Phénomène des Marées

Nous n'héritons pas la terre de nos parents,
nous l'empruntons à nos enfants
A. de St Exupéry

La marée est la variation du niveau de la mer due à l'action gravitationnelle de la Lune et du Soleil, est un phénomène ondulatoire périodique, dû à l'attraction de ces 2 astres principalement, qui déforme la masse d'eau en ellipsoïde. En construction...

La marée reste pour moi le phénomène naturel le plus passionnant avec les phénomènes orageux. Calme, régulière, puissante, complexe, la marée est la respiration de la Terre. Venant d'on ne sait où, l'onde latente paraît venir de partout et de nul part remplissant les baies, les criques, se réchauffant sur les larges étendues de sable. Faignante en Méditérannée, fraingante en baie de Somme, elle revient quelques fois plusieurs fois par jour laissant sous son manteau un nouveau paysage, grouillant de vie lorsqu'on se penche au dessus d'un rocher. Je vais essayer ici d'en expliquer les principales causes de manière aussi simple que possible avec de nombreux dessins afin d'en faciliter la compréhension. J'espère qu'après cette lecture le phénomène des marées ne sera plus un mystère pour vous...et qu'il n'en sera que plus magique...

Beaucoup d'hommes de science se sont intéressés au phénomène des marées. La découverte de l'influence de la Lune sur le phénomène est sujette à caution, certains pensent que c'est Pythéas (IVém Av JC), astronome, mathématicien et navigateur marseillais, d'autres penchent plutôt vers Euthymène autre navigateur marseillais. Cette théorie a été reprise par de nombreux géographes et astronomes les siècles suivants. Il fallut attendre Pline l'Ancien (23-79 Ap JC) pour qu'une explication plus précise soit faite liant la cause des marées à la Lune et au Soleil. Plus tard des théories différentes virent le jour : Kepler (1571-1630) ne croyait pas à l'influence de la Lune, Galilée (1564-1642), lui, pensait que les marée étaient dues à la rotation de la Terre. Ce fut Newton (1642-1727) qui, en 1687, posa les grand fondements de la théorie des marées se basant sur les lois de la gravitation universelle : c'est la théorie statique. Cette théorie permet d'expliquer que la surface de l'eau réagit instantanément aux actions des astres en se déformant selon une ellipsoïde. Malheureusement, la théorie statique, supposant que la surface des mers est est une surface équipotentielle ne permet pas d'expliquer tous les phénomènes. Bernouilli (1700-1782) poussa un peu plus loin la réflexion mais n'expliquant que des phénomènes locaux.

C'est Laplace (1749-1827) qui donna l'explication la plus rigoureuse du phénomène des marées en 1799 en envisageant le problème sous son aspect dynamique. Cette nouvelle théorie s'appuie sur deux principes : les oscillations forcées et la superposition des petits mouvements. Après Laplace, Whewell envisage la marée sous forme d'ondes parcourant les océans, Airy repris cette conception et étudia la propagation des ondes-marées notament dans les courants et les rivières en tenant compte des frottements. La théorie de Laplace et l'invention en1831 du marégraphe par Chazallan ont permis à Kelvin (1824-1907) de décomposer le potentiel de la force génératrice de la marée en une somme de termes périodiques. La théorie harmonique de Kelvin est la plus universelle, s'adaptant à tous les types de marée et à leurs singularités géographiques.

Les travaux postérieurs de Poincaré (1854-1912) qui repris la théorie dynamique, indiqua les méthodes de calcul au moyen desquelles on pourrait obtenir la solution du problème des marées sur un globe où les océans sont séparés par des continents. Harris (1863-1918) montra, en 1897, l'importance des phénomènes de résonance dans la formation des marées et parvint à expliquer de manière satisfaisante les particularités du phénomèe dans divers points du globe.

Depuis 1972 et l'apparition des ordinateurs, les prédicteurs de marée ont été relégué au rang de pièce de musée. Les prédictions sont aujourd'hui réalisées par le S.H.O.M. (Services Hydrographiques et Océanogrphique de la Marine).

Il existe plusieurs types de marée qui dépendent de paramètres tels que la latitude par exemple. Les phénomènes en découlant sont la régularité et le nombre de marée par cycle de 24h. On distingue 4 type de marée visualisable sur les cartes ci-dessous (source S.H.O.M.) :

Type semi-diurne (Bleu)
Les composantes diurnes sont négligeables devant les composantes semi-diurnes. Il y a alors deux pleines mers et deux basses mers d'importances sensiblement égales par jour. C'est le type de marée prépondérant en Atlantique.

Type diurne (Rouge)
Les composantes semi-diurnes sont négligeables devant les composantes diurnes. Il y a une pleine mer et une basse mer par jour.

Type semi-diurne à inégalité diurne (Vert)
Cas intermédiaire entre les deux marées précédentes. Les composantes diurnes ne sont pas négligeables. la marée présente toujours deux pleines mers et deux basses mers par jour, mais les hauteurs des pleines mers ou des basses mers consécutives peuvent être très différents.

Type mixte (Jaune)
Un autre cas intermédiaire, avec, cette fois, des composantes diurnes très importantes. Quelques fois deux pleines mers et deux basses mers (Lune à l'équateur) et parfois une pleine mer et une basse mer par jour (lorsque la déclinaison de la Lune est proche de son maximum).

C'est pourtant cette fine pellicule d'eau (1 380 millions de km3 quand même !) qui va se déplacer sous l'effet conjoint du Soleil et de la Lune.

L'expression de la pesanteur est donnée par : P = M . g
avec P = Force de la pesanteur (exprimée en Newton)
M = masse
g = 9,8 m/s² = accélération de la pesanteur

La Force d'Attraction :
La Terre n'étant pas isolée dans l'espace elle subit la force d'attraction de tous les astres de l'Univers.
Son expression est donnée par : F = G . M . M' / D²
avec F = Force d'attraction (exprimée en Newton)
G = constante de gravitation universelle = 6,67 . 10^-11
M et M' les masses des 2 corps en présence
D = Distance entre les centres de gravité des 2 masses

Le Marnage correspond à la différence de hauteur d'eau entre une pleine mer et une basse mer successive. Le marnage varie suivant différents paramètres (périodes de vive-eau, morte-eau, forme de la côte,...). Le plus grand marnge observé dans le monde est de 16 m dans le baie de Fundy au Canada (France 2 - Envoyé Spécial - Janvier 2000), on observe environ 13 m dans la baie du Mont-Saint Michel. Au Mont Saint Michel l'effet de la marée est accentué la faible profondeur du golfe et par la présence de la Presqu'île du Cotentin qui réfléfit l'onde incidente et vient s'y ajouter. En Méditerranée, mer fermée, les masses d'eau n'ont pas la possibilité de se mouvoir aussi le marnage y est faible environ 40 cm en Méditerranée.

Les cartes suivantes montrent le marnage moyen sur les diverses côtes mondiales (Source Shom)

La marée peut-être considérée comme la somme de composantes harmoniques. Les composantes les plus importantes sont les suivantes :
- Composantes semi-diurnes : l'onde M2 est la marée générée par la "Lune moyenne", astre fictif animé d'un mouvement uniforme sur une orbite circulaire située dans le plan de l'équateur et ayant la même période de révolution que la Lune réelle.
- L'onde S2 représente la marée due au "Soleil moyen", astre fictif animé d'un mouvement uniforme, sur une orbite circulaire située dans le plan de l'équateur. Elle représente deux pleines mers et deux basses mers par jour solaire.
- Composantes diurnes: l'onde K1 a pour origine les variations de déclinaison de la Lune et du Soleil. Elle est marquée par une pleine mer et une basse mer par jour sidéral (23h56min).
- L'onde O1 est induite par les variations de déclinaison de la Lune. Elle présente une pleine mer et une basse mer par jour lunaire

COEFFICIENTS DE MAREE :
Les hydrographes français au XIXème siècle ont inventé les coefficients de la marée, ce sont des chiffres sans unité (20 à 120) qui caractérisent l'importance de la marée, l'amplitude de l'oscillation de la marée semi-diurne.

La moyenne constatée des coefficients est de 70 et la fréquence d'apparition la plus élevée est sur le coefficient 79. Le coefficient de marée est calculé pour Brest et est généralisé à l'ensemble des côtes à marée semi-diurne. Lorsque le coefficient de marée augmente, c'est le revif. lorsqu'il diminue c'est le déchet.

CALCUL DES HAUTEURS D'EAU :
Connaître la hauteur d'eau a un grand intérêt lorsque l'on navigue, il peut être utile à partir de quelle heure il est possible d'entrer dans un port sans que la quille touche le fond ! Il existe plusieurs méthodes, la mer ne monte ni ne descend de façon linéaire, le flot et le jusant suivent une courbe s'apparentant à une sinusoïde que l'on peut approximer par la formule suivante :

H = M . sin² (90°. T/D)

Avec :
H = baisse / montée en mètres
M = marnage (hauteur d'eau marée haute - hauteur d'eau marée basse)
T = temps entre la pleine mer / basse mer et l'instant recherché
D = durée de la baisse / montée

Une autre méthode simplificatrice est la méthode des douzièmes, cette méthode a quelques limites en ce qui concerne la précision mais suffit largement pour une navigation de plaisance.
La première heure la mer monte/descend de 1/12éme de la hauteur
La deuxième heure la mer monte/descend de 2/12éme de la hauteur
La troisième heure la mer monte/descend de 3/12éme de la hauteur
La quatrième heure la mer monte/descend de 3/12éme de la hauteur
La cinquième heure la mer descend/monte de 2/12éme de la hauteur
La sixième heure la mer descend/monte de 1/12éme de la hauteur

Exemple :
Pleine Mer : 12h00           Hauteur d'eau : 6,50 m
Basse Mer : 18h06           Hauteur d'eau : 1,70 m
Pleine Mer : 00h18           Hauteur d'eau : 7,70 m

L'Heure Marée (sens descendant) est égale à (18h06 - 12h00)/6 = (6h06)/6 = 1h01
L'Heure Marée (sens montant) est égale à (24h18 - 18h06)/6 = (6h12)/6 = 1h02

Le douzième (sens descendant) est égal (6,50 - 1,70)/12 = 4,80/12 = 0,40 m
Le douzième (sens montant) est égal (7,70 - 1,70)/12 = 6,00/12 = 0,50 m

Temps après la Marée Basse (heure marée)	*Heure*	*12èmes*	*Descente / Montée(m)*	*Hauteur d'eau cumulée (m)*	*Etat*
0	12h00			6,50	Marée Haute
1	13h01	1/12	- 0,40	6,10
2	14h02	2/12	- 0,80	5,30
3	15h03	3/12	- 1,20	4,10	Mi-Marée
4	16h04	3/12	- 1,20	2,90
5	17h05	2/12	- 0,80	2,10
6	18h06	1/12	- 0,40	1,70	Marée Basse
7	19h08	- 1/12	0,50	2,20
8	20h10	- 2/12	1,00	3,20
9	21h12	- 3/12	1,50	4,70	Mi-Marée
10	22h14	- 3/12	1,50	6,20
11	23h16	- 2/12	1,00	7,20
12	00h18	- 1/12	0,50	7,70	Marée Haute

Courbe de variation de la hauteur d'eau

Courbe de variation de la hauteur d'eau en fonction de l'Heure Marée

OBSERVATIONS DE TOUS LES JOURS

Par rapport aux différentes explications que l'on vient de voir, plusieurs observations peuvent être notées : le décalage de l'heure de la haute mer jour après jour, l'horaire de marée différent suivant les plages de France (âge la marée) où l'on se trouve, les marées d'équinoxe plus grandes, la propagation de l'onde de marée dans les fleuves,... Nous allons voir tout celà dans cette partie.

Précédemment nous avons considéré, pour le calcul des hauteurs d'eau, que les marées hautes étaient séparées de 12h00 par simplification. En fait il n'en est rien. La Lune ne tourne pas autour de la Terre en 24h00 mais en 24h50 mn. Il faut en effet attendre que la Terre tourne de 360° + 13° pour retrouver à nouveau la Lune au desus de sa tête. Les marées ayant étroitement liées à cette révolution, l'intervalle de temps entre une haute mer et une basse mer est de 24h50 / 4 = 6 h 13 (environ).

L'onde principale de marée provient de l'hémisphère sud et remonte vers le nord à la vitesse d'environ 190 m/sec (680 km/h). La célérité de l'onde est proportionnelle à la profondeur, on peut en estimer la vitesse par la formule suivante : RACINE ² (g . p) avec p la profondeur et g l'accélération de la pesanteur. C'est pour celà (hors cas particuliers) que l'onde de marée montante est plus rapide que l'onde de marée descendante, ce qui explique une disymétrie entre la durée de montée et de descente. La rotation de la Terre, l'obstacle des continents, la Force de Coriolis, les différentes oscillations constructives ou destructives dues aux différentes réflexions créent les lignes cotidales et les points amphidromiques. Les lignes cotidales regroupent les zones géographiques où la pleine mer se produit en même temps (un peu comme les lignes de niveau). L'endroit où se rejoignent parfois les lignes cotidales sont les points amphidromiques, zones géographiques où les marées y sont nulles. Les images ci-dessous en sont une illustration :

Propagation de l'onde de marée dans la Manche : 30 minutes de retard entre Ouesant et Dunkerque :

Lorsqu'on regarde avec attention les coefficients de marée au cours de l'année, on s'aperçoit que :
- Les vives-eaux les plus fortes et les mortes-eaux les plus faibles ont toujours lieu en mars et septembre.
- On observe le même phénomène pour les vives-eaux les plus faibles et les mortes-eaux les plus forte en juin et décembre.

Plusieurs raisons expliquent ce phénomène :
- La distance Terre-Soleil qui varie, mais ce paramètre n'est pas le plus influent.
- Le plus important est l'angle fait par le Soleil avec le plan de l'équateur, c'est la déclinaison. L'attraction du Soleil est alors maximale lorsque le Soleil est dans le plan de l'équateur, lorsque la déclinaison est nulle, pendant les eqinoxes et elle est maximale aux solstices (+/- 23°26').

La propagation de l'onde de marée dans les fleuves et les estuaires porte le nom de Mascaret. Le mascaret est un phénomène exceptionnel qui se produit dans certains estuaires aux époques des grandes marées (on a répertorié environ 60 sites favorables dans le monde; les plus spectaculaires sont ceux de la Severn en Angleterre et de l'Amazone). Actuellement, en France, il subsiste uniquement en Aquitaine. En effet, les travaux et aménagements des autres rivières de France, en particulier ceux de la Seine ont perturbé les conditions favorables a sa formation. Leopoldine, la fille de Victor Hugo se serait noyée lors d'une promenade en barque sur la Seine au passage du mascaret. Dans des conditions très particulières (fort coefficient de marée, fleuve a gros débit et très faible niveau d'eau), la marée montante qui est freinée par les flots de la rivière constitue une série de bourrelets analogues a une houle, qui peuvent atteindre 3 m de hauteur dans les meilleurs conditions. Cet ensemble de vagues (une dizaine d'ondulations separées d'une distance de dix metres) emportant avec lui près de la moitié de la marée montante remonte l'estuaire avec une vitesse de 15 à 30 km/h suivant la profondeur de l'eau. Il se propage ainsi sur plus de 150 km de distance puis disparait dans les zones où le courant de marées est complètement affaibli. Certains surfeurs en profitent largement :

120	Vive-au exceptionnelle	VIVE-EAU
95	Vive-au moyenne	VIVE-EAU
70	Marée moyenne	-------------------
45	Morte-eau moyenne	MORTE-EAU
20	Morte-eau exceptionnelle	MORTE-EAU