Les vagues scélérates, un phénomène maritime violent et encore mystérieux

En 1826, le capitaine Jules Dumont d’Urville, un scientifique et officier de marine français, a été pris dans une tempête turbulente alors qu’il traversait l’océan Indien. Il a vu un mur d’eau s’élever à environ 30 mètres au-dessus de son navire, l’Astrolabe. C’était l’une des nombreuses vagues de plus de 20 mètres de haut qu’il a enregistrées lors de cette violente tempête qui a emporté un membre de son équipage. Pourtant, une fois de retour sur la terre ferme, l’histoire de Dumont d’Urville, étayée par trois témoins, semblait si farfelue qu’elle n’a pas été prise au sérieux.

Les scientifiques de l’époque pensaient que les vagues ne pouvaient atteindre qu’une hauteur d’environ 10 mètres. Ainsi, les quelques témoignages faisant état de vagues massives se levant en plein océan au 19^e siècle ont été pour la plupart considérés comme des mythes maritimes. Ce n’est que plus tard que les scientifiques se sont rendu compte que ces récits étaient rares précisément car un bon nombre des marins qui avaient rencontré ces « vagues scélérates » n’avaient pas survécu pour en faire le récit.

Aujourd’hui, une vague scélérate est définie comme une vague dont la hauteur est plus de deux fois supérieure à celle des vagues qui l’entourent. Ces houles géantes peuvent apparaître soudainement et sembler sortir de nulle part. Avec leurs flancs abrupts et leur creux profond, elles ressemblent à un mur d’eau sortant directement de la mer. Elles peuvent se produire lors de tempêtes dans des mers agitées, mais ont également été aperçues en eaux calmes, ce qui explique pourquoi elles sont si difficiles à prévoir.

Les scientifiques reconnaissent que les vagues scélérates sont un phénomène réel depuis le milieu des années 1990, mais protéger les voyageurs des mers reste un défi majeur. Bien qu’elles soient relativement rares, les vagues scélérates peuvent causer de graves dégâts et même être mortelles si elles frappent un navire en pleine mer. Dans l’immensité de l’océan, il peut être difficile de comprendre l’interaction des nombreuses forces à l’origine de ces vagues scélérates. Plus récemment, des mathématiciens ont combiné des données réelles recueillies par des bouées de surveillance avec des modèles statistiques pour comprendre les causes de la formation de ces vagues gargantuesques. Leurs travaux permettent d’espérer que nous pourrons peut-être, un jour, prédire les vagues scélérates avant qu’elles ne se produisent.

COMMENT CES VAGUES SE FORMENT-ELLES ?

Au fur et à mesure que les technologies de construction navale ont progressé au 20^e siècle, le nombre de témoins ayant survécu à des vagues scélérates a augmenté. En avril 1966, un navire de croisière italien, le Michelangelo, a rencontré une vague de 25 mètres de haut qui s’est élevée bien au-dessus de celles de la tempête qui l’entourait. Le navire a subi d’importants dégâts et trois personnes ont été tuées, mais la plupart de celles qui se trouvaient à bord sont parvenues à regagner la côte.

L’équipage du München, un navire de charge allemand, n’a pas eu cette chance. En décembre 1978, le navire a quitté la ville portuaire allemande de Bremerhaven pour se rendre à Savannah, en Géorgie, chargé d’une cargaison d’acier et d’un équipage de vingt-huit personnes. Après avoir signalé de mauvaises conditions météorologiques et envoyé des signaux de détresse aux premières heures du matin du 13 décembre, le navire et tous ses occupants ont disparu. Un canot de sauvetage qui avait été attaché au navire à environ 20 mètres au-dessus de l’eau a été récupéré, mais il semblait avoir été arraché de son support, probablement par une vague imposante d’au moins cette hauteur.

Les doutes scientifiques concernant ces vagues géantes et mystérieuses n’ont été complètement dissipés qu’en 1995, lorsqu’une vague scélérate a frappé la plate-forme pétrolière Draupner située dans la mer du Nord, au large de la Norvège. Le pic de la vague, mesuré par un détecteur laser sur l’échafaudage de la plate-forme, s’est élevé à plus de 25 mètres au-dessus de la surface.

Depuis, les scientifiques ont compris que, contrairement aux tsunamis, qui sont de grandes vagues produites par un déplacement soudain d’eau dû à un événement tel qu’un tremblement de terre ou un glissement de terrain, les vagues scélérates se forment suite à une combinaison fortuite de mouvements de vagues dans l’océan.

Deux grandes théories mathématiques ont vu le jour pour expliquer les mouvements des vagues qui engendrent les vagues scélérates : l’addition linéaire et la focalisation non-linéaire. L’addition linéaire suppose que les vagues se déplacent dans l’océan à des vitesses différentes et que, lorsqu’elles se chevauchent, peuvent se renforcer pour former une vague scélérate. La focalisation non-linéaire suppose quant à elle que les vagues se déplacent en groupes et peuvent se prêter de l’énergie les unes aux autres, donnant parfois naissance à une vague scélérate.

L’une des raisons de cette incertitude est que les vagues scélérates sont des phénomènes rares. Même aujourd’hui, les données de suivi de bonne qualité sont rares.

« En général, les vagues scélérates océaniques sont mesurées à partir de plates-formes ou de bouées, qui enregistrent des mesures de temps à un endroit spécifique sans aucune connaissance de ce qui s’est passé avant ou se passera ensuite », explique Amin Chabchoub, physicien des vagues à l’université de Sydney en Australie. Une étude de 2019 dirigée par Chabchoub a évalué plusieurs observations et modèles de vagues scélérates, et l’équipe a conclu que le mécanisme qui engendre des vagues scélérates peut changer en fonction des facteurs variables dans la mer à un moment donné, connus sous le nom d’état de la mer.

Pour compenser les observations limitées des vagues scélérates, les scientifiques s’appuient sur des réservoirs à vagues. « Les reconstitutions dans un laboratoire imitent presque à l’identique ce qui se passe à la surface de l’océan », explique Chabchoub. Ces expériences peuvent même tenir compte des courants et des vents, bien que les environnements contrôlés aient leurs propres limites.

En effet, lorsque l’eau est piégée dans un canal étroit tel qu’une cuve, il est beaucoup plus facile de former de grandes vagues et de les observer. Toutefois, ces expériences représentent un « scénario irréaliste », car les vagues ne peuvent pas se propager dans toutes les directions comme elles le feraient en mer, explique Francesco Fedele, ingénieur océanographe au Georgia Institute of Technology.

La National Oceanic and Atmospheric Administration est en train de mettre au point un système capable de prédire toutes les heures quelles sont les zones potentiellement dangereuses de l’océan, grâce à un programme appelé WAVEWATCH III. La dernière version, sortie en 2019, utilise une formule de probabilité développée par Fedele en 2012 pour prévoir les conditions extrêmes de l’océan à un endroit et à un moment précis. Cet outil est utile pour aider les marins à se tenir à l’écart des mers dangereuses, mais cela pourrait ne pas suffire à les protéger d’une vague scélérate surgissant de nulle part.

Johannes Gemmrich, chercheur à l’université de Victoria au Canada, qui a analysé une vague scélérate qui a eu lieu près de l’île de Vancouver en 2020, affirme que ces immenses murs d’eau sont le plus souvent générés lorsque les vagues se déplacent à des vitesses différentes et se chevauchent occasionnellement, ce qui soutient la théorie de l’addition linéaire. Mais, pour lui, l’asymétrie des vagues, c’est-à-dire lorsque les vagues ont des pics plus élevés et des creux plus bas, joue également un rôle crucial.

« Si nous tenons compte d’une asymétrie plus forte, la probabilité de vagues scélérates extrêmes augmente considérablement », explique Gemmrich.

UNE MÉTHODE STATISTIQUE POUR PRÉDIRE LES VAGUES

Selon une école de mathématiciens, les causes d’une vague scélérate ont peu d’importance. Il serait en effet possible de prédire ces phénomènes maritimes avec une grande précision en utilisant un cadre statistique pour les événements rares, appelé le principe de grandes déviations.

Cette méthode consiste à modéliser la manière la plus efficace qui pourrait permettre à une vague scélérate de se former, puis d’utiliser ce modèle pour tracer le développement d’une vague scélérate spécifique. En fonction du scénario, la théorie peut prendre en compte des effets linéaires et non linéaires, raison pour laquelle ses partisans la considèrent comme une théorie unificatrice, qui pourrait peut-être être utilisée pour prédire les vagues scélérates dans diverses conditions océaniques.

« Si l’on se contente d’examiner la manière la plus efficace de formation de ces vagues, on constate qu’elle correspond très bien à celles qui ont été réellement observées », explique Tobias Grafke, mathématicien à l’université de Warwick, au Royaume-Uni.

Avec une équipe de chercheurs, Grafke a testé cette théorie dans des canaux de vagues, a mesuré les résultats par rapport aux observations de vagues en temps réel, et a constaté que la méthode pouvait prédire les vagues scélérates dans les deux contextes, et ce avec une efficacité étonnante.

Ce cadre pose toutefois un problème : il est extrêmement difficile de prendre en compte tous les facteurs d’un état de mer à un moment précis. Si vous êtes le capitaine d’un navire, les informations prévisionnelles les plus utiles doivent provenir d’observations en temps réel, et non de probabilités statistiques. Selon Grafke, la formule de son équipe peut tenir compte des spécificités d’un état de mer donné, mais plus on y ajoute de variables, plus il devient difficile de la résoudre rapidement.

« Plus ces [équations] sont complexes, plus la prédiction est bonne, et plus l’effort et le temps de calcul sont élevés », explique Chabchoub. « Il s’agit donc d’un compromis entre la précision et le temps nécessaire pour obtenir des résultats utiles. »

DES PRÉVISIONS EN TEMPS RÉEL

Les scientifiques s’orientent vers une technologie de prédiction des vagues en temps réel, mais ces nouvelles approches doivent être testées en situation réelle, ce qui constitue un défi compte tenu de la rareté des vagues scélérates. Dans de nombreux cas, le processus de calcul doit être accéléré pour correspondre à la vitesse des vagues.

Les vagues scélérates peuvent se former en seulement « dix à quinze secondes, par mer agitée », précise Fedele. « Il est encore difficile de faire des prédictions rapides et précises dans un intervalle de temps aussi bref. »

Pour prédire une vague scélérate, les scientifiques auraient besoin d’un système radar permettant de mesurer en permanence les vagues près des navires. Cela permettrait de faire passer les données dans un modèle mathématique qui brosserait une image de la surface de l’océan à ce moment précis. Un modèle comme celui-ci qui calculerait une nouvelle surface toutes les cinq minutes offrirait une prédiction relativement précise de l’évolution des vagues dans les prochaines minutes.

Un tel système n’existe pas encore. « La technologie est là. La question est désormais de savoir comment la rendre rapide », déclare Fedele.

Au fur et à mesure que davantage de vagues scélérates seront mesurées, les mathématiciens pourront peut-être enfin trouver un moyen d’anticiper ces vagues mortelles avant qu’elles ne surgissent de l’océan : une technologie dont le capitaine Dumont d’Urville n’aurait pu que rêver en 1826.