Des vagues de plus de 100 mètres existent-elles vraiment sous la mer ?
― La surface reste presque immobile, mais de gigantesques vagues ondulent en profondeur
Oui, c'est vrai. Sous la mer, des vagues se propagent non pas à la surface, mais à la frontière entre une eau légère et une eau lourde. En mer de Chine méridionale, on en a observé qui atteignaient 170 mètres de haut. Pourtant, depuis un bateau, on ne les voit presque pas. Tout tient à un fait : l'eau du haut et celle du bas ne diffèrent que de très peu en poids.
Secouez doucement une bouteille de vinaigrette, couchée sur le côté. La frontière entre l'huile au-dessus et le vinaigre en dessous ondule largement, lentement. Pourtant, la surface de l'huile, tout en haut, reste presque plane.
La même chose se produit dans la mer. En général, l'eau du haut est chaude et légère, celle des profondeurs est froide et lourde. Et cette frontière ondule, lentement, avec une grande amplitude.
Sa hauteur rivalise même avec celle d'un gratte-ciel. Comment ces « grandes vagues invisibles » peuvent-elles devenir aussi grandes ?
Deux raisons seulement expliquent ces vagues géantes
La différence de poids entre l'eau du haut et celle du bas n'est que d'environ 0,2 %. Quand on soulève l'eau, presque rien ne la fait retomber. Un petit effort suffit donc à provoquer une grande oscillation.
À chaque marée, toute la masse d'eau va et vient. Quand ce courant franchit une chaîne de montagnes sous-marine, il soulève la frontière de plusieurs dizaines de mètres et lance une vague géante.
La première raison explique « de combien oscille la frontière pour un effort donné ». La seconde explique « d'où vient cet effort ». Voyons-les tour à tour.
Raison 1 : si la différence de poids est faible, la même force fait osciller plus de 20 fois plus
Prenons d'abord une vague de surface. Au-dessus de l'eau, il y a de l'air. L'air est environ 800 fois plus léger que l'eau. Quand on soulève la surface, l'eau retombe donc vite sous son propre poids. C'est pourquoi les vagues de surface ne dépassent guère quelques mètres.
À la frontière interne, tout est différent, car ce qui se trouve au-dessus est aussi de l'eau. On estime que l'eau du haut et celle du bas ne diffèrent que d'environ 2 grammes par litre. Même soulevée, l'eau du bas n'est que « un peu plus lourde que son entourage ». La force qui la fait retomber est des centaines de fois plus faible qu'à la surface.
Quand la force de rappel est faible, une vague oscille beaucoup avec la même énergie. Le calcul montre qu'avec la même énergie qu'une vague de 1 mètre en surface, la frontière oscille d'environ 23 mètres. Dans la figure 1, changez la différence de poids avec le curseur. Plus la différence est petite, plus l'oscillation de la frontière est grande.
Autre particularité : les vagues internes avancent « très lentement ». Comme la force de rappel est faible, l'oscillation met aussi du temps à se transmettre au voisin. Là où une longue vague de surface file à 30 mètres par seconde, une vague de frontière avance, dit-on, de 1 à 3 mètres par seconde. Ces grandes vagues, à vitesse de marche, traversent la mer en plusieurs jours.
Raison 2 : la marée fait naître des vagues au-dessus des monts sous-marins
D'où vient donc la force qui lance ces grandes vagues ? Principalement des marées. À chaque marée haute et basse, l'eau de la mer va et vient en masse.
Quand ce courant rencontre une chaîne de montagnes sous-marine, la frontière est vivement repoussée vers le haut le long des pentes. Quand le courant change de sens, la frontière soulevée se transforme en vague et se propage au loin. Le détroit de Luçon, entre Taïwan et les Philippines, en est un exemple typique. Son fond compte deux chaînes de montagnes, et les vagues qui y naissent traversent la mer de Chine méridionale vers l'ouest. Selon les observations, elles ont atteint jusqu'à 170 mètres de haut.
Et la surface ? Même quand la frontière bouge de plus de 100 mètres, le niveau de la mer ne varie que très peu. Mais au-dessus de la vague, l'eau forme des bandes où les courants convergent et d'autres où ils divergent. La surface présente alors des rayures alternées : des bandes « ridées de petites vaguelettes » et des bandes « lisses ». Sur les photos de satellite, ces rayures s'étendent sur des dizaines de kilomètres.
En 1893, le Fram, navire de l'explorateur norvégien Nansen, cessa soudain d'avancer dans l'océan Arctique. Malgré le vent et la machine, on raconte qu'il semblait retenu par quelque chose. Là, une eau légère venue des fleuves et de la glace reposait en couche mince sur l'eau de mer plus lourde. La force du navire était absorbée par la création de vagues à la frontière interne. Plus tard, le chercheur suédois Ekman confirma ce mécanisme par des expériences en bassin. Les marins appelaient ce phénomène « l'eau morte ».
En se brisant, les grandes vagues internes brassent l'eau froide des profondeurs et l'eau du haut. Or l'eau profonde est riche en nutriments. On pense donc que plancton et poissons se rassemblent volontiers là où les ondes internes déferlent. On a aussi signalé qu'elles protègent les récifs coralliens en y apportant de l'eau froide pendant les étés brûlants.
En résumé
L'eau de mer forme deux « étages » : légère en haut, lourde en bas. À leur frontière, la différence de poids est faible, donc la force de rappel est très faible. C'est pourquoi, à énergie égale, la frontière oscille plus de 20 fois plus que la surface, et avance lentement. Quand le courant de marée franchit un mont sous-marin, naissent alors des vagues de plus de 100 mètres de haut.
Ce qui fixe la taille d'une vague, ce n'est pas la quantité d'eau, mais la « différence de poids ».
Plus la différence est faible à la frontière, plus la vague est grande, silencieuse et lente.
Jusqu'où les vagues de surface peuvent-elles monter ? Réponse dans « Jusqu'où les vagues de la mer peuvent-elles monter ? ». Quant aux vagues qui avancent sans changer de forme, voyez « Pourquoi une vague qui avance sans changer de forme ne s'effondre-t-elle pas ? ». Beaucoup de grandes vagues sous-marines appartiennent à cette famille des « vagues qui ne s'effondrent pas ».
- Remplissez à moitié une bouteille en plastique transparente avec de l'eau où vous avez bien dissous du sel.
- Versez doucement par-dessus de l'eau colorée avec du colorant alimentaire, en la faisant couler sur le dos d'une cuillère. Si l'eau se sépare en deux couches, haut et bas, c'est réussi.
- Fermez le bouchon, couchez la bouteille, puis inclinez-la lentement et ramenez-la. Observez comment la frontière oscille largement et longuement, et comparez avec la surface.
Si vous réduisez le sel pour diminuer la différence de poids, l'oscillation de la frontière devient encore plus lente. Vous pouvez aussi essayer avec de l'eau et de l'huile : comme elles ne se mélangent pas, la forme de la vague se voit nettement.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique ou de sciences de la Terre du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire (océanographie physique, dynamique des fluides géophysiques), non vue au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore considérés comme établis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Onde interne : onde qui se propage non à la surface, mais à la frontière entre des eaux de densité (poids) différente, ou à l'intérieur de l'eau.
- Pycnocline : couche de la mer où la densité change brusquement avec la profondeur. Elle correspond à la frontière entre l'eau chaude de surface et l'eau froide profonde.
- Marée interne : onde interne de même période que la marée, née quand le courant de marée franchit le relief du fond.
- Eau morte (shinimizu en japonais) : phénomène où, dans une mer couverte d'une fine couche d'eau légère, la poussée du navire est détournée pour créer des ondes internes, et le navire avance mal.
CollègeLycéeVérifions par la formule : de combien la frontière oscille-t-elle à énergie égale ?
Comparons, dans l'énergie de l'onde, l'énergie potentielle de l'eau soulevée. À la surface, c'est la différence de poids entre « eau et air » ; à la frontière, entre « eau lourde et eau légère » : elle détermine la difficulté à soulever.
| En symboles | ½ × Δρ × g × a² ＝ ½ × ρ × g × a₀² donc a ＝ a₀ × √( ρ ÷ Δρ ) |
| En mots | Oscillation de la frontière ＝ oscillation en surface × racine carrée de (densité de l'eau ÷ écart de densité haut/bas) |
| D'où vient la formule | L'énergie potentielle nécessaire pour déplacer une interface d'une hauteur a est proportionnelle à l'écart de densité de part et d'autre. En supposant la même énergie donnée à la surface et à la frontière, on égale les deux : c'est une équation d'équilibre. La vitesse devient lente pour la même raison : c ＝ √( g × (Δρ ÷ ρ) × h ). |
| Symbole | Signification et unité |
| ρ | Densité de l'eau de mer (kg/m³) |
| Δρ | Écart de densité entre l'eau du haut et celle du bas (kg/m³) |
| g | Accélération de la pesanteur (m/s²) |
| a₀, a | Oscillation de la surface, de la frontière (m) |
| h | Épaisseur de la couche légère du haut (m). Approximation valable si la couche du bas est assez profonde |
| Densité de l'eau de mer | env. 1025 kg/m³ |
| Écart de densité haut/bas (valeur typique) | env. 2 kg/m³ |
| Accélération de la pesanteur | 9,8 m/s² |
| Épaisseur de la couche légère du haut | 100 m |
| Oscillation d'une vague de surface (référence) | 1 m |
| Rapport des densités | 1025 ÷ 2 ＝ 512,5 |
| Sa racine carrée | La racine carrée de 512,5 vaut environ 22,6 |
| Oscillation de la frontière (même énergie que 1 m en surface) | 1 × 22,6 ＝ 22,6 m |
| Part de la différence de poids | 2 ÷ 1025 ≒ 0,00195 |
| « Pesanteur » vue par la frontière | 9,8 × 0,00195 ≒ 0,0191 m/s² |
| Carré de la vitesse | 0,0191 × 100 ＝ 1,91 |
| Vitesse de la vague de frontière | La racine carrée de 1,91 vaut environ 1,38 m/s |
| Comparaison : longue vague de surface (profondeur 100 m) | 9,8 × 100 ＝ 980 → racine carrée : environ 31,3 m/s |
| Rapport des vitesses | 31,3 ÷ 1,38 ≒ 22,7 |
La vague de frontière oscille environ 23 fois plus que celle de surface, et avance environ 23 fois plus lentement. Les deux facteurs viennent du même « √(ρ ÷ Δρ) », d'où leur égalité.
| Hauteur maximale observée en mer de Chine méridionale | env. 170 m |
| Équivalent en vague de surface | 170 ÷ 22,6 ≒ 7,5 m |
En gros, une vague de frontière de 170 mètres porte à peu près la même énergie qu'une grosse vague de surface de 7,5 mètres (la vraie mer n'a pas deux couches, sa densité varie en douceur : c'est donc un ordre de grandeur). Ces grandes vagues à vitesse de marche transportent une énergie comparable à celle de mers déchaînées.
LycéeLycée+La vitesse d'une onde dépend de l'équilibre entre « rappel » et « inertie »
LycéeEn physique au lycée, on apprend que la vitesse d'une onde sur une corde est la racine carrée de « tension ÷ masse linéique ». Plus la force de rappel est forte, plus l'onde est rapide ; plus la masse à déplacer est grande, plus elle est lente. Il en va de même pour les ondes internes : la force de rappel s'affaiblit proportionnellement à Δρ, alors que la masse d'eau à déplacer ne change pas, d'où la lenteur.
Lycée+La vitesse des ondes internes s'obtient en remplaçant g, dans la vitesse √(g × profondeur) des ondes en eau peu profonde, par la « gravité réduite » g × (Δρ ÷ ρ). Le principe d'Archimède (la poussée) montre qu'une eau à peine plus lourde que son entourage ne subit qu'une force vers le bas égale à cette différence de poids.
Univ.Fréquence de flottabilité et ondes solitaires internes
Dans une mer dont la densité varie de façon continue, une eau déplacée verticalement oscille autour de sa profondeur d'origine. Cette fréquence s'appelle la fréquence de Brunt-Väisälä (fréquence de flottabilité) ; les ondes internes n'existent qu'à des fréquences inférieures. Les ondes de grande amplitude, comme les grandes vagues de la mer de Chine méridionale, sont des ondes solitaires internes (solitons internes), où non-linéarité et dispersion s'équilibrent ; on les approche par l'équation de Korteweg-de Vries, entre autres. Le transfert d'énergie du courant de marée vers les ondes internes est étudié sous le nom de « génération de marées internes ».
📖 Démonstration de la formule et approfondissements : Onde interne (Wikipédia en japonais) ／ Soliton (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Où et comment les grandes vagues finissent-elles par se briser ? L'endroit où l'énergie des ondes internes se transforme en chaleur et en mélange varie beaucoup d'un lieu à l'autre, et les observations n'ont pas rattrapé le retard.
- Dans quelle mesure les ondes internes brassent-elles les eaux profondes ? Quelle part le mélange dû aux ondes internes prend-il dans l'entretien du lent renouvellement des eaux profondes des océans ? C'est un grand enjeu, lié aussi aux prévisions climatiques.
- Comment les « deux étages » de la mer évolueront-ils avec le réchauffement ? Quand la surface se réchauffe, l'écart de densité haut/bas augmente, et l'on pense que les propriétés et le mélange des ondes internes changent aussi, mais l'ampleur de cet effet reste à estimer.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Les grandes vagues sous-marines ne commencent à se montrer que depuis quelques décennies, avec les satellites et les instruments d'observation des grands fonds.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : densité, poussée, propagation des ondes | Les « deux étages » de la mer, léger en haut et lourd en bas |
| Lycée | Physique : vitesse des ondes, énergie potentielle / Sciences de la Terre : structure en couches de l'océan | Vérifier par la formule (équilibre des énergies) |
| Lycée+ | Vitesse des ondes en eau peu profonde, gravité réduite | Pourquoi la vague de frontière est environ 23 fois plus lente |
| Univ. | Océanographie physique, dynamique des fluides géophysiques | Fréquence de flottabilité, ondes solitaires internes, marées internes |
| Recherche | Mélange océanique, climat | Déferlement des grandes vagues et renouvellement des eaux profondes |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Nutriments des zones de pêche, refroidissement des récifs coralliens, effets sur les navires et les structures marines |
- Alford, M. H. et al. (2015) The formation and fate of internal waves in the South China Sea. Nature 521
- Onde interne ― Wikipédia en japonais (内部波)
- Nansen, F. (1897) Farthest North (récit du voyage du Fram, avec le compte rendu de l'eau morte)
- Ekman, V. W. (1904) On dead water. The Norwegian North Polar Expedition 1893–1896, Scientific Results
- Gill, A. E. (1982) Atmosphere-Ocean Dynamics. Academic Press
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Dans la vraie mer, la densité varie en douceur : le calcul à deux couches ne sert qu'à donner un ordre de grandeur.