Origines

Hydrophones et sismomètres sont maintenant déployés à travers le monde depuis

des décennies, et mesurent la moindre oscillation à la surface de le croute terrestre

ou dans l’eau. Ces données bénéficient à une large communauté de scientifiques. Elles

sont intéressantes à plusieurs titres : variétés d’emplacements (la plupart des océans

sont maintenant échantillonnés), périodes couvertes (depuis la fin du XIX`eme siècle) et

mise à disposition en libre accès, particulièrement sur le site de l’IRIS (Incorporated

Research Institutions for Seismology) ou du réseau GEOSCOPE.

Du point de vue de l’étude des vagues, l’intérêt de ces données est à trouver dans

le bruit de fond permanent qu’elles contiennent. Un hydrophone mesure les

fluctua-tions de pression dans l’eau où il est déployé. Un sismomètre quant à lui mesure les

caractéristiques du mouvement de la croute terrestre sur laquelle il repose (accélération,

vitesse ou déplacement dans les trois directions d’espace généralement). Bien que tous

deux ne mesurent pas les mêmes grandeurs physiques, et par conséquent les mêmes

types d’ondes (sismiques ou acoustiques), le signal qu’ils recueillent habituellement est

toujours entaché d’un même type de bruit.

Un exemple de spectre de bruit de fond est présenté en figure 6 de la publication de

Duennebier et al. [51]. Celui-ci est issu d’un hydrophone déployé au fond de l’eau par

approximativement 4200 m de profondeur, au large d’Hawaï. Les spectres sont classés

par vitesse de vent en surface, croissante du bleu au rouge. Sur une large gamme de

fréquences, plus le vent souffle, plus le niveau du bruit de fond croît. Ceci est vrai

sur presque toute la gamme de fréquences de 10 mHz à 10 kHz, à l’exception peut être

du bruit autour de 2 Hz qui sature (ne dépend plus du vent) au-delà de 6 m·s−1. La

vitesse du vent semble être le paramètre d’un spectre universel de bruit. En particulier,

ce spectre présente un pic entre 0.2 et 0.3 Hz puis une décroissance forte vers un spectre

de bruit quasi-blanc au-dessus de 10 Hz. Bien que le déferlement des vagues soit une

source avérée de fluctuations de pression dans la colonne d’eau, notamment via la

production de bulles [54, 109, 48] et l’oscillation des nuages qu’elles forment [125], la

plage de fréquences en-dessous de 10 Hz n’a jamais été mentionnée comme étant affectée

par de telles sources.

Ailleurs sur Terre, dans les océans comme sur les continents, les spectres de bruit

acoustique et sismique présentent de nombreuses similarités avec cet exemple [128,

29], en particulier l’universalité de la présence de ce même pic, toujours autour des

mêmes fréquences. Les sismologues l’ont appelé pic secondaire, en complément du pic

primaire, presque tout aussi universel, généralement moins énergétique et localisé à

des fréquences plus basses. On laissera de côté ce dernier pour ne nous intéresser qu’à

des bruits de fréquences approximativement supérieures à 0.2 Hz. Pour désigner ces

oscillations permanentes du fond de l’océan, on parle souvent de micro-séismes, par

rapport à l’amplitude typique des déplacements de la croute terrestre qui leur sont

associés. L’accroissement de leur énergie avec la proximité géographique d’un océan

renforce l’hypothèse de sources océaniques [159]. En particulier, la hauteur du pic

micro-sismique est plus importante au niveau des stations insulaires et côtières qu’au niveau

des stations à l’intérieur des continents. Ce qui pour certains ne constitue qu’un bruit,

constitue pour d’autres un signal dont de l’information peut être extraite.

Le lien entre micro-séismes et activité des vagues en surface était déjà connu au

sismo-mètres modernes. Parmi les précurseurs, Bernard [30] propose d’utiliser les

enregistre-ments d’activité micro-sismique pour prédire l’arrivée de tempêtes en Afrique du Nord,

avant de remarquer que ce bruit se produisait au double de la fréquence de la houle

locale [31]. Pour la plupart des spécialistes de l’époque, les fluctuations de pression

basse fréquence, associées au passage des vagues en surface, sont pratiquement

indé-tectables en-dessous d’une profondeur d’une longueur d’onde typiquement. Ces mêmes

fluctuations sont utilisées encore de nos jours pour mesurer le spectre en fréquence des

vagues. Le passage d’une vague sinusoïdale au-dessus d’un hydrophone génère en effet

des fluctuations de pression à la même fréquence que ce train d’ondes. Cette vision

ne permet pas d’expliquer les mesures de la figure ??, prises par plus de 4000 m de

profondeur, soit une profondeur de l’ordre de 10 fois la longueur d’onde des vagues

dominantes, à laquelle aucun signal n’est attendu. Pour trouver l’explication de ces

mouvements, il faut attendre le calcul de Miche [120], qui prouve l’existence d’ondes

quasi-stationnaires de très grande longueur bien que d’amplitudes très faibles. Le lien

avec la mesure de fluctuations de pression est ensuite fait par Longuet-Higgins [111]

qui, dans un papier fondateur, établit les bases de la théorie actuelle en attribuant ces

oscillations aux interactions non-linéaires entre trains d’ondes contra-propagatifs. Ces

interactions produisent une oscillation quasi-stationnaire (k '0) de la colonne d’eau au

double de la fréquence des vagues dont elles sont issues, comme cela est observé en

fi-gure??. L’explication de Longuet-Higgins prévaut toujours actuellement, et ses travaux

ont fait l’objet de nombreuses améliorations et extensions dans les années qui ont suivi

[71, 7, 8, 89, 65]. C’est ce mécanisme qui est, toujours de nos jours, considéré comme

meilleur candidat à l’explication des ondes de compression observées dans la bande de

fréquences autour du pic secondaire, c’est-à-dire approximativement de 0.1 à 1 Hz [12].

supposé par Farrell et Munk [57], sans toutefois qu’on dispose de preuve expérimentale

directe de la validité de cette hypothèse.