Les mystérieuses vagues scélérates

Pour commencer cet article, une petite vidéo France 3 (loin d'être la plus spectaculaire et on n'évite pas le ton dramatique du journal TV mais au moins, elle est en français). 

Les vagues monstres

Depuis des siècles, les navigateurs rapportent des témoignages effrayants au sujet de ces vagues monstrueuses. Elles sont décrites comme des murs d'eau parfois hauts de 30 mètres qui percutent les navires avec une violence inouïe, causant des dommages considérables et d'innombrables disparations. Les scientifiques, dont les modèles classiques ne permettaient pas de concevoir ce phénomène, les considéraient comme impossibles et accueillaient ces histoires de marins avec scepticisme. Mais, comme pour le kraken ou l'anthrax de Collin Powell, l'avenir allait leur donner tort.

 hauteur de vague sur la plateforme Draupner

Le 1er janvier 1995 en Atlantique nord, la plateforme pétrolière Draupner est touchée par une vague scélérate de 26 m de haut. Les caractéristiques de la vague sont enregistrées par les appareils de mesure et face à l'évidence, la communauté scientifique spécialisée est bien obligée d'admettre son erreur. Les données accumulées depuis montrent que les vagues scélérates sont bien plus fréquentes qu'on ne le pensait. Tous les jours, dans tous les océans du monde, des vagues de plusieurs dizaines de mètres se forment de façon imprévisible, parcourent quelques kilomètres et disparaissent de la même façon. Il arrive également que ces vagues se forment par trois, il est alors presque impossible à un navire d'en sortir indemne. Si vous avez un peu de temps et que vous aimez les histoires de marins, on peut voir ici un reportage de France 3 d'une trentaine de minutes. Lu sur wikipédia :

"Une vague scélérate de 30 mètres de haut peut exercer une pression allant jusqu’à 100 tonnes par mètre carré."

A titre de comparaison, un coup de point de Mike Tyson équivaut (enfin équivalait) à une tonne et demie par m².

"Or, aucun navire n’est conçu pour résister à une telle pression".

Un navire en pleine tempête

Un modèle issu de la mécanique quantique 

Comment se fait il que les physiciens n'aient pas prévu ce cas de figure ? Comme souvent dans les phénomènes extrêmes, les modèles linéaires se sont révélés insuffisants. Pour reproduire les vagues scélérates dans leurs équations, les physiciens se sont tournés vers la mécanique quantique, en utilisant des solutions particulières de la célèbre équation de Schrödinger :

Cette équation, à la base de la mécanique quantique, fait intervenir une fonction d'onde qui sert d'ordinaire à décrire l'état quantique d'un système. En 1983,Howell Peregrine a développé une solution pour l'équation de Schrödinger non linéaire, qui a pris le nom de soliton de Peregrine. Cette solution décrit un comportement très proche de celui d'une vague scélérate : à partir d'une petite oscillation, le soliton de Peregrine grandit jusqu'à atteindre trois fois l'amplitude moyenne, cependant que sa durée temporelle diminue. Puis, il disparait, et l’énergie contenue se dissipe. L'étude, relativement récente, des vagues scélérates a donc adopté le modèle du soliton de Peregrine.

En 2006, Shukla et Eliasson ont réussi à simuler l'apparition des vagues scélérates en se servant des solutions non linéaires de l'équation de Schrödinger : si deux vagues au comportement non linéaire se rencontrent avec un angle assez faible, elles peuvent s'amplifier l'une l'autre (contrairement à ce qui se passe avec une description linéaire classique : la vague s’effondre et se sépare alors en plusieurs petites vagues en diagonale par rapport à la direction de propagation). Cette amplification donne lieu à des "paquets de vagues" qui sont localement trois fois plus hautes que les vagues initiales. La vague géante formée se maintient tant que les conditions de vent (fort vent opposé à la marche) et de courants (forts courants à la base de la vague) sont réunies. L'article et disponible ici.

Les vagues scélérates, crédits : Wikipédia

En 2010, un nouveau pas a été franchi en combinant les effets non linéaires de l'interaction entre les vagues et la dispersion des "paquets de vagues". Ainsi, on s'aperçoit que l’énergie est concentrée dans une zone restreinte avec une gamme étroite de fréquence avec, localement, de très grandes amplitudes, ce qui entraine une stabilisation par saturation (l’énergie n'est donc pas dissipée par les turbulences hydrodynamiques). En 2011, le phénomène est reproduit dans un bassin :

En 2012, un autre cas similaire est étudié par A. Chabchoub et ses collèges : celui des "creux monstres", en quelque sort le contraire des vagues scélérates : une importante dépression qui apparait et se propage de la même façon, avec les mêmes effets dévastateurs.

Les chercheurs se penchent maintenant sur des modèles prédictifs. Ils ont cependant dors et déjà produit une carte des océans montrant les zones où le risque est le plus fort (sur la base de la probabilité de réunir les conditions de formation) qui comprend, par exemple, la côte sud ouest de l'Afrique. Ils ont aussi identifié les conditions favorables à leur formation : vents violents, courants importants, absence de dissipation énergétique sous forme de turbulences, variation brusque de la profondeur, etc. Par ailleurs, le réchauffement climatique pourrait avoir une influence sur la fréquence de ces événements.

Les modèles de description mathématique des vagues scélérates sont aussi utilisés en physique optique, en physique des plasmas ou encore en économie pour décrire des événements brusques et extrêmes.

Pour en savoir plus, on peut lire cet excellent article sur La Science Pour Tous. On peut aussi lire les travaux de F. Dias et T. J. Bridges, de N.Akhmedie, de T.Janssen, de Pelinovsky, de M. Schober et Annalisa Calini ou le livre "Extreme Ocean Waves" de Kharif1 et Efim.