Ondes de Rossby et de Kelvin

Si William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin, né à Belfast en 1824, est célèbre pour avoir introduit le « zéro absolu » de l’échelle de température correspondant à l’absence absolue d’agitation thermique, ce physicien britannique n’en est pas moins reconnu pour ses travaux en dynamique des fluides. Kelvin conceptualisa en 1879 l’existence d’une onde océanique qui résulte à la fois de la force de Coriolis due à la rotation de la terre et de la réaction contre une limite topographique comme un littoral. Les ondes de Kelvin ont également la propriété d’être piégées le long de l’équateur, en raison de l’annulation de la force de Coriolis, et se propagent vers l’est. Ce même phénomène se produit dans l’atmosphère.

Une caractéristique très importante d’une onde de Kelvin est qu’elle est non dispersive[i], c’est à dire que sa vitesse de phase c est constante, ne dépendant pas de la longueur d’onde: elle varie entre 2,3 m/s et 2,8 m/s selon les océans pour le premier mode barocline. Dans un milieu stratifié, les différents modes baroclines résultent en effet de l’oscillation d’interfaces au contact de couches de différentes densités, produisant des ondes dont la vitesse de phase décroît avec la profondeur de l’interface: la vitesse maximale correspond au premier mode barocline, c’est à dire à l’oscillation de la thermocline.

Carl-Gustaf Arvid Rossby, né à Stockholm en 1898, météorologue d’origine suédoise, puis naturalisé américain, fut le premier à avoir expliqué les mouvements à large échelle de l’atmosphère grâce à la mécanique des fluides. Dans les années 20, il étudia l’hydrodynamique, la circulation générale des océans et l’atmosphère. Autant les ondes de Rossby sont faciles à observer dans l’atmosphère car elles forment les méandres à grande échelle du courant-jet aux moyennes latitudes, les ondes océaniques n’ont pu être observées qu’à l’avènement de l’océanographie satellitaire, bien que conceptualisées dès les années 30. Egalement connues sous le nom d’ondes planétaires car elles doivent leur origine à la forme et à la rotation de la terre, c’est la grande différence entre l’échelle horizontale (de l’ordre de centaines, voire plusieurs milliers de kilomètres) et verticale (quelques centimètres) de ces vagues qui les rend si difficiles à observer. En outre, très souvent, elles prennent la forme d’ondes solitaires (avec une seule crête ou un seul creux).

Une autre caractéristique importante est que les ondes de Rossby sont également piégées par l’équateur mais, contrairement aux ondes de Kelvin, elles se propagent vers l’ouest ou de manière cyclonique le long des gyres sous-tropicaux. Leur vitesse de propagation, de quelques m/s, diminue quand la latitude augmente. Cela signifie que sous les latitudes moyennes l’onde peut prendre plusieurs mois – voire des années – pour traverser l’océan Pacifique. Les solutions des équations du mouvement des ondes de Rossby pour les basses fréquences et les grandes longueurs d’onde sont non dispersives, d’où la propension de ces ondes à traverser les océans sans déformation.

Glossaire

[i] Ondes non dispersives

Elles sont telles que la vitesse de phase de la crête de l’onde est égale à la vitesse de groupe de l’énergie transportée par l’onde, et ceci pour toutes les fréquences (ou toutes les longueurs d’onde). Cela signifie que l’onde se propage sans déformation.

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