Ces dernières années, les satellites ont ouvert un chapitre entièrement nouveau dans la compréhension des vagues sur les océans du monde. Les dernières mesures montrent que lors des puissantes tempêtes hivernales dans l'hémisphère nord, des vagues d'une hauteur significative moyenne d'environ 20 mètres ont été enregistrées – une hauteur comparable à l'Arc de Triomphe parisien. Mais un message bien plus important réside dans la manière dont l'énergie de ces vagues se propage : une longue houle océanique parcourt des milliers de kilomètres depuis sa source et, tel un messager invisible, apporte une énergie dévastatrice aux côtes que la tempête n'a jamais touchées. En comparant les nouvelles images satellitaires avec des décennies d'enregistrements de l'état de la mer, les scientifiques ont identifié des schémas qui permettent une reconnaissance précoce de tels événements et des évaluations plus précises des risques pour les communautés côtières et les infrastructures.

Vagues, vent et longues périodes : la physique qui relie la tempête et la côte

Les vagues sont créées par l'action du vent à la surface de la mer. Pendant une tempête, la mer est remplie d'un mélange de différentes longueurs d'onde et directions – ce que l'on appelle la mer de vent. Lorsque le système se déplace ou s'affaiblit, les vagues plus ordonnées et plus longues qui composent la houle restent au premier plan. Ce sont précisément ces longues périodes – par exemple, 18, 20 ou plus de secondes entre deux crêtes – qui sont la clé pour comprendre l'ampleur et la puissance de la tempête source. Les longues vagues se dissipent moins, se propagent plus rapidement et survivent plus longtemps, de sorte que leurs "signaux" atteignent bien au-delà de la portée du vent qui les a créées. Sur la côte, cela se manifeste par l'apparition soudaine de vagues hautes et longues et par une augmentation du déferlement dans les zones peu profondes, même lorsque les vents locaux sont faibles ou variables.

La nouvelle ère satellitaire : SWOT et la continuité des missions d'altimétrie européennes

Une percée dans la détection de la houle est venue avec la mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), qui combine l'altimétrie radar classique avec l'imagerie à large bande (wide-swath). Au lieu de mesurer exclusivement dans une bande étroite sous le satellite, SWOT cartographie la "topographie" bidimensionnelle de la surface de la mer et capture ainsi les schémas spatiaux des longues vagues, leur hauteur, leur longueur d'onde et leur direction de propagation. Cette nouvelle géométrie s'appuie sur des séries d'altimétrie de plusieurs décennies collectées par des missions telles que Jason-3, SARAL, CryoSat, Sentinel-3A/B, CFOSAT et Sentinel-6, intégrées dans des systèmes de prévision climatique et opérationnelle. À l'Agence spatiale européenne, cet enregistrement continu de l'état de la mer est développé dans le cadre d'initiatives dédiées aux variables de "sea state" – une description statistique du climat des vagues qui comprend les hauteurs, les périodes et les directions des vagues.

Épisode record : la tempête "Eddie" et le voyage de la houle sur deux océans

L'une des manifestations les plus impressionnantes de cette nouvelle capacité a été enregistrée le 21 décembre 2024, lorsque SWOT a survolé le Pacifique nord au plus fort d'une tempête que les chercheurs ont baptisée "Eddie". L'analyse a montré des hauteurs de vagues significatives de ~20 mètres en pleine mer et a permis de suivre avec précision comment l'énergie de la tempête, transformée en longue houle, a poursuivi son voyage à travers le passage de Drake jusqu'à l'Atlantique tropical – au cours de la période du 21 décembre 2024 au 6 janvier 2025. Un tel "faisceau" de houle transocéanique a relié visuellement et quantitativement des côtes lointaines à la source de la tempête et a confirmé en temps réel ce que les modèles et les mesures antérieures n'avaient qu'indiqué : que les longues vagues agissent comme des messagers, bien avant que les prévisions locales de vent ou de pression atmosphérique ne signalent un danger.

Pourquoi cet épisode est scientifiquement important

La mesure de vagues extrêmement grandes depuis l'espace a été un défi pendant de nombreuses années en raison de la résolution spatiale limitée et des survols rares. Le large "filet" de SWOT et la synthèse avec les produits pluriannuels de l'Agence spatiale européenne (CCI Sea State) ont permis pour la première fois d'observer systématiquement les champs de vagues au moment où l'énergie ne faisait que s'"organiser" en une longue houle. Cela a donné aux chercheurs des valeurs directes et observées pour valider les modèles de vagues numériques dans des conditions extrêmes, ce qui est crucial pour corriger les calculs énergétiques et les évaluations des risques. Contrairement aux mesures ponctuelles provenant de bouées ou de navires, les cartes à large bande offrent une image cohérente de la façon dont l'énergie est transférée entre les longueurs d'onde lorsque les vagues se déplacent à travers les océans.

Correction d'une ancienne compréhension : les vagues les plus longues transportent moins d'énergie qu'on ne le pensait

Sur la base d'une comparaison d'un large éventail de missions satellitaires et de nouvelles images SWOT, les scientifiques ont constaté que les modèles traditionnels surestimaient systématiquement l'énergie dans les vagues très longues. Bien que les longues vagues soient extraordinairement efficaces pour transmettre des informations sur une tempête sur de grandes distances, il s'est avéré que la plus grande partie de l'énergie se concentre réellement dans les vagues "de pointe" dominantes au sein du champ de tempête. Cette distribution nuancée – moins d'énergie dans la queue la plus longue, plus dans le pic principal du spectre – modifie les mécanismes attendus de chargement des structures côtières et les détails fins dans les calculs des impacts des vagues, de la montée du niveau de la mer due aux vagues (wave setup) et de l'érosion côtière.

Leçons de l'histoire : l'hiver 2013/2014 et la tempête Hercules

Pour la comparaison et l'étalonnage des risques, la saison hivernale 2013/2014 est souvent citée, lorsqu'une série de puissants cyclones a frappé l'Atlantique nord-est. Parmi eux, l'épisode connu sous le nom d'"Hercules" s'est distingué, auquel on attribue des vagues de plus de 20 mètres de haut et des dégâts généralisés du Maroc à l'Irlande. À cette époque, des inondations ont touché des parties de la côte atlantique marocaine, des dommages aux installations touristiques et portuaires ont été enregistrés, et les plages irlandaises et françaises ont subi une érosion et le déplacement d'énormes quantités de sédiments. Des études récentes de cette série hivernale montrent comment la combinaison de périodes plus longues, de vagues plus hautes et de la situation synoptique de l'Atlantique crée les conditions pour des événements extrêmes qui durent des jours, et non des heures, de sorte que toute précision supplémentaire dans la prévision est d'une grande valeur pratique.

Comment les satellites "voient" une vague : de l'impulsion à la statistique

La base des produits modernes sur la hauteur des vagues est l'altimétrie radar. Des instruments comme Poseidon-4 sur la mission Sentinel-6 Michael Freilich envoient des impulsions micro-ondes vers la mer et mesurent le temps de retour. La largeur et la forme du signal de retour révèlent la rugosité de la surface, à partir de laquelle la hauteur significative des vagues (une mesure statistique qui décrit la hauteur du "tiers supérieur" des vagues) est calculée, et d'autres paramètres, y compris la vitesse du vent, sont également estimés. SWOT introduit une innovation clé : un radar interférométrique avec deux antennes et un large champ de vision, ce qui permet de cartographier la surface de la mer en deux dimensions et de capturer des longueurs d'onde plus longues que les capteurs précédents manquaient souvent. Cette géométrie crée un lien entre les schémas des vagues et la source de la tempête, ce qui facilite finalement l'attribution et l'alerte précoce.

Quand la houle lointaine devient un problème local

Même lorsqu'une tempête ne s'approche pas de la terre, les longues vagues peuvent causer des dommages. Sur certains types de côtes, en particulier là où la configuration du fond marin et du littoral agit comme un "amplificateur", des vagues avec des périodes de 16 à 22 secondes peuvent produire un déferlement inhabituellement fort, des inondations soudaines des zones basses et des dommages aux jetées, aux brise-lames et aux promenades. Si elles se produisent en coïncidence avec une marée astronomique élevée ou une montée du niveau moyen de la mer, les effets sont multipliés. Les systèmes de protection côtière utilisent donc de plus en plus une combinaison de cartes satellitaires, de mesures provenant de bouées de vagues et de modèles numériques locaux pour émettre des recommandations ciblées : fermetures temporaires des promenades exposées, avertissements aux surfeurs et aux plongeurs, redirection du trafic maritime ou report des travaux sur les structures côtières.

Ce que signifie "hauteur significative des vagues" et pourquoi la période modifie la perception du risque

Dans le langage courant, on parle souvent de "vagues de cinq mètres", mais les experts utilisent généralement la hauteur significative des vagues (Hs) et la période (T). Deux vagues de même hauteur mais de périodes différentes ont un effet mécanique complètement différent sur les structures et la côte. Une période plus longue signifie une vitesse orbitale plus grande des particules d'eau et une pénétration plus profonde de l'énergie des vagues vers le fond, de sorte que le déferlement peut être plus dramatique, avec une plus grande portée horizontale de l'impact de l'eau. C'est précisément la raison pour laquelle les services modernes accordent une grande importance à la prévision de la période et de la direction de la houle, et pas seulement à la hauteur. Dans le contexte du transport maritime, cela signifie également une évaluation différente du confort et de la sécurité de la navigation : les voiliers, les remorqueurs et les grands navires marchands réagissent différemment aux combinaisons de hauteur et de période, de sorte que les itinéraires et les vitesses peuvent être optimisés en fonction du spectre qui "arrive", et pas seulement en fonction de la prévision de vent locale.

De la science au service : comment les observations sont traduites en prévisions

Les données des missions d'altimétrie sont introduites dans des modèles de vagues opérationnels qui sont utilisés quotidiennement dans le transport maritime, la pêche et la gestion côtière. Sentinel-6 fournit une série de référence pour la hauteur de la mer et des estimations fiables de la hauteur significative des vagues et de la vitesse du vent en temps quasi réel, tandis que SWOT et d'autres missions complètent l'image avec des cartes spatiales de la houle. Lorsque ces données sont combinées avec des mesures provenant de bouées, de radars côtiers et de modèles locaux, on obtient une prévision suffisamment précise pour, par exemple, préparer les ports et les compagnies maritimes à l'avance, sécuriser les lieux de travail en mer ou restreindre l'accès aux zones dangereuses sur les plages.

Exemple d'une séquence transocéanique : du Pacifique Nord à l'Atlantique tropical

Le suivi de la tempête "Eddie" a montré comment le cœur énergétique de la tempête s'est transformé en une longue houle qui a parcouru environ 24 000 kilomètres : d'abord vers le sud-est et le sud du Pacifique, puis à travers le passage de Drake, et enfin vers l'Atlantique tropical. Au cours de ce voyage, les vagues sont progressivement "purifiées" : les composantes de vagues plus longues arrivent en premier, les plus courtes sont en retard et se dissipent plus rapidement. En pratique, cela signifie que les autorités dans les régions situées à des milliers de kilomètres de la source peuvent, à partir des cartes satellitaires et des modèles, estimer plusieurs jours à l'avance l'heure d'arrivée et l'intensité de la houle et préparer des mesures côtières, y compris des interdictions temporaires pour les petits navires d'entrer dans les ports sensibles.

Contexte climatique : tendances, mais aussi les limites des statistiques

La question de savoir si la fréquence et l'intensité des grandes tempêtes changent avec le changement climatique est justifiée et fréquente. Grâce aux enregistrements de plusieurs décennies (à partir de 1991), nous pouvons suivre les changements dans le climat des vagues, mais la preuve des tendances dans les extrêmes nécessite des séries très longues car les épisodes les plus violents se produisent rarement, environ une fois par décennie. Les chercheurs combinent donc des séries satellitaires plus longues avec des réanalyses du vent et des mesures régionales pour séparer l'influence du réchauffement climatique de la variabilité naturelle. De plus, la géométrie du fond et la morphodynamique locale de la côte façonnent souvent de manière décisive la situation des vagues à une microlocalisation, de sorte qu'une évaluation distincte de la sensibilité et du risque est nécessaire pour chaque côte.

Leçons pour les projets côtiers, l'énergie des vagues et la sécurité en mer

Pour la conception des murs de protection, des brise-lames et des jetées, mais aussi pour la planification des parcs éoliens offshore et des centrales électriques à énergie houlomotrice, la répartition de l'énergie dans le spectre est un élément clé. Si plus d'énergie est concentrée dans le pic dominant du spectre que dans la très longue queue, les structures et les procédures opérationnelles doivent être adaptées aux épisodes d'impact les plus intenses, et non à la "moyenne". Cela implique des critères différents pour les fermetures temporaires des ports, des zones de sécurité différentes autour des lieux de travail en mer et des procédures plus prudentes pour l'accostage lors des épisodes de longue période. Pour les pêcheurs, les opérateurs touristiques et les organisateurs d'événements sportifs sur les vagues, un signal fiable sur la période et la direction de la houle est souvent plus important que la hauteur elle-même.

Ce qui suit d'ici fin 2025 et au-delà

Au fur et à mesure que les missions se complètent – avec Sentinel-6B qui prend le relais et les survols de routine de SWOT – une cartographie encore plus détaillée de la houle est attendue, y compris des vagues d'une hauteur de quelques centimètres seulement avec des longueurs d'onde allant jusqu'à environ 1400 mètres, que les capteurs précédents manquaient souvent. La vérification continue et multi-missions des modèles dans les extrêmes devrait apporter des prévisions plus précises un jour ou deux à l'avance, mais aussi des statistiques plus fiables pour les décennies à venir : exactement ce dont les communautés côtières et l'industrie maritime ont besoin pour s'adapter aux nouveaux schémas du climat des vagues et aux effets des tempêtes rares, mais extrêmement puissantes.