La marée, approche descriptive : une première explication

Frédéric Chambat

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

30/09/2014

Résumé

Présentation du phénomène de marée et de l'implication de la Lune.


Dans cet exposé sous forme de petites notes successives nous présenterons le phénomène de marée en partant de la première explication "solide", mais incomplète, de ce phénomène jusqu'à la carte réelle des marées océaniques après avoir abordé, sans calculs complexes, les notions de repère, de force de marée, de déformation et d'onde.

La Lune, une première explication

On se doutait bien que la Lune avait quelque chose à voir avec ça ! En effet, même si dans le monde occidental romain, l'honnête homme de l'Antiquité observant la Méditerranée n'était pas très au fait des marées, l'observation de la périodicité des marées semi-diurnes (comme sur les côtes atlantiques) et de la périodicité des variations d'amplitudes des marées (vives eaux / mortes eaux) avait permis de faire le lien avec les périodicités lunaires : deux marées hautes "du matin" sont séparées d'une durée égale à un jour lunaire (durée séparant deux levers de Lune) et les marées de vives eaux (ou de mortes eaux) reviennent chaque demi-mois lunaire (deux cycles de vives eaux -pleine Lune et nouvelle Lune- et de mortes eaux -premier et dernier quartiers- par mois lunaire).

C'est le grand Newton qui a proposé la première explication solide, au 17ème siècle. Selon sa loi de l'attraction universelle (souvenez-vous de la pomme), deux corps s'attirent en raison directe du produit de leurs masses et en raison inverse du carré de la distance qui les sépare. Par exemple, la Lune et la Terre s'attirent mutuellement.

Imaginez une goutte d'un gramme d'eau à la surface de l'océan terrestre, juste sous la Lune. Cette goutte est plus proche de la Lune que le reste de la Terre ; elle est donc plus attirée par la Lune qu'un gramme de Terre. Le niveau de l'océan a donc tendance à s'élever à l'aplomb de la Lune.

Imaginez maintenant une autre goutte d'eau, toujours à la surface de l'océan mais du côté opposé à la Lune. Cette fois la goutte est plus éloignée de notre satellite que le reste de la Terre et elle est donc moins attirée par la Lune. Elle a donc tendance à s'éloigner de la Terre, et le niveau des océans monte également, par rapport à la Terre. Ainsi, l'attraction de la Lune sur l'océan produit deux "renflements", diamétralement opposés. Comme notre Terre fait un tour par jour autour d'elle-même, un point donné du globe voit passer un renflement deux fois par jour soit une marée haute toutes les douze heures (et 25 minutes car il faut tenir compte du fait que la Lune tourne autour de la Terre... mais passons sur ce "détail"... et sur le fait que la Terre ne tombe pas sur la Lune... nous verrons cela par la suite). CQFD !

Figure 1. Extrait du texte de Newton, tiré de la seule traduction française de l'ouvrage, par Mme la Marquise du Châtelet, 1759

Extrait du texte de Newton, tiré de la seule traduction française de l'ouvrage, par Mme la Marquise du Châtelet, 1759

Newton décrit ici le phénomène de marée et, plus loin, il donne une méthode pour déterminer les rapports des masses lunaire et solaire à partir des observations de flux et reflux des océans (cf. V. Deparis, Comment déterminer la masse de la Lune à partir des marées ).


Mais cette explication n'est pas satisfaisante ! Si elle était correcte, la marée devrait être basse à peu près au lever et au coucher de la Lune et haute quand la Lune est haute dans le ciel, ou alors douze heures plus tard, à un moment où on ne la voit pas puisqu'elle est sous nos pieds ! Hélas, les observations les plus élémentaires montrent que ce n'est presque jamais ce qui se passe en réalité ! Faut-il revoir la théorie ? Oui ! Les océans ne se soulèvent pas sagement lorsque la Lune est au-dessus d'eux ! Pourquoi ? Et puis, si l'attraction lunaire soulève l'eau, ne peut-elle soulever aussi la Terre ? Comment calculer cela ?

Ce sont ces notions que nous allons détailler dans les chapitres qui suivent. Nous commencerons par expliquer les forces à l'origine de ces mouvements, puis les mouvements de la Terre solide qui en découlent et enfin les mouvements des océans. Le flux et le reflux de la mer reflètent une différence entre les marées océaniques et les marées de la Terre solide et recèlent plusieurs niveaux de complexité. Il faut commencer par étudier la force de marée puis nous pourrons en venir aux effets de cette force.

Ainsi, nous passerons d'abord par la compréhension d'un modèle simpliste de marée terrestre qui permettra finalement d'appréhender le modèle réaliste des marées océaniques.

Figure 2. Modèle simpliste de marée statique

Modèle simpliste de marée statique

Ce modèle met en place les différents acteurs mais ne représente pas la réalité qui est un peu plus complexe.


Figure 3. La marée océanique semi-diurne M2

L'amplitude de marée est indiquée par les couleurs. Les lignes banches sont les lignes cotidales (lignes reliant des points pour lesquels les phases de la marée sont synchrones). Les points où l'amplitude est nulle et où les lignes cotidales se rejoignent sont appelés points amphidromiques.


Une partie de cet ensemble de notes sur les marées reprend des articles rédigés avec Étienne Ghys pour le site internet des Mathématiques pour la Terre – 2013 .