Les vagues scélérates naissent des vagues aléatoires

Résultat scientifique Mécanique des fluides

Véritables murs d’eau semblant sortir de nulle part, les vagues scélérates apparaissent soudainement et surpassent la hauteur de leurs voisines. Un modèle théorique existe et a déjà été reproduit en laboratoire, mais nécessite des conditions très spécifiques.  Des chercheurs du CNRS, de l’École centrale de Nantes et des universités de Paris et de Lille ont montré expérimentalement qu’un ensemble de vagues aléatoires peut également provoquer la formation de vagues scélérates. Publiés dans la revue Physical Review Fluids, ces travaux élargissent les modèles précédemment disponibles.

Craintes par les marins, les vagues scélérates sont des lames isolées qui apparaissent soudainement et sont bien plus hautes que la houle environnante. Ce phénomène rare est de plus en plus souvent signalé grâce au développement de l’océanographie, ce qui pousse les chercheurs à essayer d’en comprendre l’origine. Dans les années 80, une solution d’une équation régissant la dynamique des vagues a été trouvée, appelée soliton Peregrine du nom de son découvreur. Cette vague théorique, d’apparence normale, voit tout d’un coup son amplitude augmenter d’un facteur trois et a été reproduite expérimentalement en déplaçant l’eau à l’extrémité d’un canal d’une manière bien particulière. Des chercheurs de Paris, Nantes et Lille ont cependant montré que des vagues scélérates pouvaient également se former spontanément à partir de vagues aléatoires.

Pour cela, l’équipe a envoyé pendant cinq heures des vagues aléatoires dans un canal de 150 mètres de long, installé à l’École centrale de Nantes et principalement dédié au test de navires. Dans ces conditions, qui reproduisent ce que l’on peut observer lors de tempêtes en pleine mer, des événements extrêmes tout à fait similaires aux solitons Peregrine sont alors apparus. Les chercheurs ont pu analyser quantitativement ces vagues scélérates et vérifier le modèle régissant leur création : la focalisation non linéaire. L’idée est que, en mélangeant de nombreuses vagues légèrement différentes, il se forme des ensembles localisés de quelques vagues, de plus en plus fins et grands, qui aboutissent au déclenchement d’évènements très violents pendant un court laps de temps. Et lorsque ces vagues se raidissent, c’est-à-dire que leur taille augmente, ces évènements extrêmes s’éloignent du soliton Peregrine, qui ne serait en fait qu’un cas particulier parmi un modèle plus large.

Ces travaux ont mobilisé des chercheurs issus de nombreuses spécialités, membres de l’Institut Jean Le Rond d’Alembert (CNRS/Sorbonne Université), du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université de Paris), du Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (LHEEA, CNRS/École Centrale de Nantes), du laboratoire de physique de l’École Normale Supérieure (LPENS, CNRS/PSL/ENS) et du laboratoire Physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM, CNRS/Université de Lille).

Vue du canal de 150 m de l’École centrale de Nantes dans lequel la caractérisation des vagues scélérates a été rapportée. © Éric Falcon.
Vue du canal de 150 m de l’École centrale de Nantes dans lequel la caractérisation des vagues scélérates a été rapportée. © Éric Falcon.

Ces travaux ont été financés par le CNRS, l’Agence Nationale de la Recherche (ANR DYSTURB ANR-17-CE30-0004) et la Simons Foundation MPS-651463-Wave Turbulence (USA).

Références
Emergence of Peregrine solitons in integrable turbulence for deep water gravity waves,
G. Michel, F. Bonnefoy, G. Ducrozet, G. Prabhudesai, A. Cazaubiel, F. Copie, A. Tikan, P. Suret, S. Randoux, and E. Falcon.
Physical Review Fluids (Rapid Communication) Vol. 5, p. 082801(R), août 2020
https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.082801

Contact

Communication INSIS
Eric Falcon
MSC
Guillaume Michel
Institut Jean Le Rond d'Alembert