Des « vagues scélérates » massives peuvent surgir de nulle part. Les mathématiques révèlent leurs secrets.

Les scientifiques ont depuis découvert que contrairement aux tsunamis, qui sont de grosses vagues causées par un déplacement soudain de l’eau suite à un événement tel qu’un tremblement de terre ou un glissement de terrain, les vagues scélérates sont formées par une combinaison de mouvements de vagues à travers l’océan.

Deux théories mathématiques principales ont émergé pour expliquer les mouvements des vagues qui génèrent des ondes scélérates : la sommation linéaire et la concentration non linéaire. L’addition linéaire suppose que les vagues traversent l’océan à des vitesses différentes, et lorsqu’elles se chevauchent, elles peuvent se solidifier en une vague maléfique. La focalisation non linéaire suppose que les ondes se déplacent en groupes et peuvent se communiquer de l’énergie, entraînant parfois une onde maléfique.

L’une des raisons de l’incertitude est que les ondes scélérates sont rares. À ce jour, il y a une pénurie de données de suivi de qualité.

« D’une manière générale, les vagues océaniques voyous sont mesurées à partir de plates-formes ou de bouées, qui enregistrent des mesures de temps à un endroit particulier sans aucune connaissance de ce qui s’est passé auparavant ou qui se passera plus tard », explique Amin Shebchob, physicien des vagues à l’Université de Sydney. en Australie. Une étude menée en 2019 par Shabshop a évalué plusieurs observations et modèles de vagues scélérates et l’équipe Il a été conclu que le mécanisme de l’incitation des vagues scélérates peut changer en fonction des facteurs changeants de la mer à un moment donnéconnu sous le nom d’état de la mer.

Pour compenser les observations limitées d’ondes scélérates, les scientifiques s’appuient sur des réservoirs d’ondes. « Les activités récréatives dans le laboratoire imitent à peu près ce qui se passe à la surface de l’océan », explique Shapshop. Ces expériences peuvent expliquer les courants et les vents, bien que les paramètres contrôlés aient leurs propres limites.

Lorsque l’eau est emprisonnée dans un canal étroit tel qu’un réservoir à vagues, il est beaucoup plus facile de former et d’observer de grosses vagues. Cependant, ces expériences présentent un « scénario irréaliste » car les ondes ne peuvent pas se propager dans toutes les directions comme si elles étaient dans la mer, explique Francesco Fidel, ingénieur océanographe au Georgia Institute of Technology.

La National Oceanic and Atmospheric Administration développe un système capable de prévoir toutes les heures les zones potentiellement dangereuses de l’océan à l’aide d’un programme appelé WAVEWATCH III. La dernière version, sortie en 2019, utilise une formule probabiliste comme Fedele Développé en 2012 Prédire les conditions extrêmes dans l’océan à un endroit et à un moment précis. C’est un outil utile pour aider les marins à s’éloigner des mers dangereuses, mais cela peut ne pas suffire à les protéger de la vague scélérate qui apparaît soudainement.

Les ondes scélérates sont souvent générées lorsque les vagues se déplacent à des vitesses différentes et se chevauchent parfois, explique Johannes Gemrich, chercheur à l’Université Victoria au Canada, qui a analysé la vague scélérate de 2020 près de l’île de Vancouver. Mais il pense que l’asymétrie des vagues – lorsque les vagues ont des sommets plus hauts et des creux plus bas – joue également un rôle crucial.

« Si nous permettons une variance plus forte, le potentiel d’ondes scélérates intenses augmente de façon exponentielle », explique Gimrich.

formule générale pour la mer

Une école de mathématiciens dit que peu importe ce qui cause la vague scélérate, car on peut toujours prédire les vagues scélérates assez précisément en utilisant un cadre statistique pour les occurrences rares appelé théorie des grandes déviations.

L’idée derrière cette méthode est de modéliser la manière la plus efficace dont une vague scélérate peut se former, puis d’utiliser ce modèle pour tracer le chemin d’évolution d’une vague maléfique particulière. La théorie peut prendre en compte à la fois les effets linéaires et non linéaires selon le scénario, c’est pourquoi ses partisans la considèrent comme une théorie unificatrice – elle peut peut-être être utilisée pour prédire les vagues scélérates dans différentes conditions océaniques.

« Si vous regardez la manière absolument la plus efficace de former ces ondes, cela correspondra assez bien aux ondes réellement observées », déclare Tobias Grafk, mathématicien à l’Université de Warwick au Royaume-Uni.

Grafke et une équipe de chercheurs J’ai testé cette théorie Dans les canaux de vagues, les résultats ont été mesurés par rapport aux observations de vagues en temps réel, et ils ont constaté que la méthode pouvait prédire les vagues scélérates dans les deux modes de façon surprenante.

Cependant, un problème avec ce cadre est qu’il est très difficile de calculer tous les facteurs d’état de la mer à un moment précis. Si vous êtes le capitaine d’un navire, les informations de prévision les plus utiles proviendront d’observations en temps réel, et non de probabilités statistiques. Grafke dit que l’équation de son équipe peut prendre en compte les détails d’un état marin particulier, mais plus vous pliez de variables, plus elle devient rapidement difficile à résoudre.

« C’est plus compliqué [equations] Plus la prédiction est bonne, plus l’effort et le temps de calcul sont importants « , explique Shapshop. « Par conséquent, obtenir des résultats utiles est un compromis entre précision et temps. »

Prédiction en temps réel

Des scientifiques ont été aller vers La technologie de prédiction des vagues est en temps réel, mais de nouvelles méthodes doivent être testées dans des situations réelles – un défi étant donné la rareté des vagues scélérates. Dans de nombreux cas, le processus de calcul doit être condensé pour correspondre à la vitesse des vagues.

Des vagues scélérates peuvent se former en « seulement 10 à 15 secondes dans une mer agitée », explique Fidel. « Il est encore difficile de faire des prédictions rapides et précises dans un intervalle de temps aussi court. »

Pour prédire une vague maléfique, les scientifiques auront besoin d’un système radar pour mesurer en permanence les vagues près du bateau, afin qu’ils puissent faire passer les données par un modèle mathématique qui brosse une image de la surface de l’océan à ce moment-là. Un modèle qui calcule une nouvelle surface toutes les cinq minutes fournira une prédiction relativement précise de la façon dont les vagues se développeront au cours des prochaines minutes.

Un tel système n’est pas encore une réalité. « La technologie est là. Maintenant, la question est : comment [do] Faites-vous vite? dit Fedele.

Alors que de plus en plus de vagues scélérates sont mesurées, les mathématiciens pourraient enfin trouver un moyen de prédire ces vagues meurtrières avant qu’elles ne sortent de l’océan – une technique dont le capitaine Dumont d’Urville ne pouvait que rêver en 1826.