Les mécanismes des marées

Laure Barthes, Marc Girondot

Université Paris Sud

Chaque jour en un même lieu, la mer monte, puis redescend,cette oscillation périodique du niveau de la mer s'appelle :Marée.

Vue de la côte cette oscillation est d'abord perçue comme undéplacement horizontal, en raison de l'arrivée de l'onde demarée sur les côtes.

le courant de flot monte et recouvre des étendues plusou moins grandes du rivage (la Pleine mer = PM)

le courant de jusant, descent laissant les mêmesétendues à sec (la Basse mer = BM).

Sur nos cotes, on observe deux marées par jour, des maréesde vives-eaux et mortes eaux qui alternent tous les 14 jourset des grandes marées d’equinoxes en automne et auprintemps

2 marées hautes parjour

Marée de vive eautous les 14 jours

Marée de morte eautous les 14 jours

Le soleilDiamètre équatorial= 1 392 000 kmMasse = 1,99 1030 kg

La terre, tourne autour du soleil en 365,24 jours, à une distancemoyenne de 149,5 millions de km (de 147,1 à 152,1 106 km)La terre tourne sur elle-même en 24h environDiamètre équatorial= 12846 kmMasse = 5,95 1024 kg

La lune, satellite de la terre, tournant en 29,53 jours à unedistance de 384 400 km (de 356 400 à 406700 km)Diamètre équatorial= 3472 kmMasse = 7,35 1022 kg

L’origine des marées: les acteurs

Les forces en jeuLoi de l’attraction universelle de Newton: lescorps s’attirent proportionnellement à leur masseet inversement au carré de leur distance.

Fa = g. MM’/d2

1643-1727

• Les océans sont soumis à la force d’attraction exercée parla lune (et le soleil).

• Mais aussi à la force centrifuge due au mouvement de rotation dela terre autour du centre de masse du couple terre lune

• Le mouvement crée une force centrifuge opposée à l'attractionqui la maintient en équilibre sur son orbite autour de G.

• Sur terre, la force centrifuge est constante en tous les points duglobe, et dirigée dans le sens opposé à l'astre attracteur.

G

La résultante de l’addition de ces deux forces (attraction etcentrifuge) génère la « Force génératrice de la marée » FM

• L’effet de marée est un terme différentiel(différence entre deux forces) ce terme est nul aucentre de la terre et extrêmement faible à lasurface de la terre. Il est 10-7 fois plus faible que lala pesanteur.

• Il n’a d’effet que sur des très grandes durées(ralentissement de la rotation de la terre au fils desâges) ou sur les très grandes masses (océan).

• Plus la masse d’eau est forte, plus la maréeprésente une forte amplitude. Exemple,Méditerranée, marée de 20 cm

Sous l’effet de la force de marée la surface desocéans prend la forme d’un ballon de Rubgy.

Tous les jours, le long des côtes françaises, la mermonte et descend deux fois…La terre tourne sur elle même en un peu moins de24 heures (23h 56mn 4,1sec).

Donc en première approximation, un point sur la Terrepasse de A en B en environ 6 heures (marée haute puismarée basse ) et le décalage entre deux marées hautessuccessives est de 12 heures (A et C).

• Le cas particulier del’exemple 1 se produitavec le soleil auxéquinoxes, et deuxfois par 28 jours avecla lune

• Deux grandesmarées successivesn’ont pas forcementla même hauteur

Les marées de vives-eaux et demortes-eaux

La lune et le soleil provoquentchacun un effet de marée :•Les deux effets sont du mêmeordre de grandeur :h(S)=0,45h(L)• Les deux effets s’ajoutent ou secompensent selon l’alignement dela lune, la terre et le soleil.

Pour les marées de vives-eaux,les forces s’additionnent alorsqu’elles sont perpendiculairespour les marées de mortes-eaux.

La révolution de la lune autour dela terre étant de 28 jours. On ades marées de vive-eaux tous les14 jours et des marées de mortes-eaux tous les 14 jours

La phase de la lune est unindicateur de l’alignementlune, terre, soleil…

Et donc de la hauteur desmarées.

Les grandes marées d’équinoxe

Les grandes marées d’équinoxe

• Le solstice d'été (autour du 21 juin) correspond à la journée la pluslongue de l'année, et inversement le solstice d'hiver (autour du 21décembre) est la nuit la plus longue de l'année, dans l'hémisphère nord.Ceci vient de la position du soleil qui est à sa déclinaison maximalepar rapport à la terre: 23 degrés nord au solstice d'été et 23 degrés sudau solstice d'hiver.

• Équinoxe vient du latin et signifie que la durée du jour est égale à cellede la nuit. Pour que cela se produise il faut que le soleil soit situé dansle plan de l'équateur terrestre, ce qui veut dire que la déclinaisonsolaire est nulle. C'est le cas deux fois par an; autour du 21 mars et du23 septembre. La position solaire est alors optimale pour amplifierles marées de type semi-diurne. Dès que la lune et le soleil sontalignés en syzygie la grande marée d'équinoxe prend place.

En résumé :

• La rotation de la terre sur elle même = 2 maréespar jour

• La révolution de la lune autour de la terre, crée dessituations d’alignement avec le soleil = les maréesde vives-eaux et mortes-eaux

• La révolution de la terre autour du soleil = lesgrandes marées d’équinoxe.

Les coefficients des marées• Les coefficients de marée sont des grandeurs, sans unité, exprimées en

centièmes, variant de 20 à 120, qui indiquent l'amplitude de l'oscillationde la marée. Ces coefficients ont été crées au XIX ième siècle par deshydrographes français, en choisissant arbitrairement la valeur de 100 pourun alignement équatorial soleil-lune avec une distance moyenne lune-terre, donc pour une marée d'équinoxe moyenne. Ce système decaractérisation d'une marée par, un coefficient n'est utilisé qu'en France.

• 120 - Vive eau exceptionnelle• 95 - Vive-eau moyenne• 70 - Marée moyenne• 45 - Morte-eau moyenne• 20 - Morte-eau exceptionnelle• Le coefficient donne une idée sur l'importance de la différence de

hauteur entre marée haute (PM) et marée basse (BM), donc du marnageattendu. En effet, les valeurs précises du marnage dépendent desconfigurations de chaque lieu et ne sont donc pas généralisables partoutpour une marée donnée, d'où l'intérêt des coefficients.

Le retard de l’heure de la maréeL’heure de la marée est retardéen moyenne de 50 min de jouren jour.

Ceci est dû au fait que pendantque la terre tourne en 24h, laLune, elle, se déplace sur sonorbite d’environ 13°, la terrerattrape ce retard en 50 min.

•En fait le décalage n’est pas régulier car l’orbite de la lune autour de la terre n’estpas un cercle, mais une ellipse

•La deuxième loi de Kepler dit que l’aire balayée par le rayon Terre Lune par unitéde temps est constant.

•Lorsque la lune passe près de la terre (périgée) sa vitesse de parcours s'accélèrejusqu'à environ 14 degrés en 24h. Lorsqu'elle est très éloignée de la terre (apogée) savitesse se ralentit jusqu'à environ 11 degrés en 24 h. Ceci explique en partie pourquoile retard de l'heure de marée d'un jour sur l'autre n'est pas de 50 min précises.D'autres facteurs (déclinaison, etc...) entrent en jeu, de sorte que le retard journalierde la marée varie entre 30 mn et 1h 40 mn.

Johannes Kepler

Terre

P

P’ A

A’Périgée 14° 11° Apogée

Le déplacement de la déformationautour de la terre

La marée est une déformation de la surfacedes océans en réponse à l'attraction et aumouvement des astres. Comme la terretourne sur elle-même cette déformation sepropage autour de la terre en suivant lemouvement apparent de la lune et du soleil.

Cependant la propagation de l'onde à la surface du globe rencontre plusieursobstacles :

1- L'onde de marée est déviée: la rotation de la terre sur elle-même crée desforces (forces de Coriolis) qui dévient le trajet de l'onde de marée.

2- L'onde de marée est en partie bloquée par la présence des continents.

3- L'onde de marée est freinée: la profondeur limitée des océans crée unfrottement au fond des océans, qui retarde la progression de l'onde

4- L'onde de marée peut, dans certains lieux, être amplifiée par résonance: laforme géométrique des bassins océaniques permet plus ou moins bien ledéveloppement d'ondes de périodes diurnes (24 heures)

Donc sous l'action des forces génératrices de marée la surface des océans ne prend pasla forme d'un bourrelet mais une forme plus compliquée. L'image du bourrelet permetde rendre compte de certains phénomènes mais pas de tous.

La rotation de la terre produit les forces de Coriolis qui dévient tous les mouvements d'eau dans le sens inversedes aiguilles d'une montre, dans l'hémisphère nord et dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphèresud. Ainsi, l'onde de marée est-elle déviée dans l'Atlantique nord dans le sens inverse des aiguilles d'une montreautour d'un point où la marée est nulle: le point amphidromique. Dans l'océan Pacifique et Indien il existeplusieurs points amphidromiques.

La marée peut être décrite par un système complexe composéde multiples ondes qui interagissent entre elles pour former la

marée

• Les ondes de types semi-diurnes

– Soleil : Onde S2 période de 12h

– Lune : Onde M2 et N2, périodede 12h24’

• Les ondes de types diurnes

– Soleil : onde K1, période de24h

– Lune : onde O1 et Q1, périodede 24h50’

• Les ondes bimensuelles

• Etc……

vert : semi-diurne, 0 < F < 0.25

orange : mixte, 0.25 < F < 3

blanc : diurne, 3 < F

Le type de marée dépend en fait de l'importance relative des composantes diurnes par rapport auxcomposantes semi-diurnes selon le rapport :

Les types de marées se répartissent ainsi dans le monde :

c'est le rapport des amplitudesdiurnes (solaire O1 et lunaireK1) sur les amplitudes semi-diurnes (solaire S2 et lunaireM2)

L’âge de la marée• Si l'on admet que l'onde de marée a une période de durée

égale à la rotation terrestre sur elle-même, soit d'environ24 heures, sa longueur d'onde correspond au quart de lacirconférence terrestre, soit 20.000 km. Pour que desoscillations de cette amplitude se déroulent à la surface duglobe sans retard par rapport aux astres, il faudrait uneprofondeur d'océans de 22 km! Or la profondeur moyennedes océans n'est que de 4 à 6 km. On comprend qu'il y aitun important frottement qui retarde l'onde par rapport à laposition des astres. Ce retard s'appelle l'âge de la marée.L'âge de la marée est défini comme l'intervalle de tempsentre la syzygie (configuration en alignement des astresattracteurs, amplifiant le phénomène de la marée) et la plusforte marée qui la suit . A Roscoff l’âge de la marée est detrois jours !

• Quelles sont les forces qui génèrent la marée ?

• Pourquoi y a-t-il deux marées par jour sur les côtes françaises?• Pourquoi y a-t-il des vives-eaux et des mortes-eaux ?• Pourquoi y a-t-il des grandes marées au moment de l'équinoxe, en France?• Comment sont les marées au moment des solstices, en France ?

• Pourquoi l'amplitude des deux marées successives n'est-elle pas toujours identique ?

• Pourquoi l'heure de la marée retarde-t-elle de 50 mn en moyenne de jour en jour?• Pourquoi ce retard n'est-il pas constant d'un jour à l'autre ?

• Pourquoi le phénomène de la marée n'est-il pas identique sur tout le globe?• Quelle est l'influence de la marée sur la biologie des organismes de l'estran à Roscoff ?

Références

• http://www.sb-roscoff.fr/Maree/maree-intro.html

• www.ifremer.fr/lpo/cours/maree/ondes.html