Pourquoi les pêcheurs chevronnés observent-ils longtemps la mer avant de lancer leur ligne ?
― Les grosses vagues arrivent groupées, en « séries »
Les vagues n'arrivent pas les unes après les autres à hauteur constante. Après une accalmie, plusieurs grosses vagues arrivent d'un coup, groupées. Et plus on observe longtemps, plus on finit par croiser une vague encore plus grosse. Si un pêcheur expérimenté observe la mer avant de monter sur les rochers, c'est qu'il connaît ces deux vérités par expérience.
Un matin d'automne, vous venez pêcher au bout d'une jetée. Les vagues, loin en contrebas, viennent clapoter doucement. « La mer est calme aujourd'hui », pensez-vous, prêt à installer votre matériel.
Mais le pêcheur expérimenté à côté de vous, lui, n'a même pas sorti sa canne : il observe la mer. Au bout d'une dizaine de minutes, trois ou quatre vagues nettement plus grosses que les précédentes arrivent d'affilée. Des embruns blancs viennent mouiller les rochers qui, jusque-là, étaient secs sous vos pieds.
Puis la mer redevient calme. Le vétéran s'installe alors en retrait de la ligne laissée par l'eau mouillée, et commence enfin à pêcher. Cette « arrivée groupée de grosses vagues » est-elle un simple hasard ?
Deux raisons expliquent pourquoi le vétéran observe la mer
Les houles qui arrivent de loin ne sont pas toutes identiques. Quand des houles de périodes légèrement différentes se superposent, des moments où les crêtes s'alignent alternent avec des moments où elles s'annulent. Les instants où elles s'alignent forment la « série » de grosses vagues.
La hauteur des vagues varie beaucoup, et il arrive qu'une vague exceptionnellement haute se glisse parmi les autres. Plus on en voit passer, plus on a de chances de tomber sur cette « vague rare ». La plus grosse vague vue en 10 minutes n'est pas forcément la plus grosse de la journée.
Le premier point répond à « quand arrivent-elles ? », le second à « jusqu'où peuvent-elles monter ? ». Voyons cela dans l'ordre.
Raison 1 : des houles de périodes différentes qui se superposent créent des « groupes » de vagues
Les houles qui atteignent la côte sont des vagues créées par le vent, parfois à des centaines de kilomètres de là. Comme le vent a soufflé à des endroits et des moments différents, plusieurs houles de périodes (le temps entre deux crêtes successives) légèrement différentes arrivent en même temps.
Regardez la figure 1. En haut : une houle de période 10 secondes et une houle de période 11 secondes. Au départ, leurs crêtes coïncident, mais chaque vague se décale d'une seconde par rapport à l'autre. Au bout d'une cinquantaine de secondes, la crête de l'une tombe sur le creux de l'autre.
En bas, on voit la somme des deux. Quand les crêtes s'alignent, la vague grossit ; quand crête et creux se superposent, la mer est presque plate. Ce cycle se répète environ toutes les 110 secondes. Les surfeurs appellent ce groupe de grosses vagues un « set », et l'accalmie entre deux « sets », un « lull ».
En mer réelle, il n'y a pas que deux houles mais un grand nombre superposées. L'intervalle entre les séries n'est donc pas réglé comme une horloge : il varie de quelques minutes à une dizaine de minutes. Mais le schéma général — une accalmie suivie d'un groupe de grosses vagues — se retrouve sur presque toutes les mers.
C'est là que réside le piège. Quiconque arrive sur les lieux pendant une accalmie conclut : « la mer est calme aujourd'hui ». Si le vétéran observe plus de dix minutes, et non quelques minutes seulement, c'est pour avoir vu au moins une série avant de choisir sa position.
Raison 2 : plus on observe longtemps, plus on rencontre une vague énorme
Même à l'intérieur d'une série, les vagues n'ont pas toutes la même hauteur. Cette hauteur varie comme un jet de dé : la plupart sont proches de la moyenne, mais de temps en temps une vague exceptionnellement haute se glisse parmi les autres.
Le « 2 m » annoncé par la météo marine n'est en fait pas la moyenne de toutes les vagues. C'est la moyenne du tiers des vagues les plus hautes, appelée « hauteur significative ». On considère qu'elle est proche de ce qu'un œil humain perçoit comme « la » hauteur des vagues.
Regardez la figure 2. En prenant la hauteur significative comme référence (1), des barres horizontales indiquent l'ordre de grandeur de la plus grosse vague qu'on risque de croiser selon la durée d'observation : environ 1,4 fois en 10 minutes, environ 1,9 fois en 3 heures. La météo marine japonaise elle-même indique que la vague maximale peut approcher le double de la hauteur significative.
Autrement dit, même la « plus grosse vague » aperçue en 10 minutes ne garantit rien. Le vétéran se place donc en retrait de la ligne d'eau mouillée, avec une marge supplémentaire. Rester plusieurs heures au même endroit, c'est risquer de voir une hauteur jamais vue auparavant — rien d'étonnant à cela.
Il existe une croyance populaire selon laquelle « la grosse vague revient tous les 7 coups ». Comme les vagues arrivent bien en séries, l'intuition « une grosse vague de temps en temps » est fondée. Mais il n'existe aucune règle fixant systématiquement la 7ᵉ vague. Le rang varie selon la combinaison des périodes des houles superposées ce jour-là.
En observant bien une série au large, on peut voir chaque vague naître à l'arrière du groupe, avancer, puis disparaître en tête. C'est parce qu'en eau profonde, le groupe de vagues n'avance qu'à la moitié de la vitesse de chaque vague individuelle.
Alors, que faire concrètement ?
- Ne pas aller directement au bout de la jetée en arrivantObservez la mer au moins 10 minutes, le temps de voir passer une série, avant de choisir votre place.
- Restez en retrait, au-delà des rochers mouillésLa trace mouillée indique jusqu'où une vague récente est arrivée. Après plusieurs heures, une vague plus haute peut survenir.
- Si quelqu'un est emporté, ne plongez pas pour le sauverLancez-lui un objet flottant et appelez le 118 (garde-côtes japonais) ou le 119.
Même par temps calme et ensoleillé, une houle venue d'un typhon ou d'une dépression lointaine peut arriver jusqu'à vous. Ces jours-là, les accalmies sont longues et la mer paraît souvent calme. Quand une prévision ou un avis de fortes vagues est en vigueur, n'approchez pas des rochers ou du bout des jetées. Si vous voyez quelqu'un emporté par une vague, ne plongez surtout pas pour le secourir vous-même. Lancez-lui un objet flottant (une glacière, par exemple) et appelez immédiatement le 118 ou le 119. Portez toujours un gilet de sauvetage lors de vos sorties de pêche.
En résumé
Les vagues de l'océan résultent de la superposition de houles de périodes légèrement différentes. C'est pourquoi des séries de grosses vagues alternent avec des accalmies. De plus, comme la hauteur des vagues varie, plus on reste longtemps, plus on risque de croiser une vague énorme. Si le vétéran observe la mer, c'est qu'il connaît ces deux faits par l'expérience.
Une mer qui paraît calme n'attend peut-être que la prochaine série.
Observez 10 minutes, puis installez-vous encore plus en retrait que la plus grosse vague aperçue.
D'où viennent les houles ? La réponse dans « Pourquoi de hautes vagues arrivent-elles soudainement sans vent ? ». Le courant qui entraîne vers le large depuis la plage est expliqué dans l'article « Courant d'arrachement ». Sur la propagation des ondes à la surface de l'eau, voyez aussi « Pourquoi un caillou jeté dans un étang forme-t-il des anneaux ronds ? ».
- Asseyez-vous sur la plage, en hauteur, là où les vagues n'arrivent jamais. Faites cela sur une plage de sable, en retrait, et non sur des rochers ou une jetée.
- Notez chaque vague qui atteint le bord de l'eau comme « grande », « moyenne » ou « petite ». Notez aussi l'heure avec une montre.
- Continuez pendant environ 20 minutes, puis comparez les moments où les vagues « grandes » sont arrivées groupées. Quel était l'intervalle entre les séries ? Combien de grosses vagues comptait chaque série ?
L'intervalle et le nombre de vagues par série devraient varier selon les jours. Quand un typhon se trouve au loin, des houles de longue période arrivent et les séries peuvent être plus nettes. Ne faites pas cette activité les jours où une prévision de fortes vagues est en vigueur.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeNotions vues en sciences au collège
- LycéeNotions vues en physique au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matière universitaire spécialisée (génie côtier, physique océanique, probabilités-statistiques)
- RecherchePas encore une notion « établie » même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Période : le temps entre le passage d'une crête et celui de la suivante. Pour la houle océanique, elle avoisine souvent 10 secondes.
- Groupe de vagues (série) : plusieurs grosses vagues rassemblées. En terme technique, on parle de « groupe de vagues ».
- Hauteur significative : la moyenne du tiers des vagues les plus hautes. C'est la « hauteur des vagues » annoncée par la météo.
CollègeLycéeVérification par le calcul : intervalle des séries et vague maximale rencontrée
Calculons l'intervalle entre les séries lorsque des houles de période 10 s et 11 s se superposent. Calculons ensuite, par rapport à la hauteur significative, l'ordre de grandeur de la vague maximale rencontrée en 10 minutes et en 3 heures.
| En notation symbolique | T_groupe = T1 × T2 ÷ (T2 − T1) ／ H_max ≈ H_signif × √(ln N ÷ 2) |
| En mots | Intervalle des séries = produit des deux périodes ÷ différence des périodes. Vague maximale ≈ hauteur significative × racine carrée (logarithme népérien du nombre de vagues ÷ 2) |
| D'où vient cette formule | La première est la formule des « battements » : la différence du nombre de crêtes par seconde engendre autant de moments où les crêtes s'alignent. La seconde donne, quand la hauteur des vagues suit une distribution de Rayleigh, la hauteur la plus probable pour le maximum parmi N vagues. |
| Symbole | Signification et unité |
| T1, T2 | Périodes des deux houles (secondes) |
| T_groupe | Intervalle de répétition des séries (secondes) |
| H_signif | Hauteur significative (m). Hauteur annoncée par la météo |
| N | Nombre de vagues reçues pendant la durée d'observation |
| Période de la houle 1 | 10 s |
| Période de la houle 2 | 11 s |
| Période moyenne des vagues (pour compter le nombre de vagues) | 10 s |
| Logarithme népérien de 60 | ≈ 4,09 |
| Logarithme népérien de 1080 | ≈ 6,98 |
| Produit des deux périodes | 10 × 11 = 110 |
| Différence des périodes | 11 − 10 = 1 |
| Intervalle des séries (secondes) | 110 ÷ 1 = 110 |
| Nombre de vagues par cycle | 110 ÷ 10,5 ≈ 10,5 |
| Nombre de vagues en 10 minutes (600 s) | 600 ÷ 10 = 60 |
| 10 min : logarithme népérien divisé par 2 | 4,09 ÷ 2 ≈ 2,05 |
| 10 min : sa racine carrée (facteur de la vague maximale) | ≈ 1,43 |
| Nombre de vagues en 3 heures (10800 s) | 10800 ÷ 10 = 1080 |
| 3 h : logarithme népérien divisé par 2 | 6,98 ÷ 2 = 3,49 |
| 3 h : sa racine carrée (facteur de la vague maximale) | ≈ 1,87 |
| Rapport entre le maximum sur 3 h et celui sur 10 min | 1,87 ÷ 1,43 ≈ 1,31 |
Une simple seconde d'écart entre deux périodes suffit à faire arriver une série environ toutes les 110 secondes, soit presque toutes les 2 minutes. Pour une hauteur significative d'1 m, la plus grosse vague en 10 minutes avoisine 1,4 m, et 1,9 m en 3 heures. Il faut donc s'attendre à une vague environ 30 % plus haute que le maximum observé en 10 minutes.
LycéeLycée+Battements et superposition d'ondes
LycéeEn physique de lycée, on apprend que faire résonner ensemble deux sons de fréquences légèrement différentes produit des « battements » : le son alterne entre fort et faible. Le nombre de battements par seconde est égal à la différence des deux fréquences. La série en mer résulte du même principe de superposition, mais à l'échelle d'une période de 10 secondes.
Lycée+En mer réelle, une multitude de composantes de périodes différentes se superposent avec des phases aléatoires. L'« enveloppe » de la hauteur des vagues monte et descend alors lentement, formant des groupes. Plus l'éventail des périodes des composantes est étroit (autrement dit, plus la houle est uniforme), plus les séries sont marquées et plus elles comptent de vagues.
UniversitéDistribution de Rayleigh, statistique des groupes de vagues, vitesse de groupe
Pour une mer dont l'éventail de périodes est étroit, on sait que la hauteur des vagues suit une distribution de Rayleigh. C'est ce qu'a montré l'étude de Longuet-Higgins en 1952. Cette distribution permet de déduire la hauteur significative ainsi que l'espérance de la hauteur maximale parmi N vagues.
Le domaine qui traite de la longueur et du nombre de vagues d'une série est appelé statistique des groupes de vagues, et il est intégré à la conception des ports. Par ailleurs, pour les ondes de surface en eau profonde, la vitesse de groupe vaut la moitié de la vitesse de phase. C'est pourquoi chaque vague naît à l'arrière du groupe et disparaît à l'avant.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Vitesse de groupe (Wikipédia, en japonais) ／ Agence météorologique japonaise, « Connaissances sur la houle »
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Le mécanisme des « vagues scélérates ». De façon rare, des vagues bien plus hautes que ce que prévoit la distribution de Rayleigh apparaissent. Un effet non linéaire de concentration d'énergie entre vagues est privilégié comme explication, mais on ne sait pas prédire où ni quand cela se produira.
- La prévision des fortes vagues à la côte. Les prévisions de vagues au large gagnent en précision, mais la hauteur atteinte sur les rochers ou une jetée dépend fortement de leur forme. Une méthode fiable pour évaluer le danger propre à chaque site reste en cours d'étude.
- La prédiction des séries. Des essais visent à observer les vagues au large pour annoncer, quelques minutes à l'avance, l'arrivée d'une série à la côte. Leur utilité pratique reste encore à confirmer.
Le contenu de cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Les calculs ci-dessus donnent un ordre de grandeur valable quand la hauteur des vagues suit une distribution typique ; en mer réelle, des vagues dépassant ces valeurs peuvent survenir.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, domaine « son », période des ondes | Période, série et accalmie |
| Lycée | Physique, « superposition d'ondes / battements » | Figure 1, formule de l'intervalle des séries |
| Lycée+ | Approfondissement physique, mathématiques « probabilités » | Superposition d'un grand nombre de composantes |
| Université | Génie côtier, physique océanique, probabilités-statistiques | Distribution de Rayleigh, statistique des groupes de vagues, vitesse de groupe |
| Recherche | Théorie des ondes non linéaires, prévention côtière | Vagues scélérates, prévision des fortes vagues à la côte |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Choix de la position pour la pêche, les jeux sur les rochers, le surf |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Connaissances sur la houle » (explication de la hauteur, de la période et de la hauteur significative)
- Wikipédia (japonais), « Vitesse de groupe »
- Longuet-Higgins, M. S. (1952). On the statistical distribution of the heights of sea waves. Journal of Marine Research, 11, 245–266.
- Yoshimi Goda (合田良実),港湾構造物の耐波設計 ― 波浪工学への序説 (Conception des ouvrages portuaires face à la houle ― introduction au génie de la houle), Kajima Shuppankai (鹿島出版会) (référence standard sur la statistique des groupes de vagues et de la hauteur maximale)
- Garde-côtes japonais (海上保安庁), « Water Safety Guide » (guide de sécurité pour la pêche et les activités sur les rochers)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène. La hauteur réelle des vagues varie beaucoup selon le lieu et le jour. Avant de vous rendre en mer, suivez les prévisions et avis de fortes vagues de l'Agence météorologique, ainsi que les consignes des garde-côtes et des autorités locales.