Les eaux mortes – WUS#17

Après une magnifique escapade au sein de l’Univers, revenons maintenant sur Terre, ou plutôt en mer : on va parler du phénomène des eaux mortes. Ce phénomène n’a a priori aucun lien avec la Mer Morte, dont le nom est lié à la salinité de son eau qui empêche la survie d’un grand nombre d’organismes (et notamment des poissons). Il ne faut pas non plus confondre les eaux mortes avec le phénomène des mortes eaux, qui sont (de même que les vives eaux) un certain type de marée correspondant à une certaine disposition Soleil/Terre/Lune.

mer
La première baignade estivale attendra !

La découverte du phénomène des eaux mortes

Le phénomène des eaux mortes a été découvert par l’explorateur norvégien Fridtjof Nansen en 1893 lors d’une expédition au Nord de la Sibérie à bord du bateau « Le Fram ». Il constata que son bateau semblait être freiné par « une force mystérieuse, comme si le moteur du bateau ne répondait pas correctement », et ce malgré toutes les tentatives mises en œuvre pour échapper à ce phénomène.

Mais d’où vient ce phénomène étrange ? Un élément important dans la découverte de ce phénomène est le l’endroit où il a été trouvé : au Nord de la Sibérie. Une région polaire donc, où l’on peut trouver des glaciers. Une de leurs particularités est qu’ils sont constitués d’eau douce, alors que les mers et océans sont constitués d’eau salée. Ainsi, l’eau formée par la fonte des glaciers présente une masse volumique (masse par unité de volumique) différente de celle de l’eau salée : on dit aussi qu’elles ont des densités différentes. La densité d’un fluide est en fait le rapport de la masse volumique de ce fluide avec la masse volumique d’un fluide de référence. Ce fluide de référence est très souvent l’eau douce, de masse volumique \rho = 1000 \, kg.m^{-3} à pression atmosphérique et à une température de 4°C. L’eau douce a donc une densité de 1. L’eau de mer a quant à une masse volumique moyenne en surface de \rho = 1025 \, kg.m^{-3}, soit une densité de 1,025.

Avec la fonte de ces glaciers, il se forme alors sur la partie supérieure de l’océan une superposition de couches d’eau de densités différentes, et c’est cette superposition qui, comme on va le voir par la suite, explique le phénomène des eaux mortes. Avant cela, penchons-nous sur les notions de vagues et d’ondes.

Ondes et vagues

Qu’est-ce qu’une onde et quel le lien entre une onde et une vague ? Il existe différents types d’ondes (mécanique, électromagnétique…), mais on ne va s’intéresser ici uniquement aux ondes mécaniques progressives. Une onde mécanique progressive est la propagation de proche en proche d’une perturbation dans un milieu matériel (un milieu matériel s’oppose à un milieu sans matière, autrement dit, le vide) sans transport de matière mais avec transport d’énergie dans une certaine direction de propagation. Une telle onde peut être soit transversale (lorsque la perturbation se propage perpendiculairement à la direction de  l’onde), soit longitudinale (lorsque la perturbation se propage dans la direction de l’onde).

Illustrons cette notion avec quelques exemples. Le son est une onde mécanique progressive longitudinale. Il s’agit en fait d’une perturbation de pression qui se propage de proche en proche par un phénomène de compression-dilatation de l’air dans la direction de propagation de l’onde. Globalement, l’air qui sert de support à la propagation du son reste immobile (pas de transport de matière), mais de l’énergie est transmise pour que l’air se comprime et se détende (transport d’énergie).

Une vague à la surface de l’eau est, quant à elle, une onde mécanique progressive transversale. Le voilà le lien entre onde et vague ! Illustrons cela avec l’animation suivante, représentant une onde se déplaçant de gauche à droite.

onde_gif

On remarque effectivement bien que l’onde se déplace de gauche à droite, mais que la perturbation (les « bosses » et les « creux ») est perpendiculaire à la direction de propagation. Par ailleurs, si on considère un petit objet placé à la surface de l’eau (un point ovaloïde par exemple), on peut constater que, en l’absence de vent, cet objet ne sera pas déplacé par la vague (pas de transport de matière).

Le phénomène des eaux mortes

Revenons à nos eaux mortes. On a dit que ce phénomène apparaît lorsque la surface de l’océan est formée d’une superposition de couches d’eau de densités différentes. Mais en quoi cette différence de densité explique que le bateau soit freiné ? Cela s’explique par le mouvement du bateau lui-même.

Considérons le cas de deux couches d’eau de densité différente et supposons que le moteur du bateau fournit toujours la même force de traction. En effet, ce n’est pas la vitesse qui importe le plus dans l’explication du phénomène des eaux mortes, car celle-ci va varier, mais la force mise en œuvre par le moteur du bateau afin de mouvoir le navire. Le mouvement du bateau va alors entraîner des perturbations au niveau de l’interface entre ces couches, ce qui va créer, du fait de la différence de densité, des vagues au niveau de cette interface. Ces vagues peuvent, du fait de phénomènes non linéaires, rattraper le bateau et alors créer des frottements qui vont ralentir le bateau, voire même l’arrêter. Une fois l’effet de la vague dissipé, le bateau peut alors repartir et recréer une vague, qui peut à nouveau le ralentir, puis se dissiper… Quand un bateau est confronté au phénomène des eaux mortes, sa vitesse est alors oscillante.

experience_ENS_Lyon
Bateau ralenti par le phénomène des eaux mortes

Différentes expériences ont été menées pour modéliser ce phénomène. Les premiers travaux de recherche sur le sujet nous viennent du physicien suédois Vagn Walfrid Ekman. Je vous invite à regarder la vidéo de l’expérience réalisée par l’ENS Lyon en cliquant sur l’image ci-dessus. Dans cette vidéo, on considère le cas de deux couches d’eau de densité différente (la couche d’eau colorée en rouge a la densité la plus faible) et d’un bateau avançant à traction constante. Cette vidéo permet de bien se rendre compte visuellement de la formation de l’onde qui rattrape le bateau pour le ralentir.

Et c’est sur ces belles images que s’achève ce billet.

Sources

http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Phenomene-eaux-mortes.xml
http://perso.ens-lyon.fr/thierry.dauxois/PAPERS/npg-18-193-2011.pdf
http://video.ens-lyon.fr/eduscol-csp/2009/phenomene-eaux-mortes-deux-couches.webm
http://fond-ecran.linternaute.com/image_wallpaper/diguelomener1280.jpg

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