Comment interagissent les vagues à la surface des océans ?
Publié par Isabelle le 18/09/2014 à 12:00
Source: CNRS/INSIS
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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) d'une mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) agitée. Leurs simulations utilisent les équations fondamentales de l'hydrodynamique et permettent de vérifier la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire :...) 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 peut être employé comme :) des océans.


Instantané de l'interface d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) ? (x, y) au TFP de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) = 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) totale de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) Et en fonction de la PTF de temps. Un état stationnaire est atteint pour tf> 5, et la valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient...) est indiquée par la ligne pointillée. (D) PDF de la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) des vagues ? / ??. La ligne pointillée est la gaussienne normalisée. Illustration: CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...)

La théorie de la turbulence d'ondes décrit, depuis la fin des années 1960, le comportement d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d'ondes aléatoires en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.). Elle s'illustre dans de nombreux exemples, allant des ondes de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les...) dans le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle généralement de vent...) aux ondes de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) dans les solides, ou encore aux vagues à la surface des océans. Lorsqu'une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude crête-à-crête allant de quelques centimètres à 34 m (112...) 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 éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet,...) 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 international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...). 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...) et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) Jean le Rond ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En argot, un rond c'est un sou. Une affaire rondement menée est une affaire...) 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 ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une...) en accès libre, appelé Gerris. Les chercheurs ont réalisé des simulations en prenant en compte à la fois la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (eau) et la phase gazeuse (air) de l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), 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 partielles non-linéaires qui décrivent le mouvement des fluides dans l'approximation des milieux...). Et de gagner leur pari (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...): 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 amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations...), 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 (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en...) et atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) qui participent à la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il...).

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