Comprendre la nature d'une vague : une dynamique énergétique
Pour commencer, une vague, ce n’est pas de l’eau qui se déplace. C’est de l’énergie qui se propage à travers l’océan. L’eau monte et descend, mais c’est l’énergie qui avance vers la côte, pour ensuite être surfée. Les ondes océaniques représentent un transfert d’énergie. Il est essentiel de savoir ce qu’elles sont car, sans vagues, il n’y a pas de surf. Il faut les considérer comme des ondulations qui se déplacent à la surface de l’eau, générées par des variations de température et de pression de l’atmosphère.
Une vague est une déformation de la surface d’une masse d’eau le plus souvent provoquée par un autre fluide : le vent. À l’interface, le vent crée des vagues sur les océans, mers et lacs. Le vent qui se produit à travers ces variations et ces mouvements lui permet de se déplacer des endroits où il y a plus de pression vers les endroits où il y en a moins. Le fait que le vent frotte sur la surface de l’eau de mer forme de petites vagues. Lorsque le frottement augmente, la taille des vagues augmente en conséquence.
La genèse de la houle : le rôle du vent et du fetch
Tout commence au large, là où le vent souffle sur la surface de l’eau. Si le vent est fort, constant et étendu sur une grande distance (le fetch), alors les petites rides qu’il crée vont devenir progressivement des vagues, passant de clapot à une houle organisée. La formation de la houle passe par trois étapes : la déformation locale de la surface par le vent, l’accumulation de ces déformations sur une distance balayée par le vent, nommée fetch, générant une mer formée, et la propagation des ondes en dehors de la zone ventée que l’on nomme houle ou swell.
Une bonne image que nous donne François LIETZ, surfeur expérimenté : « l’image du caillou qui tombe dans l’eau, il crée une onde autour de lui. Il faut imaginer que le caillou, c’est le vent. Plus il souffle fort et longtemps, plus l’eau bougera de plus en plus. » C’est pareil avec l’océan ! La houle est un train d’énergie composé de vagues régulières qui peuvent voyager sur des milliers de kilomètres à partir du point où le vent a soufflé. Plus la période de houle est longue, plus la houle transporte d’énergie.
Mathématiques et physique des ondes progressives
Une onde est une perturbation qui se déplace à partir de son point d'origine avec une certaine vitesse. Les vagues sont des phénomènes qui se déplacent de manière périodique dans le temps (on parle de période) et dans l’espace (on parle de longueur d’onde). La houle forme une onde sinusoïdale dont la longueur est environ 1.6 fois le carré de la période T en seconde : L = 1.6 x T². Les vagues de longue période, donc de grande longueur d’onde, contiennent plus d’énergie, cette énergie varie comme le carré de la période.
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L’astronome et mathématicien George Biddell Airy a fourni la théorie la plus simple pour des vagues régulières. Ce qui est intéressant dans la théorie d’Airy, c’est que les particules de fluide décrivent des ellipses presque fermées, dont la taille décroît avec la profondeur. En eau profonde, c’est-à-dire pour des profondeurs supérieures à la moitié de la longueur d’onde, ces ellipses sont des cercles. Le fait que les ellipses ne soient pas tout à fait fermées est une manifestation de la « dérive de Stokes ». Près de la surface libre, la vitesse d’une particule d’eau est plus importante sous une crête que la vitesse opposée lors du passage du creux suivant.
Le comportement de la houle à l'approche de la côte
En eau profonde, la houle voyage vite et conserve son énergie. Mais quand la profondeur diminue, la houle heurte le fond : elle ralentit, se soulève, et devient plus haute. Le comportement de la houle est modifié lorsque le fond se rapproche de la surface à une profondeur inférieure à la moitié de la longueur d’onde. La vitesse de crête ralentit et perd sa relation avec la période à l’approche du fond. La vitesse de crête devient proportionnelle à la racine carrée de la profondeur (C = racine (9.81 x d)).
Une conséquence de la vitesse de crête ralentissant suivant la diminution de la profondeur est que l’énergie de vitesse de la houle ne disparaît pas, elle se transforme en hauteur de vague. La vague expulse l’excédent d’énergie de vitesse en augmentant la hauteur de sa crête. La vague se raidit et sa pente augmente jusqu’au déferlement. Le déferlement intervient quand la profondeur entre le niveau d’eau calme et le fond atteint de 0.8 à 1.3 fois la hauteur de vague.
Le rôle déterminant du fond marin
La forme des vagues dépend de plusieurs paramètres mais principalement de la forme et composition du fond :
- Beach break : vagues déferlant irrégulièrement, pas toujours au même endroit, sur un fond de sable.
- Reef break : vague déroulant de façon régulière sur un fond de corail ou de rochers.
- Point break : vague déferlant régulièrement, toujours au même endroit, en s’enroulant autour d’une pointe rocheuse ou de terre.
La forme d’un déferlement au voisinage du rivage dépend essentiellement de la pente des fonds. Le déferlement progressif ou glissant se produit généralement sur les plages à très faible pente. Le déferlement plongeant est particulièrement spectaculaire avec ses rouleaux appréciés par les surfeurs. La vague s’enroule autour d’une poche d’air puis s’écroule en créant une éclaboussure notable. Le déferlement frontal ou gonflant se forme comme le déferlement plongeant mais la vague gravit la plage avant que la crête puisse s’enrouler.
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La dynamique du surfeur sur la vague
La vitesse du flux perçue par notre planche est la principale source du planing, car la force de planing évolue avec le carré de cette vitesse. Le surfeur connaît bien cette aspiration dans la vague qui arrive. Au bas de ces vagues, un effet aspirant résultant des trajectoires elliptiques des particules génère une vitesse opposée et égale à la vitesse de la crête. Si on est projeté par la lèvre, on perçoit une vitesse relative au bas de vague, pouvant atteindre le double de la vitesse de crête.
L’énergie dissipée à la surface de la vague qui s’effondre est bénéfique au surfeur qui peut l’utiliser comme source d’énergie cinétique : la vague lui apporte la dynamique nécessaire pour se déplacer, et réaliser les figures qu’il souhaite sur sa planche en mouvement. Les vagues creuses, avec un déferlement plongeant, sont les préférées des « shortboarders », qui utilisent des planches courtes. Ces vagues sont les plus puissantes, mais pas forcément les plus grandes. Le principe du shortboard est de permettre une pratique du surf plus « dynamique » avec des changements multiples de direction sur la vague.
Cas exceptionnels : vagues géantes et ondes extrêmes
Dans certains endroits comme Nazaré ou Jaws, la houle est plus massive car elle naît de tempêtes puissantes, a voyagé sur de très longues distances, mais surtout car elle rencontre des profonds canyons sous-marins. La houle n’est alors pas freinée par le plateau continental. Elle continue son voyage directement jusqu’à nos côtes en gardant toute son énergie. Ce changement brutal de profondeur proche des côtes concentre l’énergie et fait naître des vagues géantes.
D’autres phénomènes, beaucoup moins fréquents, sont aussi source de vagues : certains séismes, éruptions volcaniques ou chutes de météorites créant des vagues appelées tsunamis ou raz-de-marée. La marée est également à l’origine de vagues très particulières, appelées mascarets, de brusques surélévations de l’eau d’un fleuve ou d’un estuaire. Les dimensions et les forces en jeu lors de ces événements sont énormes, ce qui explique qu’elles puissent être terrifiantes, même pour les surfeurs les plus expérimentés.
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