle (digue, constructions navales …). En effet la distance entre deux orthogonales est constante sauf si l’onde subit un des phenomenes expliques dans ce TPE (refraction, diffraction). Lors de la refraction, si elles se rapprochent, le volume d’eau compris entre elles va augmenter et donc l’amplitude.
Il existe une formule pour calculer l’amplitude qui est la suivante : Avec : H1 l’amplitude a l’endroit ou l’on veut la calculer H~ l’amplitude de la houle au large D~ la distance au large entre deux orthogonales D1 la nouvelle distance apres deviation On peut donc trouver grace a ces deux methodes la direction de la houle et l’amplitude de la houle a la cote. Modelisation numerique d’une houle arrivant sur la cote bretonne Sur ce schema on peut voir les lignes de cretes (traits rouge epais) et les orthogonales perpendiculaires aux lignes de cretes qui on le voit sont deviees lorsqu’elles rencontrent un obstacle.
On observe qu’au niveau de chaque ile ou peninsule, les orthogonales sont devies et les lignes de cretes changent ainsi de direction se rapprochant de plus en plus entre elles a l’approche de la cote. On peut alors comprendre pourquoi une vague qui arrive en un point A de la cote ne soit pas la meme que celle qui arrive au point B, les modifications subit n’auront pas ete identiques. De plus, selon la deviation et la vitesse, les vagues n’auront pas la meme amplitude ni la meme longueur d’onde. 2) Diffraction des ondes
Ce nouveau phenomene agit sur les ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle quelconque sur leur trajet. En effet, en voyageant sur des tres longues distances dans l’ocean, les houles ne rencontrent que tres peu d’obstacles par grande profondeur dans des espaces en partie vierge de toutes infrastructures ou deformations de surface. Mais en arrivant pres des cotes, les profondeurs reduisent fortement et certains obstacles peuvent se trouver sur le chemin de ces ondes modifiant ainsi leur trajectoire, leur amplitude ou leur vitesse.
En effet, les ondes ne sont pas arretees par ces obstacles mais elles tendent a les contourner et c’est ce phenomene qu’on appelle la diffraction. Ainsi a l’approche d’une digue, d’un cap ou tout autres avancees dans la mer, les ondes vont les contourner et c’est comme cela qu’elles epousent la forme des cotes. Prenons l’exemple d’une digue a l’entree d’une baie. Cette digue va barrer une partie de la baie mais on a laisse un espace d’une centaine de metres pour permettre l’entree mais aussi la sortie des embarcations.
On peut voir que les d’onde qui arrivent parfaitement paralleles aux digues, se retrouvent circulaire apres etre passees dans l’espace prevu a cet effet. On peut aussi remarquer que l’effet et d’autant plus marquee quand la largeur du « trou » se rapproche de la longueur d’onde entre deux cretes. Ci-dessous, nous avons deux schemas representant la meme situation. Seul l’espace entre les digues est change. On observe que sur le schema de gauche ou le trou est de la taille de la longueur d’onde, le phenomene est bien plus visible que sur le schema de droite ou les ondes ne s’enroulent qu’au niveau des digues.
Schemas de la diffraction des ondes en fonction de l’obstacle observe. Maintenant, observons le meme phenomene mais dans un environnement different. En eau peu profonde, des algues ou meme des recifs affleurant a la surface peuvent aussi modifier les ondes et alors creer une diffraction. Sur la photo ci-dessous, on peut voir que les d’onde arrivent toutes paralleles avant de s’engouffrer dans l’espace laisse par les algues affleurantes des deux cotes. Une fois sortie de cet espace, on observe un changement de direction assez significatif des ondes.
Photo 4 / 5 : diffraction des ondes par un obstacle en surface (ici les algues) Beaucoup d’autres cas sont observables comme a l’abord d’un cap ou d’une digue ou la houle vient s’enrouler autour de cette avancee dans la mer. On peut aussi observer ces phenomenes au niveau des ports ou des constructions cotieres comme ci-dessous avec une photo et un schema explicatif qui montre bien que la houle rentre dans toute la baie, si la diffraction n’avait pas lieu, les ondes resteraient paralleles et toucheraient qu’une partie de la cote. Photo 6 : enroulement d’ondes sur une digue Schema 14 : diffraction d’ondes dans un baie
On peut alors comprendre que les vagues aient un comportement influence par ces obstacles. Ainsi sur une ile, il est preferable de construire les infrastructures sur la cote la moins expose a la houle, sachant que les ondes seront diffractees, la hauteur des vagues sera fortement reduite en aval de l’ile. Desormais nous allons nous interesser a deux nouveaux phenomenes qui agissent surtout au moment du deferlement et qui ne sont pas negligeables. 3) Influence du vent Bien qu’etant a l’origine de la formation de la houle, le vent joue un seconde role plus localise qui influence le deferlement de la vague.
Ce vent s’appelle plus particulierement le vent thermique. Il est cree par la difference de temperature et d’inertie entre la terre et la mer. N’ayant pas du tout la meme inertie thermique, la mer est beaucoup plus lente a se rechauffer et se refroidir que la terre. Ainsi le jour, le soleil chauffe la terre qui devient plus chaude que la mer, l’air chaud (plus leger que l’air froid) monte en altitude et l’air froid vient prendre sa place. La source d’air froid la plus proche etant la mer, un vent onshore (thermique) vient de la mer vers la terre. La nuit, il n’y a plus de soleil, la terre et la mer se refroidissent.
Cependant la mer se refroidit plus lentement que la terre, donc une fois que la terre s’est totalement refroidit, il reste de l’air chaud au dessus de la mer qui va monter et de nouveau etre remplace par de l’air froid provenant de la terre. Ainsi le un vent offshore venant de la terre vers la mer se met en place. Jusqu’au moment ou la terre et la mer se retrouve a la meme temperature, il n’y a alors plus de vent, on dit que c’est glassy. Ensuite, le soleil va de nouveau rechauffer le systeme, la terre se rechauffant plus vite, on se retrouve avec a nouveau un vent onshore et ainsi de suite.
Ainsi ce phenomene se reproduit continuellement, offshore le matin, onshore l’apres-midi. Par fort vent, ces effets peuvent etre inhibes par le vent global. Schema 15 : Creation du vent thermique en fonction des ecarts de temperature mer / terre. Mais quel est alors le rapport entre ce vent thermique, et les vagues ? Il est tout simple, le vent thermique selon qu’il est onshore ou offshore va influencer differemment le deferlement : ? Un vent offshore creuse naturellement les vagues car il vient face a elles au moment du deferlement. Il les rend lisses et retarde le deferlement. Un vent onshore accelere le deferlement de la vague et peu le provoquer a differents endroits en meme temps alors qu’avec un vent offshore la vague aura plutot tendance a bien derouler sur toute sa longueur. De plus ce vent desordonne le plan d’eau et provoque ce qu’on appelle le clapot. C’est donc a cause de ces vents qu’a differents moments de la journee les vagues auront telle ou telle allure, ainsi une vague deferlant en matinee sera bien plus jolie et longue qu’une vague deferlant le soir qui sera amochee par un vent de mer dit onshore.
Schema 16 : influence d’un vent offshore sur la vague. Schema 17 : influence d’un vent onshore sur le vague. 4) Deferlements differents selon les fonds marins Dans ce dernier paragraphe, nous allons voir comment le deferlement peut-etre influence selon la remontee des fonds ou selon leurs compositions. ? La remontee des fonds influe en partie sur le deferlement des vagues. Comme nous l’avons vu plus tot, plus la remontee du fond sera rapide et brusque, moins les particules seront soumises aux frottements du fond.
Alors que dans un cas ou il remonte lentement sur une plus grande distance, il ralentira beaucoup plus la vague qui aura alors une puissance bien plus faible. Dans le cas expose en grand I , on peut voir que la vague qui deferle sur la plage d’Hossegor est tres puissante. La cote landaise ayant des fonds qui plongent tres rapidement, les vagues ont souvent beaucoup de puissance. Cependant, la vague qui deferle a Capbreton parait beaucoup plus « molle », ceci est cause par une exposition moindre de la plage a la houle grace a des digues qui protegent plus la plage qu’a Hossegor.
Il existe donc selon les fonds plusieurs types de deferlements. ? Lorsque le plage observe un fond remontant progressivement, le deferlement est dit GLISSANT. Les vagues sont alors moins puissante et deferlent par leur crete. ? Lorsqu’une plage observe une remontee brusque et rapide du fond, le tassement des vagues se fait tres rapidement et le deferlement et d’autant plus violent que la hauteur augmente vite. Dans ce cas, le deferlement est dit PLONGEANT. ? Il existe un dernier type de deferlement qui est dit GLISSANT.
Il se produit quand le fond remonte tres brusquement (quand le fond plonge a seulement quelques metres du rivage). La crete n’a alors pas le temps de se projeter et la vague deferle alors d’un coup tout au bord de la plage. On peut observer ce cas sur la plage Nord d’Hossegor ou il est tres dangereux de se trouver lorsque les vagues s’abattent de toute leur puissance. Cas d’un deferlement glissant De plus, le sens dans lequel la vague va derouler peut-etre aussi influence. En effet, prenons l’exemple d’une pointe rocheuse, les vagues vont venir s’enrouler autour ce cette pointe et deferler alors que dans un seul sens.
Des cas qu’on retrouve assez souvent sur des plages avec des digues qui provoquent de longues vagues dont le deferlement se fait unilateralement. Mais les cas sont multiples, la composition du fond peut etre aussi un facteur, des fonds sableux ou des recifs (coralliens ou rocheux) n’auront pas les memes consequences sur le deferlement d’une vague. CONCLUSION Finalement, les vagues bien qu’ayant une origine commune et une « vie » identique, sont toutes differentes tant de nombreux facteurs influent sur leur forme, leur vitesse, leur hauteur ou leur puissance.
Nous avons etudies quatre phenomenes qui agissent a differents moments et dans differentes conditions sur les vagues, mais bien d’autres cas seraient observables tant le sujet est vaste. En effet, nous nous sommes seulement approches a petite echelle des ces mecanismes mais des etudes plus poussees sont possibles mais difficilement realisables avec nos experiences. En effet d’autres phenomenes comme les courants, les transferts d’energie entre les ondes pourraient etre etudies mais par manque d’information nous avons prefere etudier ce qui semblait etre l’essentiel.
Cependant, meme si certains sujets ont deja ete eclaires, des zones d’ombres subsistent comme la croissance du vent, ou le phenomene des series : pourquoi certaines vagues arrivent par « lot » de 5 ou 10 puis le moment d’apres il n’y a plus aucune vague qui veut bien venir se briser? Des phenomenes complexes qui meriteraient d’etre approfondi. Il semble important de preciser que l’oceanographie est une science assez recente et c’est seulement en 1954 que les premieres recherches dans le domaine de la dynamique marine ont ete faites par le laboratoire d’oceanographie physique du museum national d’histoire naturelle.
Tout porte donc a croire que dans quelques annees les mysteres des ces vagues pourront etre perces tant le sujet passionne de monde avec des technologies de plus en plus poussees. BIBLIOGRAPHIE Sources internet : http://fr. wikipedia. org/wiki/vague http://surfencharentemaritime. blogspot. com/2005/12/la-creation-des-vagues. html http://surfencharentemaritime. blogspot. com/2005/12/le-deferlement-des-vagues. html http://apere. free. fr/vagues/intro. htm http://www. ifremer. fr/lpo/cours/vagues_ondes/shortwaves. html http://cyclonextreme. com/meteorologieexplicationcarte. tm http://fr. wikipedia. org/wiki/vent http://shom. fr http://modelisation-mer-nuages. over-blog. com/article-26797734. html http://mediawikirfrc. cetmef. equipement. gouv. fr/mediawiki/index. php/Mod %C3%A8le_de_plan_de_vagues http://oceane. e-monsite. com/rubrique,rubrique. 1018024. html http://surfingfrance. com/commissions/eco-surf/infos-pratiques/les-differents-types-de-plage http://hmf. enseeiht. fr/travaux/CD0001/travaux/optsee/bei/3/g30/theorie. htm http://pagesperso-orange. fr/philippe. boeuf/robert/physique/diffraction. htm Periodiques :
Science et Vie n°1047 decembre 2004 « les vagues scelerates » Science et Vie n°971 aout 1998 « ces ingenieurs fous de la vague » Surf Session HORS SERIE n°47 « sciences de la vague » LEXIQUE Depression : depression (atmospherique), masse atmospherique sous basse pression, qui est le siege de mouvements ascendants. Deferlement : action de deferler. Deferler : se developper et se briser avec violence. Diffraction : deviation que subissent les ondes lorsque celles-ci rencontrent un obstacle. Houle : mouvement ondulatoire de la mer, sans deferlement des vagues.
Onde : mouvement de la surface de l’eau, d’un liquide formant des rides concentriques qui se soulevent et s’abaissent. Offshore: vent qui vient de la terre. Onshore : vent qui vient de la mer. Propagation : deplacement progressif d’energie dans un milieu determine. Vague : ondulation produite a la surface de l’eau par l’effet du vent, d’un courant, etc. ; mouvement ascendant et descendant de l’eau qui en resulte. Vent : mouvement de l’air se deplacant d’une zone de hautes pressions vers une zone de basses pressions.
