TPE SUR LA HOULE

4) Le déferlement :

 

Le déferlement est un processus qui entraîne la dissipation de l’énergie de la vague et qui correspond à la dernière étape de sa vie, c’est à près des côtes qu’il a le plus souvent lieu. Durant cette phase, la vague subira d'importantes transformations dans son comportement et dans sa structure, notamment à cause du facteur essentiel du déferlement, la cambrure.

 

a) La cambrure :

 

Après son long périple marin, lorsqu'une vague s’approche de nos côtes et que la profondeur de la mer devient inférieure à la moitié de la longueur d'onde : elle subit l’influence des hauts fonds. Freinée du fait de ses frottements sur le fond, sa hauteur s’en voit  accrue et sa longueur d’onde diminue tandis que la période demeure constante, et ce, jusqu'à atteindre une cambrure limite pour provoquer un basculement de l'eau vers l'avant, c'est le déferlement.

 

La cambrure qui correspond au rapport de la hauteur de la vague sur sa longueur d’onde : C = H / λ , est ce qui conditionne la déferlement.      

 

C’est pourquoi nous allons étudier l’influence de la remontée des fonds marins.

Les vagues générées dans les eaux profondes se déplacent vers la côte et arrivent dans une zone d’eau peu profonde. La vitesse de propagation de la houle va diminuer progressivement, les vagues vont « subir » la remontée des fonds.

 

Tout d’abord, lorsqu’une vague approche de la plage, la diminution de la profondeur de l’eau conduit à la réduction de sa longueur d’onde.

 

Cette diminution du niveau du sol entraîne une hausse de son amplitude (A = 2H) qui augmente en même temps que sa hauteur de crête (H).L’augmentation d’amplitude continue jusqu’à une hauteur critique  à partir de laquelle le déferlement débute.

 

Ces deux phénomènes (augmentation de l’amplitude et diminution de la longueur d’onde) se font simultanément et contribuent, ensemble, à une augmentation irrémédiable de la cambrure :

En effet on a :   C = H / L avec H qui augmente et L qui diminue donc C augmente.

 

La cambrure augmente au fur et à mesure que la houle se rapproche du rivage jusqu’à ce qu’elle atteigne une valeur limite qui précède le déferlement.

 

On a alors : C  lim =  H max / L min =  0,142 (14% ou encore 1/7)   (Théorie de Michell)

 

Cette cambrure limite atteinte et la profondeur devenant inférieure à la moitié de la longueur d’onde (D < L/2), les vagues vont alors déferler  dans une zone précise : " la zone de surf " (qui se situe dans la zone « breaking » ci-dessous) :     

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Cette zone se divise en trois parties (voir schéma ci-dessous):

- la zone de transition, horizontale entre les vagues déferlantes et non déferlantes

- l' Inner zone, le niveau de l’eau monte et la vague déferle

- le Swash zone, se situant au niveau moyen de la surface, combiné avec le mouvement de va et viens des vagues.

 

 

 

 

Sur cette  photo on se rend bien compte de ce phénomène…

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b) Les différents types de déferlement :

 

Lorsque la houle se rapprochent des côtes ou franchit un obstacle (jetée, haut-fond…) elle change de direction :

 

-Il y a réflexion lorsqu’elles rencontrent un obstacle et sont renvoyées sur elles-mêmes. Il se produit alors un phénomène de ressac (ou «backwash »)

 

-Il y a diffraction lorsque la houle contourne un obstacle, par exemple, lorsque les trains de houle rencontrent une île, ils la contournent et se reconstituent ensuite de manière désordonnée.

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-Il y a réfraction lorsqu’elles subissent l’influence du fond.

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Mis à part ces changements de direction, trois autres types de déferlement sont dus à la diminution de la profondeur, et selon la configuration locale du fond, les vagues se brisent de trois manières différentes :

Le déferlement glissant : il est caractérisé par de l'écume et de la turbulence au sommet de la vague. Ce phénomène prend naissance avant la côte à cause d'une plus grande vitesse de la crête par rapport à la vague elle-même. Un tel déferlement est caractéristique d'un rivage peu pentu. Les frottements ne sont pas assez importants pour créer une véritable différence de vitesse entre le fond et la surface, la crête ne se détache donc pas du creux de la vague créant ainsi le profil symétrique de cette vague.

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 Le déferlement plongeant : le plus spectaculaire et très apprécié par les surfeurs qui tentent de passer dans le tube de forme ovale, formé par le jet d'eau qui se retourne, plongeant vers l’avant. La vague s'élève et la crête tombe avant que la vague ne déferle. Le déferlement plongeant est caractéristique des plages à pente plus forte. La vague est fortement asymétrique : le front de vague devient vertical alors qu'à l'arrière de la crête le profil de l'eau a une pente relativement douce.

 

Le déferlement gonflant : il a lieu dans le cas d'une plage à pente très forte. Puisque la remontée des fonds a été trop soudaine, la crête n'a pas le temps de se détacher quand la vague frappe le rivage. Son profil est asymétrique et le déferlement assez brutal.

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Voici deux schémas pour mieux comprendre :

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Sur le schéma ci-dessus, on a dans l'odre de haut en bas : déferlement glissant, déferlement plongeant et déferlement gonflant.

       

          

Le vent (même s’il s’agit de SVT) peut aussi être un facteur déterminant sur le déferlement de la vague :

 

Si celui-ci souffle face à la vague on parle alors de vent « off-shore ». Ce type de brise ordonne la houle, lisse le plan d’eau et retarde le déferlement de la vague, la rendant ainsi plus creuse :

 

 

Venant de la mer le vent est on-shore, il souffle derrière la vague. Ainsi, suivant sa force, il provoque le déferlement plus ou moins précoce de la vague. Il est à l’origine d’un plan désordonné de la houle :

 

Ainsi, au-delà d’un vent de 5 m/s, l’amplitude croît plus vite que la longueur d’onde et la cambrure de la vague va donc augmenter (C = H / L).

Le vent participe donc aussi à l’augmentation de la cambrure de la vague, mais de manière plus modéré que la remontée des fonds (c’est pourquoi nous ne le développerons pas plus, car  ceci relève du domaine de la SVT).

 

Voici un déferlement plongeant, avec vent off-shore :

 

Par ailleurs, la puissance du déferlement est d’autant plus importante que la remontée du plateau continental est rapide. En effet, avant d’atteindre les côtes, la houle rencontre au large le plateau continental qui freine sa progression, diminuant ainsi la rapidité et la puissance des vagues. Plus les fonds remontent rapidement plus la vague se cambre.

On comprend donc mieux pourquoi il existe une telle différence de puissance entre une vague déferlant sur l’île d’Hawaii, où les fonds marins plongent de façon abrupte à quelques centaines de metres du rivage ; l'augmentation de la cambrure est trop brute entraînant ainsi de grandes lignes de vagues : c'est le phénomène de la barre.

Une vague atteignant quand à elle la côte bretonne, freinée dans sa progression par un plateau continental de plusieurs dizaines de kilomètres remontant en pente douce sera beaucoup moins puissante.

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Les vagues seront donc plus au moins puissantes selon la remontée du fond (plateaux continentaux), soudaine ou progressive (exemple ci-dessous) :

Bien entendu, tout ceci est théorique et dans la réalité tous ces phénomènes ont tendance à s’additionner et à s’enchaîner. Il en résulte généralement un grand nombre de déferlements simultanés, (comme ci-dessous) : 

c) Le mouvement des particules d'eau :

         On a donc vu qu’à l’approche du rivage, la profondeur diminue, les particules d’eau vont dès lors voir leur trajectoire se modifier.

 

Ainsi, les particules d'eau vont passer d'un mouvement circulaire en eau profonde à un mouvement elliptique à l’approche de rivage, et donc en eau peu profonde. Les cercles s’aplatissent pour former des ellipses de plus en plus écrasées au fur et à mesure que le fond diminue, pour tendre finalement vers un mouvement horizontal.

 

Les particules d’eau situées sur la crête vont alors ne plus avoir assez de place pour décrire des orbites, la vague se brise et les particules d’eau sont projetées en avant dans une ligne d’écume.

 

C’est le phénomène que l’on observe sur le schéma de droite et que l’on peut comparer avec celui de gauche, qui représente lui le mouvement des particules en eau profonde !

 

 

 

De plus, à l'approche du rivage, les particules d'eau à la base de la houle sont freinées par les forces de frottement exercées par le fond et vont donc moins vite que celles situées en surface. C'est le fait que les particules en profondeur soient ralenties qui va induire une différence de vitesse avec celles situées en surface qui n’accélèrent donc pas.

 

Tandis que la période ne change pas, la vitesse diminue alors que la hauteur augmente. Le rivage se rapprochant, la profondeur de la mer devient inférieur à la moitié de la longueur d'onde (D < L/2) et un déséquilibre se produit entre les 2 vitesses (fond et surface) : la houle se courbe et la vague déferle.

 

Ce tableau nous montre bien que lorsque la profondeur diminue alors la vitesse aussi…