Des vagues qui avancent tout droit sous la banquise

Mercredi, 6 avril 2016

Des chercheurs du Laboratoire d'océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, CNRS / Université de Bretagne occidentale / Ifremer / IRD), de la Polar scientific ltd (Scotland) et du Department of applied maths and theoretical physics (DAMTP, University of Cambridge) ont analysé certaines données obtenues par le projet européen Damocles et réalisé des simulations de propagation des vagues pour étudier les interactions entre vagues et banquise en Arctique. Ils ont ainsi pu montrer que durant leur long périple de 1 500 km jusqu’au pôle Nord, les vagues longues issues des tempêtes des 8 et 9 février 2007 avaient progressé tout droit sous la banquise, en s’atténuant mais sans perdre de leur longueur. Ils ont également pu conclure que cette atténuation des vagues longues était due à un phénomène de fluage de la banquise.

Sous l’effet du réchauffement climatique, l'Arctique subit une évolution très rapide. En particulier, la banquise recule, laissant davantage de place à l'eau libre et favorisant ainsi la croissance des vagues susceptibles de se former localement sous l’effet du vent, et elle s’affine, ce qui la rend encore plus vulnérable vis-à-vis des vagues.
Les vagues peuvent en effet pénétrer sous la banquise, la fracturer, et ainsi peut-être amplifier son recul. Il est difficile de conclure aujourd’hui car les mécanismes d'interaction entre vagues et banquise sont encore très mal connus.
Trois causes possibles ont notamment été proposées pour expliquer l’atténuation des vagues (perte de hauteur) durant leur propagation sous la banquise, sans qu’il soit possible de les départager :

  • les réflexions multiples des vagues sur la glace dues à ses variations d’épaisseur ;
  • le frottement des vagues sur la glace ;
  • le fluage, c’est-à-dire une déformation plastique de la glace sous l’effet des vagues, une théorie(1) proposée par Peter Wadhams en 1973 et un peu oubliée depuis.

La goélette Tara prise dans les glaces dans la région du pôle Nord géographique. © Francis Latreille/Tara-Arctic Souhaitant étudier plus finement les interactions entre vagues et banquise, des chercheurs du LOPS, de la Polar scientific ltd et du DAMTP ont effectué une nouvelle analyse des données obtenues dans le cade du projet européen Damocles (Developing arctic modelling and observing capabilities for long-term environmental studies) et provenant des inclinomètres installés sur la banquise afin d’en mesurer la pente. Ce projet, qui visait à étudier l’évolution de la banquise arctique, avait utilisé la goélette Tara prise dans les glaces comme base de mesure, pendant sa dérive transpolaire de l'hiver 2006-2007.
Cette dérive a coïncidé avec deux des plus grosses tempêtes de l’Atlantique Nord de ces 10 dernières années. Ces tempêtes, que les chercheurs ont simulé à l’aide du modèle de vagues WAVEWATCH III, se sont succédées à un jour d'intervalle les 8 et 9 février 2007 alors que Tara se trouvait à 1 500 km du bord atlantique de la banquise, soit un peu au-delà du pôle Nord.

Répartition de l'énergie des vagues (en haut) en fonction du temps et des périodes de la houle, lors du passage les 12 et 13 février de deux trains de houle, et modélisation numérique (en bas) des vagues le 12 février à 18h alors que la première houle est déjà arrivée au-delà du pôle Nord, la seconde étant au nord de la Norvège. Avec la modélisation, les chercheurs ont pu montrer que ces tempêtes avaient conduit à la formation de vagues de hauteur exceptionnelles, estimées à 19 et 20 mètres au large de l'Irlande, et d’exceptionnellement longues périodes pouvant aller jusqu’à 25 secondes (vagues dites longues).
Les données enregistrées par les inclinomètres leur ont par ailleurs permis d’estimer, au point de mesure proche du pôle Nord, les directions, hauteurs et longueurs de la houle sous la banquise. Il s’avère que, durant leur périple de 1 5000 km sous la banquise depuis l'Atlantique Nord, les très longues houles dues à ces deux tempêtes se sont progressivement atténuées pour finir par mesurer moins de 3 cm sans pour autant perdre de leur longueur. En revanche, les houles plus courtes (de moins de 18 s de période) sont tellement atténuées qu'il n’est pas possible de les détecter au pôle Nord.

Cette différence claire de comportement entre vagues courtes et longues, et l'heure d'arrivée de la houle, indiquent que, contrairement aux vagues courtes, les vagues longues n'ont pas pu être réfléchies par la glace et qu’elles ont donc dû voyager tout droit sous la banquise. Les chercheurs ont également pu montrer qu’entre frottement et fluage, l’hypothèse la plus réaliste pour expliquer l’atténuation des vagues longues était celle du fluage.

Des travaux sont en cours pour vérifier si le fluage peut expliquer les variations de hauteurs de vagues observées (observations in situ et par satellite) dans d'autres circonstances, en particulier lorsque se produit une cassure de la banquise par les vagues.
Pour l'équipe du LOPS, il s'agit avec ces travaux de contribuer aux futurs systèmes d'observation et de prévision des vagues, en particulier en Arctique, dans le cadre du programme Copernicus (Copernicus marine enviroment monitoring service - CMEMS). Ces travaux sont soutenus par l'Union européenne, via le CMEMS et le projet collaboratif SWARP, ainsi que par le LabexMer. Les applications vont d'une utilisation pour la navigation en Arctique à une meilleure prévision de l'évolution de la banquise, à l’aide des modèles de climat.

Note(s): 
  1. Par analogie avec l'écoulement des glaciers, Peter Wadhams a proposé la théorie suivante : la flexion de la glace sous l'effet des vagues provoque un phénomène de fluage (déformation). Ce phénomène propre aux solides proches de leur point de fusion peut e, effet conduire à une dissipation importante de l'énergie des vagues et donc à leur atténuation, tant que la déformation reste faible ; pour des déformations plus fortes, la glace se brise en plaques dont la flexion est limitée et la dissipation de l'énergie des vagues est alors plus faible.
Source(s): 

Ocean waves across the Arctic: attenuation due to dissipation dominates over scattering for periods longer than 19 s, Fabrice Ardhuin, Peter Sutherland, Martin Doble and Peter Wadhams, Geophysical Research letters, DOI: 10.1002/2016GL068204

Contact(s):
  • Fabrice Ardhuin, LOPS/IUEM
    fabrice [dot] ardhuin [at] ifremer [dot] fr, 06 52 86 64 41

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