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L'océanographie physique, c'est l'étude des mouvements dans les océans, à toutes les échelles, des courants océaniques, jusqu'aux vagues en passant par les courants côtiers et les courants de marée.
- Le son se propage bien sous l'eau
Le son et la lumière ont des comportements très différents, bien que tout deux puissent être considérés comme des ondes. La lumière, composée d'énergie électromagnétique, se propage mieux dans le vide, et en général de moins en moins bien dans les milieux de densité croissante. Le son est constitué d'énergie acoustique due aux vibrations du milieu parcouru. En général le son se propage mieux dans les solides et les liquides que dans les gaz, et pas du tout dans le vide.
Les longueurs d'onde couramment rencontrées dans l'océan s'étendent du millimètre à environ 50 mètres. La vitesse du son dans l'eau étant approximativement égale à 1500 m.s-1, cela correspond à des fréquences de 30 Hz à 1,5 Mhz (la limite audible pour l'homme est de 20 Khz).
Le son se propage particulièrement bien sous l'eau, l'atténuation due à l'absorption et à la diffusion est beaucoup plus faible que pour les ondes électromagnétiques. Les ondes acoustiques constituent le meilleur moyen de transmission sous l'eau.
La diffusion, due à la réflexion du son par les particules en suspension et les bulles d'air est pratiquement indépendante de la fréquence. L'absorption due à la conversion d'énergie acoustique en chaleur et énergie chimique dépend par contre fortement de la fréquence. Aux hautes fréquences l'absorption est principalement due à la viscosité de l'eau, alors qu'aux basses fréquences, elle est due à la relaxation de l'acide borique B(OH)3 et du sulfate de magnésium MgSO4. Le processus de relaxation consiste en l'absorption d'énergie par changement de structure moléculaire au passage de l'onde acoustique et conduit à la dissociation des molécules et hydratation des ions (figure 3.13).
- La vitesse du son
La vitesse de propagation des ondes acoustiques est donnée par :
La vitesse du son peut être obtenue à partir de l'équation d'état de l'eau de mer (IES 80), mais il existe de nombreuses formules simplifiées. A titre d'exemple on donne la formule suivante :
c vitesse du son en m.s-1, 7 température en °C, S salinité, p la pression en Pa.
En général on considère que la pression est hydrostatique, ce qui permet de remplacer dans la formule précédente le dernier terme par 0,016 z ( z la profondeur en m).
A T = 0 °C, S = 35 , z = 0, on trouve c = 1449,2 m.s-1 Dans ces conditions, la vitesse du son augmente d'environ :
- 4,5 m.s-1 par °C,
- 1,3 m.s-1 par unité de salinité,
- 16 m.s-1 par 1000 m.
Comme le montre la figure 3.14, dans les couches supérieures de l'océan la température varie fortement et est la première cause de variation de la vitesse du son. En profondeur c'est la pression. Les variations de la salinité, généralement faibles, ont peu d'effet.
La diminution de la température et l'augmentation de la pression avec la profondeur ont des effets inverses et conduisent généralement au profil caractéristique de la vitesse du son de la figure 3.14 avec un minimum au voisinage de 1000 m.
- Propagation des ondes acoustiques
Lorsqu'une onde acoustique se propage dans l'eau de mer, elle est soumise à de multiples réfractions au fur et à mesure que la densité de l'eau varie. Ces réfractions peuvent êtres mises en évidence en suivant un " rayon " émis dans une direction et constamment perpendiculaire au front de l'onde. Un exemple est donné figure 3.15 pour un profil de vitesse du son présentant un minimum à 900 m de profondeur dans un milieu homogène horizontalement. Le rayon en se propageant est systématiquement dévié vers la zone pour laquelle la vitesse du son est la plus faible. On constate dans ce cas un phénomène de guide d'ondes, au voisinage du minimum.
Dans certains cas, le profil de vitesse du son peut présenter un maximum local, par exemple dans le cas d'une couche de surface bien mélangée (température constante sur plusieurs dizaines de mètres). Les rayons acoustiques sont alors déviés vers la surface dans la partie supérieure, et vers le fond dans la partie inférieure. Il existe une " zone d'ombre " jamais atteinte par les rayons (figure 3.16).
