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La mesure des vagues

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Les méthodes de mesure des vagues sont étroitement liée à la description mathématique utilisée pour analyser ces mesures et au paramètres que l'on cherche à décrire. En effet, si on conçoit les vagues comme un mouvement de la surface, ce mouvement est aussi associé à des déplacement horizontaux, un champ de vitesse, un champ de pression, une rugosité de la surface ... Chacun de ces paramètres peut être utilisé pour mesurer les vagues.

 

Le houlographe


L'instrument le plus utilisé car très robuste est la bouée houlographe. Développées dans les années 1960 les premières bouées mesuraient l'accélération verticale et le tanguage et roulis (pitch and roll en anglais). Aujourd'hui ce type de mesure reste adapté à des bouées météorologiques de quelques mètres de diamètre, tandis que les bouées qui ne font que la mesure des vagues utilisent plutôt l'accélération dans les trois direction (x,y,z). A partir de ces accélérations on peut remonter aux déplacements x, y et z. On peut alors utiliser différentes méthodes d'analyse.

Déplacements mesurés par un houlographe
Extrait de mesures au large de Crozon en mai 2004.

 

Altimétrie satellitaire


Depuis la mission SEASAT, plusieurs satellites ont été utilisés pour mesurer la hateur des vagues. Ces satellites mesurent le temps d'aller et retour d'une d'onde radar envoyé par le satellite. Cette mesure donne le niveau moyen de l'océan... qui n'est pas plat car il est couvert de vagues. La précision sur la mesure du temps correspond à environ 40 cm en distance. Ainsi le satellite découpe en tranches de 40 cm d'épaisser la géométrie de la surface. Ce retour progressif des échos correspondant d'abord aux crêtes des grandes vagues, pour recevoir enfin les échos réfléchis par les creux des grandes vagues. Cet étalement dans le temps des échos peut être relié à la hauteur significative Hs. On pourra consulter le site du Laboratoire d'Océanographie Spatiale de l'Ifremer, qui travaille à l'analyse de ces signaux, ainsi que le site de CLS, la filiale du CNES qui diffuse les mesures faites par ses satellites. Les mesures altimétriques sont les plus abondantes et les plus fiable grâce aux satellites actuels tels que ENVISAT (Agence Spatiale Européenne) et JASON (NASA - CNES). 

Plusieurs études montrent que les échos radars de ces satellites peuvent aussi servir à donner une information sur la période des vagues. Il est malheureusement impossible de déterminer la direction des vagues avec ce type de radar.

 

Images radar


Pour voir la direction des vagues il peut être utile (mais ce n'est pas indispensable) de former une image de la surface. Il faut alors que la résolution de l'image (le pixel) soit 4 fois plus petite que la longueur d'onde des vagues (10 à 40 m de résolution peuvent suffire). Les vagues se voient alors sur les variations de  l'intensité du signal radar dans l'image. Les vagues très courtes déterminent la réflexion des ondes radar. Cette "rugosité" de la surface dépend de la longeur d'onde des ondes radar Lr, et localement la rugosité pour le radar correspond aux vagues de longueur d'onde proche ou plus petite que Lr. Or ces vagues courtes sont modifiées par les vagues plus longues. On peut donc "voir" les vagues longues sur les images radar grâce à la modulation de la rugosité.

SAR Cancale

Extrait d'une image radar à synthèse l'ouverture (RSO ou SAR en anglais), acquise par ENVISAT en mars 2003. Les rayures grises sont une vue de la modulation de la rugosité par la houle d'ouest entrant dans la baie du Mont St Michel. (© ESA, 2003, Traitement: Boost Technologies). Les zones claires correspondent à de forts échos radar, tandis que les zones sombres réfléchissent très peu dans la direction du satellite. La zone noire à côté du point SA1 correspond à une mer d'huile avec un vent très faible: l'onde du radar est réfléchie comme par un miroir ... mais le satellite n'est pas en face du miroir et donc ne reçoit aucun écho.


Une interprétation quantitative de l'image demande une bonne compréhension des phénomènes qui contribuent à la rugosité et à la manière dont l'image est obtenue. Dans de bonnes conditions de vue on peut obtenir de très bonnes mesures du champ de vagues.

Hs à partir du SAR

Hauteur significative et direction des vagues mesurées à partir d'une image radar acquise par ENVISAT le 9 mars 2003 vers 10h au dessus du Cotentin. On remarque les zones abritées (Hs plus faible) derrière les îles de Jersey, Guernesey et devant le port de Cherbourg. (Traitement: Boost Technologies)