Eau, Terre, Lune, Soleil et marées

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Les marées peuvent être considérées comme des ondes de très faibles fréquences (et donc de très grande longueur d’onde) car elles se produisent une à deux fois par jour suivant les régions.

 

 

 

La force centrifuge plaque l'eau au fond de la bouteille

La forme du récipient et sa profondeur influe sur les ondes qui s'y propagent

 

 

D’où viennent les marées ?

 

Si la Terre était isolée dans l’espace, seule la gravité agirait sur l’épaisseur de la couche d’eau qui la recouvre (Quant à la rotation de la Terre sur elle-même, elle ne joue pas sur l’épaisseur de cette couche d’eau mais sur sa circulation autour du globe.


 

 

Si la Terre était seule dans l’espace…

Si la Terre était seule dans l’espace…

 

Mais ce n’est pas le cas. La Terre est un élément du système solaire et possède un satellite : la Lune.


Elle subit donc une influence gravitationnelle permanente, de tous côtés, et la de la part de l’ensemble des corps qui l’entourent, qu’ils soient proches ou très éloignés, massifs ou ridiculement petits.


Cette attraction est fonction de la masse des objets, mais diminue rapidement avec la distance (en fait elle diminue comme la carré de la distance, c'est-à-dire qu’un objet de même masse mais dix fois plus éloigné aura une influence cent fois inférieure). Cela explique pourquoi dans le cas des marées sur Terre, la Lune et le Soleil ont les influences les plus importantes.


La force d’attraction qu’exercent l’un sur l’autre deux corps dépendra de leur masse :

  • Pour des objets de masses égales, l’influence sera équilibrée
  • Mais si les masses sont très différentes, l’objet de plus petite masse ressentira d’autant plus fortement cette attraction.
    C’est pourquoi une pomme tombe vers le centre de la Terre. La Terre ressent également l’attirance de la pomme mais tellement faiblement par rapport à sa masse que cet effet est difficilement discernable.


 

 

Loi de l’attraction universelle de Newton

Loi de l’attraction universelle de Newton

 

La Lune a une masse très inférieure à celle du soleil, mais est beaucoup plus proche de la Terre.

Son influence est finalement deux fois supérieure : le Soleil compte pour un tiers dans les effets de marée, et la Lune pour deux tiers. Nous allons voir dans les chapitres suivants que ce n’est pas si simple que cela et que de nombreux facteurs entrent en compte dans la prédiction des marées.


Pour comprendre l’influence des marées, il faut prendre en compte l’influence de ces deux corps pourtant si différents.


 

 

 

Influence gravitationnelle de la Lune et du Soleil


La force de l’attraction et la direction varient en fonction de l’endroit où l’on se trouve sur le globe terrestre :

  • Elle est toujours dirigée vers la lune
  • Sa puissance diminue avec l’éloignement : les points sur la face du globe opposée à la Lune subissent une attraction moindre que les points sur la face côté Lune


 

La force d’attraction varie en fonction de la position sur le globe terrestre

La force d’attraction varie en fonction de la position sur le globe terrestre


Une autre force entre en jeu et contrecarre l’influence gravitationnelle de la Lune car si l’on considère habituellement que la Lune tourne autour de la Terre, c’est une simplification du comportement réel du système Terre / Lune.


Non seulement la Lune tourne autour de la Terre, mais l’ensemble Terre/Lune tourne autour du centre de masse de ce système, c'est-à-dire que le centre de la Terre ne reste pas au centre du système.


Cette notion est importante car elle implique qu’une force centrifuge existe au niveau de la Terre, dans le sens opposé à la direction de la Lune. Comme dans l’Expérience 97, le système en tournant repousse l’eau vers l’extérieur.


 

 

Centre de masse du système Terre  Lune

Centre de masse du système Terre / Lune

 

La Terre tournant autour du Soleil, elle subit également une force centrifuge dans la direction opposée au Soleil.


Le phénomène des marées est la résultante de la combinaison de l’ensemble de ces forces :

  • Force centrifuge dans la direction opposée à la Lune
  • Attraction de la Lune
  • Force centrifuge dans la direction opposée du Soleil
  • Attraction du Soleil


Si les phénomènes de marées sont aussi variés, c’est parce que la combinaison de ces forces est elle-même très variable :

  • La distance Terre /Lune varie, faisant varier la force d’attraction
  • L’inclinaison de la lune avec le plan de l’écliptique (plan sur lequel la Terre tourne autour du Soleil) varie
  • La Terre tourne autour du soleil en environ 365 jours ¼.


En simplifiant, et en ne prenant que le système Terre / Lune, deux marées sont présentes à chaque instant :

  • Une du côté face à la Lune : la force d’attraction est supérieure à la force centrifuge
  • Une du côté opposé à la Lune : la force centrifuge est supérieure à la force d’attraction

 

 

A chaque instant, une marée de chaque côté de la Terre dans l’axe de la Lune

A chaque instant, une marée de chaque côté de la Terre dans l’axe de la Lune


Un point du globe autour de l’équateur subit deux marées de pleine mer et deux marées de basse mer par jour :

  • Les marées zénithales sont celles ressenties quand la lune est du côté de ce point (gros ventre)
  • Les marées nadirales sont celles ressenties quand la lune est de l’autre côté du globe (petit ventre)


C’est pour toutes ces raisons que l’on doit considérer les marées comme étant une onde et non un effet de l’attraction sur chacune des molécules d’eau. Si le mouvement de l’eau était lié à l’attraction unitaire de chaque molécule d’eau, il faudrait que chaque molécule soit dotée d’une vitesse impossible à atteindre pour que le phénomène se produise.

C’est donc bien une onde qui circule en permanence autour de la Terre et qui représente l’effet de marée.


Pourquoi certaines marées sont-elles plus fortes que d’autres ?

 

La Lune tournant autour du soleil, elle se trouve dans deux situations extrêmes (et entre les deux dans des phases de transition) :

  • Lors de l’alignement Terre / Soleil / Lune (syzygie), les forces liées au soleil et celles liées à la lune se conjuguent pour donner les marées les plus fortes : marées de vives-eaux
  • Lorsque les alignements Terre/Lune et Terre/Soleil sont perpendiculaires (quadrature), les forces se contrecarrent et ce sont les marées les plus faibles : marées de faibles-eaux

 

 

Variation des marées en fonction des alignements Soleil / Terre / Lune

Variation des marées en fonction des alignements Soleil / Terre / Lune

 


Quelle est la durée séparant deux marées ?


La Terre tournant sur elle-même en 24h, chaque point sur le globe proche de l’équateur devrait connaître une marée toutes les 12 heures. Alors pourquoi ce délai est-il en fait de 12h25’ ?


Tout simplement parce que la Lune tourne autour de la Terre pendant que la Terre tourne sur elle-même. Comme la Lune a avancé sur son orbite, elle ne repassera dans l’axe d’un point qu’après 12h25’, les 25’ correspondant au déplacement de la Lune autour de la Terre.


 

 

La durée entre deux marées est de 12h25’ et non de 12h

La durée entre deux marées est de 12h25’ et non de 12h

 

L’amplitude des marées varie au cours de l’année

 

La Terre décrit une orbite elliptique autour du soleil. Ce faisant, la distance de la Terre au Soleil varie ce qui modifie l’influence du soleil sur les marées.


Il en va de même pour la Lune dont l’orbite est également elliptique et qui chaque mois s’éloigne et se rapproche de la Terre.


Même si mathématiquement ces orbites sont elliptiques, elles sont assez proches de cercles car leurs excentricités sont limitées. Les variations de distance (4 millions de km pour le soleil, soit 2,5%, et 40 000 km pour la Lune, soit 10%) restent faibles par rapport à l’ensemble, mais non négligeables.


Si ces variations ne modifient pas drastiquement l’amplitude des marées, elles apportent tout de même une complexité supplémentaire dans leur prédiction.


 

 

L’amplitude des marées varie avec la course de la Terre autour du Soleil

L’amplitude des marées varie avec la course de la Terre autour du Soleil


Les marées d’une même journée n’ont pas souvent la même amplitude

 

Tout serait simple si le Soleil, la Lune et la Terre orbitaient tous en permanence dans le même plan.


Mais les explications présentées ci-dessus sont plus complexes dans la réalité car Terre / Lune / Soleil ne se retrouvent dans le même plan que quelques fois par an seulement.


Le reste du temps, le plan des orbites n’étant pas le même, les deux marées de la journée ne se ressemblent pas et l’une est nettement plus importante que l’autre :

  • Une sera proche de la partie forte du renflement du ventre
  • Et la seconde sera dans une partie plus faible du renflement

 

Importance de la déclinaison du Soleil et de la Lune dans les marées

Importance de la déclinaison du Soleil et de la Lune dans les marées


Marées d’équinoxe

 

La Terre orbite autour du soleil. Mais sur cette orbite, l’axe Nord-Sud de rotation n’est pas totalement vertical : il est incliné de 23,26°.


Cela permet de déterminer deux plans différents :

  • Le plan de l’écliptique : le plan dans lequel se fait l’orbite de la Terre autour du Soleil
  • Le plan équatorial : le plan qui passe par l’équateur de la Terre et qui fait un angle de 23,26° avec le plan de l’écliptique


 

 

Plan de l’écliptique et plan équatorial

Plan de l’écliptique et plan équatorial


Comme l’axe de rotation la Terre n’est pas vertical, lors de son périple autour du soleil, la Terre ne montre pas toujours la même inclinaison au Soleil. C’est ce phénomène qui fait que les saisons sont inversées dans l’hémisphère nord et l’hémisphère sud.


Par conséquent, le plan de l’équateur ne présente pas non plus la même inclinaison au soleil :

  • Aux équinoxes, l’axe entre la Terre et le Soleil passe exactement par un point de l’équateur
  • Aux solstices, lorsque la Terre est à l’extrême de sa course sur son orbite, l’inclinaison vue du Soleil est maximale. L’axe Soleil-Terre ne passe pas par un point de l’équateur sur la face de la Terre visible depuis le Soleil.


Si l’axe de rotation de la Terre était vertical et pas incliné, il n’y aurait pas d’équinoxe, pas de plan équatorial et pas de saisons : le Soleil serait en permanence à la verticale de l’équateur terrestre.


 

 

Equinoxes et solstices

Equinoxes et solstices


Le positionnement de l’orbite lunaire est fixe par rapport à la Terre, avec un angle de 5° par rapport à l’orbite de la Terre autour du Soleil.


Tout comme l’équateur Terrestre, l’inclinaison de l’orbite lunaire vue du soleil varie tout au long de l’année.


 

 

Inclinaison de la Lune par rapport à la Terre

Inclinaison de la Lune par rapport à la Terre


D’un point de vue des marées, l’influence Soleil-Lune va donc varier en fonction de cette inclinaison pour atteindre des maximums aux deux équinoxes : les ventres créés par le Soleil et la Lune seront alors complémentaires. On parle alors de marées d’équinoxe.


La conjonction maximale pourra être atteinte lorsque la pleine lune ou la nouvelle lune tombent aux équinoxes. L’alignement Terre-Soleil-Lune se fait alors sur un même plan conjuguant l’attraction à son maximum. On parle dans ce cas de grandes marées d’équinoxes.


 

 

Influence des équinoxes sur les marées

Influence des équinoxes sur les marées


Marées diurnes, semi-diurnes et autres


L’Expérience 98 montre la diversité que peuvent prendre les marées à la surface de la Terre.


Le marnage est la différence de hauteur d’eau entre une pleine mer et une basse mer successives. Il peut atteindre plusieurs mètres (16 dans la baie de Fundy au Canada) ou quelques centimètres (40 en moyenne en Méditerranée).


Si la puissance théorique de la marée dépend de la force cumulée ou non de l’attraction du Soleil et de la Lune, la forme qu’elle prendra et sa fréquence ne dépendent que de l’environnement local.


Plusieurs facteurs entrent en compte dans la forme de la marée.

  • La forme du relief océanique : la côte bretonne donne sur un long plateau continental alors que les côtes d’Hawaï sont très abruptes
  • L’encaissement du bassin qui subit la marée : la mer Méditerranée est soumise à des marées comme l’océan atlantique, mais comme elle est presque fermée, la liberté de mouvement est moindre. De plus les ondes interfèrent et limite l’importance des déplacements.
  • La profondeur du bassin : La baie du Mont Saint-Michel est peu profonde, permettant à la marée de monter rapidement. Le marnage est toutefois proche des treize mètres et l’écluse du port de Granville mesure presque 18 mètres de haut !
  • Les conditions météorologiques : Le vent peut pousser la marée plus loin que d’habitude, et ralentir son retrait. Les basses pressions permettent des marées sensiblement plus hautes, et inversement pour les hautes pressions.


 

 

Facteurs locaux qui modifient la forme de la marée

Facteurs locaux qui modifient la forme de la marée

 

Même si l’on a vu précédemment que la position de la Lune et du Soleil apportent les conditions nécessaires à deux marées par jour à chaque endroit de la Terre, les conditions locales définissent les rythmes réels :

  • Le rythme semi-diurne est le plus classique, correspondant à deux marées par jour comme expliqué précédemment
  • Le rythme diurne variable comme dans le golfe du Mexique
  • Le rythme diurne fixe comme dans les îles du Pacifique : la marée ne suit que le rythme du Soleil et ne dépend pas de la Lune
  • Un rythme parfois diurne, parfois semi-diurne, comme à Fort de France, en Martinique


Les grands lacs sont également sujets aux marées. Le lac Léman subit des variations de plusieurs centimètres.

 


La marée avance et n’est pas la même partout au même moment

 

La marée dans la Manche a un comportement un peu particulier lié à la structure en couloir du passage entre la France et l’Angleterre. Elle met presque 8h pour passer de Brest à Dunkerque, largement décalée par rapport à la marée naturelle.

 

 

La marée dans la Manche

La marée dans la Manche

 


Lignes cotidales et points amphidromiques

 

On a longtemps supposé que la marée était un mouvement uniforme d’Ouest en Est, et qu’elle était formée d’une vague unique.


Il a fallu attendre la fin du 19ème siècle pour que les notions de lignes cotidales et de points amphidromiques apparaissent.


Les ondes de marée varient en fonction de la présence de continents, de la profondeur, et sont aussi perturbées par les forces de Coriolis qui les font dévier : le mouvement ne peut pas donc être global ni uniforme.


Il existe des zones ou le marnage est égal, et que l’on peut tracer tout comme l’on trace des courbes d’altitudes.

Ces lignes se recoupent à différents points amphidromiques où le marnage (différence entre haute mer et basse mer est nulle). Les ondes de marée radient les ondes de marée.


 

 

Lignes cotidales et points amphidromiques dans la Mer du Nord

Lignes cotidales et points amphidromiques dans la Mer du Nord


Les marées ne déplacent pas que les volumes d’eau

 

Sur Terre l’effet le plus visible de l’attraction de la Lune est du Soleil est le mouvement régulier des marées sur les océans.


Mais l’attraction se fait également sur la croûte terrestre. Même si le mouvement est moins visible, le manteau rocheux se déplace de plusieurs dizaines de centimètres à chaque marée.


Et ce phénomène ne concerne pas que la Terre, mais tous les systèmes à plusieurs corps de tailles inégales.


Les effets de marée ont même des effets très visibles sur certains corps car sous les contraintes exercées, il sont brisés ou déformés. Quelques exemples :

  • Les corps trop importants qui pourraient se former par accrétion dans les anneaux de Saturne, ou qui seraient capturés, sont rapidement disloqués par les effets de marée de la volumineuse planète
  • Les comètes sont éclatées au passage des planètes géantes
  • Les satellites autour des planètes géantes sont déformés ou voient leur activité interne multipliée


La distance minimale à laquelle un objet d’une certaine taille et masse peut s’approcher d’un corps plus massif sans être disloqué par les effets de marée est appelée limite de Roche.

 

 

 

Les forces de marée ne concernent pas que l’eau

Les forces de marée ne concernent pas que l’eau


A ces effets destructeurs, il faut ajouter quelques effets plutôt inattendus et souvent bénéfiques :

  • La rotation de la Terre est freinée par les marées : il y a 400 millions d’année, la Terre tournait en environ 22 heures
  • Cela entraîne également l’éloignement progressif de la Lune de 3cm par an
  • Mais la Terre a également ralentit la Lune qui a maintenant une rotation synchrone avec la Terre, lui présentant tout le temps la même face. La majorité des satellites en orbite autour des corps massifs du système solaire ont une rotation synchrone (Phobos et Deimos autour de Mars ; Io, Europe, Callisto et Ganymède autour de Jupiter ; etc).
    Le couple Pluton / Charon pousse l’équilibre jusqu’à se présenter toujours la même face l’un et l’autre
  • Mercure et Vénus, proches du Soleil, subissent des forces de marée importantes de la part de notre étoile
  • Les révolutions de corps massifs autour du soleil sont dites en résonnance: Jupiter fait 5 tours autour du Soleil pendant que Saturne fait 2 tours, et Neptune fait 3 orbites pendant que Pluton en fait 2.

Complexité de la prédiction des marées

 

Le calcul de prédiction doit intégrer tous les facteurs influant sur la force de la marée, et également les conditions locales (profondeur, largeur, etc) pour obtenir des résultats précis.


Que ce soit à des fins commerciales ou militaires, le calcul des horaires et coefficients de marée est une nécessité depuis l’antiquité et a préoccupé les plus grands savants de toutes les époques.

Si aujourd’hui les moyens informatiques permettent de répondre rapidement et précisément à ces besoins, ces calculs ont longtemps été approximés par des machines mécaniques complexes.

 

 

Machines pour la prédiction des marées

Machines pour la prédiction des marées

 

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