Comment interagissent les vagues à la surface des océans ?

Publié par Isabelle le 18/09/2014 à 12:00
Source: CNRS/INSIS
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Des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes (CNRS/Université Paris Diderot), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Jean le Rond d'Alembert (CNRS/UMPC),ont étudié numériquement le comportement d'un mélange de vagues se propageant à la surface d'une mer agitée. Leurs simulations utilisent les équations fondamentales de l'hydrodynamique et permettent de vérifier la théorie de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse...) d'ondes capillaires. Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters, ouvrent de larges perspectives pour mieux comprendre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) des océans.


Instantané de l'interface d'onde ? (x, y) au TFP de temps = 0,3 (a) et tf = 9.1 (b). (C) l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) totale de l'onde Et en fonction de la PTF de temps. Un état stationnaire est atteint pour tf> 5, et la valeur moyenne est indiquée par la ligne pointillée. (D) PDF de la hauteur des vagues ? / ??. La ligne pointillée est la gaussienne normalisée. Illustration: CNRS

La théorie de la turbulence d'ondes décrit, depuis la fin des années 1960, le comportement d'un ensemble d'ondes aléatoires en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...). Elle s'illustre dans de nombreux exemples, allant des ondes de plasma dans le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont...) aux ondes de spin dans les solides, ou encore aux vagues à la surface des océans. Lorsqu'une vague possède une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) suffisamment grande, elle peut en effet interagir avec ses voisines pour donner naissance à des vagues dont la distance entre crêtes successives, appelée longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde, est plus petite . Ce phénomène permettant de transférer de l'énergie d'une vague à une autre constitue une cascade des grandes vers les petites échelles spatiales: c'est ce que l'on appelle la turbulence de vagues. Dans les océans, les vagues dites capillaires sont des ondes courtes dont la longueur d'onde est inférieure au centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) par opposition aux ondes de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) qui varient du centimètre à la centaine de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...). Bien que cette théorie de la turbulence d'ondes s'applique à de nombreux domaines, les confirmations expérimentales n'en sont toujours actuellement qu'à leurs balbutiements.

Les physiciens français du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Jean le Rond d'Alembert (CNRS/UMPC), se sont intéressés aux vagues purement capillaires. Leur objectif: modéliser numériquement la turbulence d'ondes capillaires à l'aide d'un code numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) en accès libre, appelé Gerris. Les chercheurs ont réalisé des simulations en prenant en compte à la fois la phase liquide (eau) et la phase gazeuse (air) de l'océan, et en analysant l'évolution de la dynamique des vagues dans l'espace et dans le temps. La prise en compte de tous ces paramètres nécessite des capacités de calcul très importantes, qui étaient inenvisageables il y a quelques années. Ces simulations leur ont permis de résoudre numériquement les équations primitives de l'hydrodynamique, dites équations de Navier-Stokes (En mécanique des fluides, les équations de Navier-Stokes sont des équations aux dérivées...). Et de gagner leur pari: ils sont parvenus à observer et à caractériser le régime de turbulence de vagues capillaires. Les chercheurs montrent également que les vagues interagissent entre elles sur une durée correspondant à de nombreuses périodes d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...), et en s'atténuant très faiblement. Ces conditions d'interaction entre vagues est l'une des hypothèses importantes de la théorie.

Ces simulations numériques directes valident ainsi pour la première fois la théorie de la turbulence d'ondes appliquée aux vagues capillaires. Ces résultats généralisés au cas océanique pourraient permettre d'améliorer notre compréhension du rôle des vagues capillaires lors de l'amortissement des vagues par déferlement, ou encore durant les échanges gazeux entre océan et atmosphère qui participent à la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) du climat.

Pour plus d'information voir:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.234501
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