Vagues, marées et tsunamis
Une digue et une vague sur le bord de l’océan (klyaksun, iStockphoto)
Une digue et une vague sur le bord de l’océan (klyaksun, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Ce document te renseignera sur les vagues océaniques et la façon dont elles forment des tsunamis et des raz-de-marée.
Tu as probablement déjà vu des vagues sur un lac ou sur la mer. Mais as-tu déjà réfléchi à ce que sont les vagues? Les vagues sont une sorte d’ondes, et les ondes sont un type spécial de transfert d’énergie.
- Les ondes électromagnétiques transfèrent de l’énergie en produisant des vibrations dans les champs électriques et magnétiques.
- Les ondes sonores transfèrent de l’énergie en faisant vibrer des particules d’air, d’eau et d’autres solides.
- Les vagues transfèrent de l’énergie en faisant vibrer les molécules d’eau.
Dans ce document d’information, nous allons examiner de plus près les ondes produites dans l’eau, c’est-à-dire les vagues. Dans l’eau, les vagues peuvent prendre plusieurs formes. Les vagues internes se produisent profondément sous l’eau. Ces vagues ne sont habituellement pas apparentes à la surface de l’eau. Les vagues de surface se produisent à la surface de l’eau. Ce sont probablement les vagues que tu connais. Certaines vagues de surface peuvent être plutôt des raz-de-marée, qui sont causés par des marées. Il y a aussi des vagues de surface géantes appelées tsunamis. Dans ce document d’information, nous nous concentrerons sur les vagues de surface.
Vagues produites par le vent
Les vagues peuvent être mesurées et décrites en fonction des trois caractéristiques suivantes :
- la longueur d’onde, qui correspond à la distance entre deux crêtes d’une vague;
- l’amplitude, qui est la hauteur d’une vague, mesurée à partir du point de repos, nommé équilibre;
- la période, qui est le temps écoulé entre les crêtes.
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Le diagramme représente des vagues, en bleu, sur lesquelles sont inscrites leurs différentes parties.
La distance entre deux crêtes est appelée longueur d’onde. Curieusement, cette même distance est également appelée période. L’icône d’une horloge indique que la période est un intervalle de temps.
Une ligne noire indique l’endroit qui se trouve entre les parties les plus élevées et les parties les plus basses d’une vague. Cet endroit est appelé équilibre.
La partie la plus élevée d’une vague est la crête. La partie la plus basse est le creux. La distance entre la partie la plus haute (ou la plus basse) d’une vague est l’amplitude de la vague.
La plupart des vagues de surface se produisent parce que l’énergie cinétique de l’air en mouvement est transférée à l’eau. Ces vagues se retrouvent sous toutes sortes de tailles : elles peuvent être de petites ondulations, mais elles peuvent aussi être assez grandes pour faire du surf dessus. Et entre ces deux extrêmes, il y a une multitude de possibilités!
La taille des vagues produites par le vent dépend des cinq facteurs suivants :
- la vitesse du vent;
- la distance sur laquelle le vent souffle sans rencontrer de résistance; cette distance est appelée le fetch;
- la largeur de la zone affectée par le fetch;
- la période pendant laquelle le vent souffle sur cette zone;
- la profondeur de l’eau.
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Le diagramme montre une zone de l’océan où sont indiqués les facteurs ayant une incidence sur la taille des vagues produites par le vent.
En haut de l’image, un tourbillon représente la vitesse du vent. Au centre de l’image, sous le mot « Profondeur », tu peux voir des bandes bleues ondulées de plus en plus pâles.
Les bandes bleues sont bordées à gauche et à droite par des flèches orientées vers une bande couleur sable, qui représente le rivage. À gauche de la flèche de gauche, on peut lire le mot « Fetch ».
Dans l’espace compris entre ces deux flèches verticales se trouvent deux flèches horizontales et plus petites qui indiquent que les vagues sont affectées par la largeur de l’eau influencée par le fetch.
À droite de la zone du fetch, l’icône d’une horloge indique que la période pendant laquelle les vagues se déplacent a elle aussi une incidence sur la taille des vagues.
Certaines vagues peuvent être très grosses! Voyons maintenant deux types de vagues géantes et les conditions favorables à leur production.
Le savais-tu?
L’échelle de Beaufort est un moyen utilisé par les marins pour décrire les conditions de vent et de mer. Tu en apprendras plus à ce sujet dans notre article sur le vent.
Vagues scélérates
Les vagues scélérates sont de grosses vagues qui surviennent en haute mer. Certaines sont produites pendant une tempête, mais ce n’est pas toujours le cas. Il est donc difficile de les prévoir. L’existence des vagues scélérates a été difficile à prouver, même si on croyait qu’elles étaient la cause de nombreux naufrages. Ce n’est que récemment que les chercheurs scientifiques ont enfin réussi à prouver l’existence des vagues scélérates à l’aide de l’imagerie par satellite. Grâce à des images radar de l’Agence spatiale européenne, les satellites ont pu détecter 10 vagues scélérates, dont les plus petites mesuraient 25 mètres (82 pieds)!
Le savais-tu?
Les vagues scélérates portent aussi d’autres noms comme les vagues anormales, les vagues géantes, les vagues meurtrières et les vagues extrêmes.
Voyons tout d’abord ce qui se produit lorsque deux vagues se dirigent l’une vers l’autre.
Comme tu as pu le voir dans la vidéo, quand deux vagues se rencontrent, deux scénarios sont possibles : elles peuvent s’additionner et former une crête deux fois plus haute ou encore, elles peuvent s’annuler. Les scientifiques connaissaient déjà l’interférence d’ondes, mais ils ne comprenaient pas comment les vagues scélérates peuvent atteindre plus de deux fois l’amplitude des vagues dans une zone donnée. Ces vagues se produisent parfois à des endroits où la mer est calme, ce qui est encore plus étrange.
Activité à essayer!
À l’aide de ce simulateur de vagues (en anglais), tu pourras produire des vagues, puis explorer ce qui se passe avec deux vagues en utilisant le simulateur d'interférence.
Pour comprendre le phénomène des vagues scélérates, les scientifiques devaient d’abord trouver comment les reproduire en laboratoire. Lorsqu’ils ont été capables de le faire, ils sont parvenus à des résultats intéressants. Ils ont découvert qu’il faut une combinaison rare et unique de forces produites par les vents et les courants océaniques pour faire une vague scélérate. Même si elles sont rares, les scientifiques ont découvert que les vagues scélérates se produisent beaucoup plus souvent que prévu.
De la même manière, des creux scélérats peuvent se former dans l’océan. Ces creux sont le contraire des vagues scélérates. Dans un creux scélérat, le niveau de l’eau est deux fois plus profond que la hauteur moyenne normale. Tout comme les vagues scélérates, les creux scélérats sont très dangereux pour les navires.
Tsunamis
Le mot tsunami est un mot japonais qui veut dire « vague portuaire ». Ce type de vague de surface n’est pas causé par le vent. Les tsunamis sont une série de vagues massives générées lorsqu’une grande quantité d’eau est déplacée verticalement. Tous les phénomènes sismiques, comme un tremblement de terre ou une éruption volcanique sous-marine, peuvent provoquer un tsunami.
La croûte terrestre est constituée d’énormes plaques de roches dont l’épaisseur mesure un grand nombre de kilomètres. Ce sont les plaques tectoniques. Les plaques tectoniques peuvent bouger et se déplacer au fil du temps, ce qui produit des tremblements de terre. Quand les plaques se déplacent vers le haut, elles exercent une poussée vers le haut sur l’eau qui se trouve au-dessus d’elles. Au même moment, la gravité exerce une poussée sur l’eau vers le bas. Ces forces opposées créent des vagues. Les éruptions volcaniques, les glissements de terrain et les impacts de météorite peuvent eux aussi provoquer des tsunamis d’une manière semblable.
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Le diagramme représente une coupe transversale de l’océan et du rivage, en indiquant les différents éléments liés aux tsunamis.
Au bas de l’image, deux plaques tectoniques se rencontrent. Elles sont représentées par une bande ondulée orange pâle à droite et par une bande orange foncé à gauche. Ces bandes sont recouvertes d’une épaisse zone gris foncé. La plaque de gauche donne l’impression d’être plus basse que celle de droite. À l’endroit où les deux plaques se rencontrent, il y a un rond blanc entouré de cercles blancs concentriques (c’est-à-dire parallèles). Ce symbole est utilisé pour indiquer l’endroit où se produit un tremblement de terre, et l’expression « Tremblement de terre » est inscrite en dessous.
Au-dessus des plaques tectoniques, une zone colorée en bleu représente l’océan. Dans la zone de l’eau située directement au-dessus du tremblement de terre, une flèche blanche est orientée vers le haut, à côté d’un texte indiquant que la plaque tectonique en déplacement exerce une poussée sur l’eau, vers le haut. Plus haut vers la droite, une autre flèche blanche pointe vers le bas, et le mot « Gravité » est inscrit à sa gauche. Cette flèche indique la direction de la force exercée par la gravité sur l’eau de l’océan.
Le diagramme montre des vagues à la surface de l’eau. Plus les vagues sont éloignées du rivage, plus leurs longueurs d’onde sont longues alors que plus les vagues se rapprochent du rivage, plus leurs longueurs d’onde raccourcissent. Deux petites flèches noires indiquent la distance couverte par une longueur d’onde. Pour l’amplitude des vagues, c’est le contraire : l’amplitude des vagues éloignées du rivage est plus petite que l’amplitude des vagues qui se rapprochent du rivage. Le mot « Amplitude » est relié à une vague par une ligne horizontale; une petite ligne verticale indique la hauteur de l’amplitude de la vague.
Les vagues de tsunami sont différentes des vagues produites par le vent que tu peux observer en temps normal à la plage. En haute mer, les vagues de tsunami sont à peine perceptibles. Leur amplitude est faible, mais leurs périodes et leurs longueurs d’onde sont beaucoup plus longues que celles des vagues ordinaires. Par exemple, en pleine mer, les tsunamis peuvent avoir des longueurs d’onde d’une centaine de kilomètres et des périodes d’une heure. En comparaison, les vagues normales ont des longueurs d’onde d’une centaine de mètres et des périodes de quelques secondes.
Le savais-tu?
Le mot tsunami veut dire « vague portuaire » en japonais. Les Japonais les appellent ainsi parce que ces vagues ne sont visibles que lorsqu’elles se rapprochent de la terre ferme.
En haute mer, l’énergie d’un tsunami est étalée sur une grande surface et un grand volume d’eau. Lorsque les vagues passent d'une eau profonde à des eaux peu profondes (en anglais), leur amplitude augmente. On appelle battures le rivage peu profond qui borde un océan. Un haut-fond survient lorsque l’énergie des vagues arrive dans un volume d’eau plus petit. Lorsque les vagues arrivent sur le fond de l’océan près du rivage, elles ralentissent, mais elles ne perdent pas leur énergie pour autant, et cette énergie augmente leur amplitude. Au moment où les vagues d’un tsunami atteignent le rivage, leur amplitude se situe entre 10 et 20 mètres de hauteur!
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Photographie en couleur d’un panneau fixé à un poteau indiquant qu’il y a un risque de tsunami dans la zone où l’on se trouve. À l’arrière-plan, on distingue des palmiers.
Sur le panneau, une illustration montre sur fond bleu la silhouette en blanc d’une vague plus grosse que les trois vagues qui la précèdent, et, à droite, la silhouette d’une personne qui grimpe sur un terrain élevé pour échapper à la vague géante qui arrive derrière elle. Sous l’illustration, on peut lire : « En cas de tremblement de terre, allez vous réfugier sur un terrain élevé ou vers l’intérieur des terres. »
De plus, un tremblement de terre se produit généralement juste avant un tsunami. Les secousses d’un tremblement de terre se propagent plus rapidement dans la terre que dans l’eau. Grâce à cette particularité, les gens qui vivent dans des zones exposées à des tsunamis savent qu’ils doivent aller se réfugier sur un terrain élevé après avoir ressenti un tremblement de terre. Malheureusement, ils n’ont pas toujours le temps de le faire.
Heureusement, les gros tsunamis sont très rares. Au Canada, le plus gros tsunami jamais enregistré a eu lieu en 2007, lorsqu’un glissement de terrain survenu à Chilliwack, en Colombie-Britannique (en anglais), a produit une vague haute de 38 mètres. Par chance, le glissement est survenu en hiver et donc, personne n’a été blessé. Le bilan a malheureusement été différent en 1929, lorsqu’un tremblement de terre a provoqué un tsunami de 13 mètres à Grand Banks, Terre-Neuve, tuant 25 personnes et détruisant beaucoup d’édifices et de maisons.
Mégatsunamis
Les mégatsunamis sont des tsunamis dont les vagues sont beaucoup plus grosses que les tsunamis ordinaires. Les tsunamis que nous venons de voir étaient causés par des tremblements de terre ou des éruptions volcaniques sous-marines. Les mégatsunamis connus ont été provoqués par de vastes glissements de terrain ou des événements d’impact de grande envergure, comme la chute d’un météorite sur la Terre ou une collision entre la Terre et un astéroïde.
C’est ce qui est arrivé avec l’astéroïde qui a créé le cratère Chicxulub et qui a probablement provoqué l’extinction des dinosaures au Yucatán il y a 65 millions d’années. Les scientifiques estiment que la collision avec cet astéroïde a produit des mégatsunamis allant jusqu’à 3000 mètres de haut!
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Photographie en noir et blanc de la baie de Lituya.
Des montagnes enneigées occupent l’arrière-plan de la photo. Au premier plan, on voit une grande baie, une île au milieu de la baie et un petit chenal qui y mène. Les collines qui entourent la baie sont d’une teinte très foncée. Sur le bord de l’eau, le rivage est beaucoup plus pâle. Les surfaces pâles sont les endroits du rivage qui ont été endommagés par le tsunami.
Attention aux idées fausses!
On entend parfois des gens qui disent « raz-de-marée » quand il s’agit plutôt d’un tsunami. Même si ces deux phénomènes se ressemblent, ils ne sont pas identiques, et ces mots ne sont pas interchangeables. Les tsunamis ne sont pas créés par les marées et ils sont bien moins prévisibles que les vagues liées aux marées.
Marées
Si tu as déjà passé du temps sur une plage en bordure de la mer, tu as peut-être remarqué que l’eau remonte plus haut sur la plage à certains moments de la journée. Le phénomène des montées et des descentes du niveau de la mer est appelé marée. La marée haute correspond au moment où le niveau d’eau est le plus élevé. Quand le niveau d’eau est à son plus bas, c’est la marée basse. Entre les deux, l’eau est toujours en train de monter ou de descendre lentement.
Les marées sont en fait des vagues océaniques qui sont très très longues. Leur longueur d’onde peut en effet mesurer autant que la moitié de la planète. C’est pourquoi ces vagues sont aussi appelées ondes de marée.
Ce fantastique mouvement de poussée et de traction exercé sur l’eau de l’océan est causé par les forces gravitationnelles du Soleil et de la Lune. La force d’attraction du Soleil est plus grande que celle de la Lune, mais le Soleil est 400 fois plus éloigné que la Lune. C’est pour cette raison que les marées lunaires sont deux fois plus puissantes que les marées solaires.
Animation montrant les marées tout au long d’un jour lunaire (Parlons sciences s’est inspiré d’une animation de l’Administration nationale des océans et de l'atmosphère des États-Unis).
Version texte de l’animation
Animation par images de la Terre et de la Lune, ainsi que des différents niveaux des marées hautes et basses près d’un rivage rocheux.
L’animation est composée de 24 images. Une image est associée à chaque heure de la journée. D’une heure à l’autre, la Terre tourne vers la gauche. Une ligne bleue perpendiculaire à la Terre nous aide à voir le mouvement, à la manière des aiguilles d’une horloge analogique.
Une illustration de la Lune est également visible autour de la Terre. Au début (à 0 h), l’image de la Lune est directement au-dessus de celle de la Terre. Une ligne grise relie la Lune à la Terre. La Lune fait le tour de la Terre en se déplaçant lentement vers la gauche et vers le bas.
Sous la Terre, l’heure est indiquée pour chaque image de l’animation.
Au bas de l’image, l’océan est représenté en bleu. À droite de l’océan, un triangle brun représente la terre ferme. Au cours des 6 premières heures, le niveau de l’océan descend. Après 6 heures et 12,5 minutes, c’est la marée basse. Après ce moment, le niveau de l’eau commence à monter. Après 12 heures et 25 minutes, c’est la marée haute. Après 18 heures et 37,5 minutes, c’est de nouveau la marée basse, et après 24 h, c’est de nouveau la marée haute.
Marées lunaires
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L’illustration montre les endroits sur la Terre où la force de gravitation de la Lune est la plus puissante ainsi que les endroits où elle est la plus faible sous l’influence de la Lune.
Au centre de l’image, une illustration montre le dessus de l’hémisphère Nord de la Terre. À droite de la Terre, sur la même ligne que le centre de la Terre, on voit une illustration de la Lune. Une fine ligne rose traverse la Terre et la Lune.
De petites flèches noires sont dessinées tout autour de la Terre. Ces flèches indiquent la direction du champ gravitationnel. En haut et en bas du dessin de la Terre, les flèches sont orientées vers la Terre. Ces flèches indiquent que l’attraction gravitationnelle vers la Terre est la plus forte à ces endroits.
À gauche et à droite de la Terre, les flèches partent de la Terre vers l’extérieur. Entre les deux, l’orientation des flèches change progressivement. Ces flèches indiquent que l’attraction gravitationnelle vers la Terre est plus faible à ces endroits.
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L’illustration montre les endroits où se trouvent les bourrelets de marée autour de la Terre.
Cette illustration est la même que la précédente, sauf pour quelques petits changements. Un grand ovale bleu pâle entoure la Terre et recouvre toutes les flèches noires du champ gravitationnel. Cet ovale indique les endroits où l’eau des océans est compressée et repoussée. Sur le côté de la Terre près de la Lune, le bourrelet est appelé « marée sublunaire ». Sur le côté de la Terre opposé à la Lune, le bourrelet est appelé « marée antipodale ».
Le niveau des marées change progressivement au fur et à mesure que la Lune orbite autour de la Terre. Quand les marées solaire et lunaire sont orientées dans la même direction, elles sont appelées marées de vives-eaux. Lorsque les marées solaire et lunaire sont perpendiculaires l’une par rapport à l’autre, elles sont appelées marées de mortes-eaux.
Image - Version texte
Les quatre images montrent comment l’emplacement des marées change au cours du cycle lunaire.
De gauche à droite, chaque image comprend une illustration de la Terre, de la Lune et du Soleil. Une ligne pointillée indique la trajectoire de la Lune autour de la Terre.
En haut à gauche, la première image montre l’orientation de la Terre, de la Lune et du Soleil pour une marée des vives-eaux associée à une nouvelle Lune. La Lune se trouve entre la Terre et le Soleil. L’ovale bleu indiquant les marées est orienté horizontalement (c’est-à-dire de gauche à droite).
En haut à droite, la seconde image montre l’orientation de la Terre, de la Lune et du Soleil pour une marée de mortes-eaux associée au premier quartier de la Lune. La Lune est au-dessus de la Terre et perpendiculaire au Soleil. L’ovale bleu indiquant les marées est orienté verticalement (c’est-à-dire du haut en bas).
En bas à gauche, la troisième image montre l’orientation de la Terre, de la Lune et du Soleil pour une marée de vives-eaux associée à une pleine Lune. La Terre se trouve entre la Lune et le Soleil. L’ovale bleu indiquant les marées est orienté horizontalement.
En bas à droite, la quatrième image montre l’orientation de la Terre, de la Lune et du Soleil pour une marée de mortes-eaux associée au troisième quartier de la Lune. La Lune est au-dessous de la Terre et perpendiculaire au Soleil. L’ovale bleu indiquant les marées est orienté verticalement.
Savais-tu que l’endroit au monde où est enregistré la plus grande variation entre la marée basse et la marée haute se trouve au Canada? Dans la baie de Fundy, entre le Nouveau-Brunswick et la Nouvelle-Écosse, on enregistre des marées hautes pouvant atteindre 16 mètres deux fois par jour! Clique sur le lien suivant pour regarder une vidéo dans laquelle tu pourras constater la vitesse à laquelle cette marée peut monter! Pas le temps de faire une sieste sur la plage!
En savoir plus
La mer attaque la terre - C'est pas sorcier (2015)
Vidéo Youtube (25min 59s) par la chaîne C’est pas Sorcier qui explore les tsunamis.
La puissance des Tsunamis (2017)
Vidéo Youtube (2min 48s) par la chaîne Nat Geo France qui montre à quel point les tsunamis peuvent être intenses.
Ce Qu’il Faut Faire Pour Survivre à un Tsunami (2019)
Vidéo Youtube (8min 19s) par la chaîne SYMPA qui explique comment survivre un tsunami.
La Plus Grosse Vague Du Monde (2020)
Vidéo Youtube (8min 15s) par la chaîne SYMPA qui parle de la plus grosse vague du monde.
Références
Bernard, E. N. (n.d.). The Tsunami Story. NOAA Tsunami Program. Retrieved from https://www.tsunami.noaa.gov/tsunami-story
Fukuji, T. (n.d.) Tsunami Fact Vs Fiction. UNESCO International Tsunami Information Center. Retrieved from http://itic.ioc-unesco.org/index.php?option=com_content&view=article&id=2077&Itemid=2944.
PBS Space Time (2015, Aug 05). What Physics Teachers Get Wrong About Tides! [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=pwChk4S99i4
Science Learning Hub (n.d.) Waves as energy transfer. Retrieved from https://www.sciencelearn.org.nz/resources/120-waves-as-energy-transfer
University of Miami (2017, Mar. 08). Study finds massive rogue waves aren’t as rare as previously thought. PhysOrg. Retrieved from https://phys.org/news/2017-03-massive-rogue-rare-previously-thought.html
Webb, P. (n.d.). Waves. Introduction to Oceanography. Roger Williams University Open Publishing. Retrieved from https://rwu.pressbooks.pub/webboceanography/chapter/chapter-10-waves/