Beach and Coastal Structure Impacts of Infragravity Waves During the Late December 2023 Swells in Southern California

L'océan est rarement calme, même lorsque la surface semble paisible. Alors que la plupart des gens considèrent les vagues comme les rouleaux rythmiques, poussés par le vent, qui s'écrasent sur une plage, la mer contient également un mouvement caché et plus lent qui se déplace sous la surface. Les scientifiques appellent ces ondulations longues et roulantes des « ondes d'infragravité ». Contra�à ces vagues de vent familières qui se brisent toutes les quelques secondes, ces ondes plus lentes peuvent mettre de quelques minutes à une demi-heure pour passer en un seul point. Elles sont souvent invisibles à l'œil nu car elles ne ressemblent pas à de l'eau qui s'écrase ; au contraire, elles agissent comme un plancher qui monte et descend lentement, soulevant toute la surface de l'océan. Lorsqu'une tempête massive envoie une houle puissante vers la côte, ces ondes lentes peuvent se retrouver piégées dans les baies et les ports, accumulant de l'énergie comme de l'eau dans une baignoire que l'on secoue. Cette énergie peut soudainement pousser le niveau de l'eau bien plus haut que prévu, permettant aux vagues de tempête plus rapides et plus destructrices de chevaucher ce plancher surélevé pour atteindre l'intérieur des terres, provoquant des inondations et de l'érosion que les prévisions standards pourraient manquer.

Fin décembre 2023, une puissante tempête dans le Pacifique Nord a envoyé une houle massive vers le sud de la Californie, créant un cas d'étude parfait pour comprendre comment ces vagues cachées se comportent. Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques de l'U.S. Army Corps of Engineers et de l'Université de Californie du Sud, s'est lancée dans une enquête pour comprendre pourquoi cette tempête spécifique a causé des dommages aussi spectaculaires et inattendus le long du canal de Santa Barbara. Ils voulaient savoir si les ondes lentes à longue période étaient responsables de la transformation d'une grande tempête en une catastrophe localisée. En combinant les données de bouées offshore, de marégraphes, de vidéos et de simulations informatiques détaillées, l'équipe a reconstitué l'histoire de la façon dont l'énergie de l'océan profond a voyagé dans le port, amplifiée par la forme du littoral, et a abouti à une vague scélérate soudaine qui a inondé une rue et remodelé la plage.

La tempête, qui a frappé du 28 au 31 décembre 2023, faisait partie d'un schéma météorologique plus large associé aux conditions El Niño. Bien que les vagues aient été importantes, elles n'étaient pas les plus grandes jamais enregistrées en haute mer au large des côtes de la Californie. Cependant, une fois que la houle a atteint la géographie complexe du canal de Santa Barbara, la situation a changé. Le canal est un bassin long et incurvé, protégé par des îles et des pointes de terre, ce qui provoque la courbure, la réflexion et la focalisation des vagues dans des zones spécifiques. Les chercheurs ont découvert que si les vagues en pleine mer étaient significatives, le véritable danger venait de ce qui s'est passé ensuite. À mesure que les vagues de tempête entraient dans le canal, elles généraient une forte impulsion d'énergie d'infragravité. Cette énergie n'arrivait pas sous la forme d'une vague unique, mais comme une oscillation rythmique soutenue du niveau de l'eau qui durait des heures.

L'indice le plus frappant de ce phénomène s'est produit dans la ville de Ventura le matin du 28 décembre. Vers 10h50, alors que la marée était haute, une énorme « vague scélérate » a soudainement déferlé sur la plage et un muret de béton bas. Ce n'était pas une vague de déferlement typique ; c'était une poussée d'eau soudaine et puissante qui a inondé un parking et une rue à proximité, atteignant des profondeurs d'environ un mètre au-dessus de la chaussée. Les vidéos de témoins oculaires et les relevés post-tempête ont montré que l'eau avait jailli à une hauteur de 5,5 mètres au-dessus du niveau normal de l'eau. Les chercheurs ont noté que cet événement était hautement localisé ; alors que tout le littoral était malmené, cet endroit précis a été frappé avec une force qui semblait disproportionnée par rapport à la hauteur des vagues au large. Le moment de cet événement coïncidait avec une période d'énergie intense à basse fréquence dans le port, suggérant que les ondes lentes avaient accumulé suffisamment de quantité de mouvement pour soulever le niveau de l'eau, permettant aux vagues de tempête de franchir le muret avec un effet dévastateur.

Pour comprendre comment cela s'est produit, l'équipe a examiné les données des marégraphes dans les ports de Santa Barbara et de Ventura. Ils ont utilisé une méthode qui décompose le mouvement de l'eau en différentes vitesses, révélant que les ports vibraient selon des rythmes naturels spécifiques. C'est similaire à la façon dont une note spécifique peut faire éclater un verre, mais dans ce cas, l'océan résonnait avec les ondes lentes et longues. L'analyse a montré que les ports amplifiaient des ondes ayant des périodes comprises entre 16 et 21 minutes. Lorsque l'énergie de la tempête correspondait à ces rythmes naturels, le niveau de l'eau dans le port commençait à osciller avec une intensité croissante. À Ventura, cette amplification a créé un « point chaud » où l'eau était constamment poussée de plus en plus haut, préparant le terrain pour la vague scélérate.

Les dommages physiques sur le terrain ont confirmé la puissance de ces interactions. Après la tempête, les chercheurs ont inspecté le littoral et ont constaté que la plage avait reculé d'environ 25 mètres par endroits, avec une falaise de sable abrupte de deux mètres de haut creusée dans les dunes. Cette érosion n'était pas seulement due au déferlement des vagues de vent ; elle était pilotée par les niveaux d'eau élevés et soutenus causés par les ondes d'infragravité, qui maintenaient l'eau contre les dunes pendant des périodes prolongées, emportant le sable qui aurait autrement été en sécurité. Les dommages s'étendaient également aux structures du port. La digue de protection offshore, un mur de grosses pierres conçu pour protéger le port, a subi des dommages importants. De grosses pierres ont été déplacées et la pente de la structure est devenue dangereusement raide. Les chercheurs ont observé que, bien que les ondes d'infragravité elles-mêmes n'aient pas brisé les rochers, elles avaient élevé le niveau de l'eau suffisamment pour permettre aux vagues de tempête plus petites et plus rapides de frapper des parties du mur habituellement épargnées, les usant ainsi au fil du temps.

À l'aide d'un modèle informatique sophistiqué, l'équipe a simulé la tempête pour voir comment les vagues interagissaient avec la forme du port. Ils ont testé des vagues de différentes longueurs pour voir lesquelles causeraient le plus de problèmes. Le modèle a confirmé que le canal de Santa Barbara possède des modes de résonance spécifiques, ou fréquences naturelles, qui peuvent piéger et amplifier les ondes longues. Lorsqu'ils ont simulé les conditions réelles du 28 décembre, le modèle a montré que des vagues avec une période d'environ 120 secondes concentraient l'énergie précisément à l'emplacement de la vague scélérate. Cette simulation a suggéré que la vague scélérate était le résultat d'une « tempête parfaite » de conditions : une marée haute, une forte houle de tempête et un rythme spécifique d'onde longue amplifiée qui concentrait l'énergie sur ce segment particulier du littoral.

L'étude a également souligné que toutes les parties du littoral ne réagissent pas de la même manière. Alors que le canal de Santa Barbara a connu des conditions records, des zones proches comme la baie de Santa Monica ont été largement épargnées par le pire de l'événement parce que la forme du littoral et la direction des vagues les ont protégées. Cette conclusion est cruciale pour la sécurité côtière. Elle suggère que les événements de vagues extrêmes ne sont pas uniformes ; une tempête qui est dangereuse dans un port peut être inoffensive dans un autre situé à quelques kilomètres de là. Les chercheurs ont insisté sur le fait que se fier uniquement à la hauteur des vagues en pleine mer ne suffit pas pour prédire les risques côtiers. Les ondes lentes à longue période peuvent transformer une tempête gérable en une catastrophe locale en soulevant le niveau de l'eau et en permettant aux vagues de pénétrer plus loin à l'intérieur des terres qu'on ne l'aurait supposé.

Enfin, cette recherche offre une image plus claire de la vulnérabilité des communautés côtières face à des forces qu'elles ne peuvent pas toujours voir. Les ondes d'infragravité ont agi comme un amplificateur caché, transformant une forte houle en une inondation localisée et un événement d'érosion. En identifiant les rythmes spécifiques qui provoquent la résonance des ports, les scientifiques peuvent mieux prédire quand et où ces conditions dangereuses pourraient se produire. Ce travail ne prétend pas avoir résolu le problème de l'érosion côtière, mais il offre une pièce essentielle du puzzle : comprendre que les rythmes lents et profonds de l'océan peuvent être tout aussi destructeurs que les vagues visibles et déferlantes. Pour les résidents de Ventura et d'autres villes côtières, cela signifie que les futurs plans de sécurité doivent tenir compte de ces ondes à longue période, en veillant à ce que les murs de protection et les plages soient conçus pour résister non seulement à la hauteur de la tempête, mais aussi au plancher montant et caché de l'océan sous-jacent.