Histoire de l'hydrographie
Parce que nous sommes loin d’être les premiers à nous pencher sur le sujet, parce que depuis la nuit des temps, l’Homme s’est toujours interrogé sur le phénomène des marées, voici un petit aperçu des principaux travaux concernant les marées.
Grecs et romains furent les premiers à étudier les marées, poussés par les nécessités de la guerre et du commerce sur les côtes de l’Atlantique, en Afrique, et dans l’Océan indien. Aristote, vers 350 avant J-C, attribua à la lune certains de ces déplacements marins.
La relation entre l’âge de la Lune et l’amplitude de la marée, les effets de la déclinaison de l’astre, mais aussi la concordance de leurs variations furent observés bien avant le début du XVIIIème siècle. Kepler émit le premier l’hypothèse que les eaux des mers devaient toujours se diriger vers la lune. Il dût pourtant abandonner sa théorie au vu des critiques de Galilée. Celui -ci considérait en effet que les marées étaient liées au mouvement de translation et de rotation de la terre.
Ce fut Newton qui, en 1687, posa les fondements véritables de toutes les recherches ultérieures, en rattachant la théorie des marées à son grand principe de la gravitation universelle. Il démontra ainsi que le moteur des marées réside dans l’attraction exercée sur les molécules des océans par la Lune et le Soleil.
La mécanique des fluides étant trop peu avancée à cette époque, il fallut attendre près d’un siècle pour qu’un progrès appréciable soit réalisé dans l’explication du phénomène des marées. Laplace, dans le quatrième livre de la Mécanique Céleste, envisagea le problème sous son aspect dynamique.
La théorie dynamique, ainsi formulée, s’appuie sur deux principes:
◦celui des oscillations forcées
◦celui de la superposition des petits mouvements
L'application de ces principes permit à Laplace d'établir une expression de la dénivellation et de la distance de l'astre. Cette formule, dite formule de Laplace, admet que les amplitudes sont proportionnelles à leurs valeurs théoriques et que les marées correspondantes sont déphasées par rapport à la marée théorique.
Après Laplace, Whewell envisagea les marées sous la forme d'ondes parcourant les océans. Airy reprit cette conception et étudia la propagation des ondes marées, notamment dans les courants et les rivières, en tenant compte des frottements.
Lord Kelvin, en 1870, décomposa le potentiel de la force génératrice de la marée en une somme de termes périodiques. Il inventa ainsi une machine mécanique, le Tide Prédictor, pour faire la somme de tous les termes et tracer la courbe de marée.
Le Tide Predictor
A la fin du XIXème siècle, la théorie dynamique fut reprise par Poincaré qui 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.
Hough, astronome au Cap, compléta la théorie de Laplace en déterminant la nature et la période des oscillations libres des océans.
Enfin, aux États-Unis, Harris (1897), montra l’importance des phénomènes de résonances dans la formation des marées et parvint à expliquer de manière satisfaisante les particularités du phénomène dans divers ports du globe.
La somme de ces travaux permet aujourd’hui de comprendre véritablement le phénomène des marées. Charge à nous de vous initier aux rudiments du mécanisme, et plus si affinités.
La marée
La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.
Le niveau le plus élevé atteint par la mer au cours d'un cycle de marée est appelé pleine mer (ou couramment « marée haute »). Par opposition, le niveau le plus bas se nomme basse mer (ou « marée basse »). On parle aussi d'« étale de haute mer » et d'« étale de basse mer ». Parler de « marée haute » et de « marée basse » est ce qui est le plus courant, bien que le mot marée désigne normalement un mouvement.
Selon l'endroit de la Terre, le cycle du flux et du reflux peut avoir lieu une fois (marée diurne) ou deux fois par jour (marée semi-diurne). Lors de la pleine Lune et de la nouvelle Lune, c'est-à-dire lorsque la Terre, la Lune et le Soleil sont sensiblement dans le même axe (on parle de syzygie), ces derniers agissent de concert et les marées sont de plus grande amplitude (vives-eaux). Au contraire, lors du premier et du dernier quartier, lorsque les trois astres sont en quadrature, l'amplitude est plus faible (mortes-eaux).
Les marées les plus faibles de l'année se produisent normalement aux solstices d'hiver et d'été, les plus fortes aux équinoxes.
Ce mouvement de marée n'est pas limité aux eaux, mais affecte toute la croûte terrestre (on parle de « marées crustales »), bien que dans une moindre mesure. Ce qui fait que ce que nous percevons sur les côtes est en fait la différence entre la marée crustale et la marée océanique. Plus généralement, les objets célestes sont l'objet de forces de marée à proximité d'autres corps.
Le phénomène est dû à la déformation de la surface des océans par suite des attractions combinées des autres corps célestes. Ce mouvement peut même détruire l'astre qui le subit : si la force de marée l'emporte sur la force de gravitation de ses constituants, l'astre se désagrège (voir Limite de Roche).
L'attraction gravitationnelle étant inversement proportionnelle au carré de la distance, l'astre (principalement la Lune dans le cas de la Terre) attire plus fortement les masses (liquides et solides) proches. En particulier, le point le plus proche de la Lune est plus attiré que le point à l'opposé. Si l'on fait la moyenne des actions, on peut décomposer la force en chaque point de l'axe Terre-Lune en deux forces :
une force d'attraction moyenne ,
une force centripète (par rapport au barycentre Terre/Lune).
Il s'ensuit une déformation de la surface des mers, mais aussi des sols, qui diffère donc de ce qu'elle serait sans la présence de notre satellite et du soleil.
Pour la mer, on peut comparer cette déformation à une énorme vague qui serait de forme régulière si les fonds des océans « étaient réguliers et s'il n'y avait pas de côtes ».
Explication plus pédagogique
Prenons deux objets ronds A et B attirés l'un vers l'autre, sans vitesse transversale (pas de rotation l'un autour de l'autre). Pour l'objet A, son centre de gravité se dirige vers le centre de gravité de B, à une vitesse déterminée par les lois de l'attraction (g sur le schéma). Cette vitesse est plus importante sur la partie la plus proche de B (g + Λ sur le schéma), donc cette partie va bomber sa forme en direction de B. Par contre sur la partie de A la plus éloignée de B, l'attraction étant moins forte cette partie va moins accélérer que le centre de gravité, donc sa vitesse sera moins élevée (g - Λ sur le schéma), vu que la force d'attraction est plus faible, et cette partie éloignée va bomber sa forme de l'autre côté de la planète B. Les forces de cohésion vont transmettre de l'accélération pour que l'ensemble de l'objet A avance.
La Lune subit aussi un effet de marée venant de la Terre, beaucoup plus important que sur Terre, compte-tenu de la masse bien plus importante de la Terre par rapport à la Lune. C'est pourquoi petit à petit le mouvement de rotation de la Lune sur elle-même s'est synchronisé au mouvement de la Lune autour de la Terre, nous présentant désormais, à une petite oscillation près, toujours la même face. La Lune subit donc toujours l'effet de marée au même endroit, ce qui explique donc que sa forme n'est pas parfaitement sphérique, mais ellipsoïdal.
Grandes marées
Le passage de la Lune au méridien du lieu (éventuellement avec un certain retard dans les oscillations forcées ; on appellera « méridien de marée » le méridien qui correspond à l'angle horaire de retard des marées) ou à opposition explique le cycle semi-diurne. La période de ce phénomène est de 0,517525050 jour (12 heures 25 minutes 14 secondes), moitié de la durée du jour lunaire moyen. La différence de temps (le retard), pour un port donné, entre le passage de Lune au méridien et l'heure de la pleine mer est appelé établissement du port.
Plusieurs phénomènes astronomiques contribuent à la variation de l'amplitude des marées :
La syzygie du Soleil et de la Lune (autrement dit, la nouvelle ou pleine lune). Cela se produit essentiellement lorsque la longitude du Soleil et de la Lune sont voisines ou voisines de l'opposition l'une de l'autre, soit deux fois par mois. Précisément, la période de ce phénomène est de 14,7652944 jours, moitié de la durée que l'on qualifie de mois synodique.
Le passage du Soleil au nœud lunaire, c'est-à-dire le passage du Soleil dans le plan de l'orbite lunaire : celui-ci se produit deux fois par an (à la régression du nœud près), et détermine les « saisons à éclipse » (ce sont pendant celles-ci que les éclipses de soleil ou de lune se produisent). Les marées sont alors plus importantes en syzygie (voir le point précédent) en raison du meilleur alignement Terre-Lune-Soleil. La période précise est de 173,310038 jours, moitié de la durée que l'on qualifie d'année draconitique. Le passage du Soleil au nœud lunaire s'est par exemple produit le 25 janvier 2000, le 16 juillet 2000, le 5 janvier 2001, le 28 juin 2001 (plus précisément, cela sont les dates de coïncidence des longitudes moyennes ; notamment, le calcul des anomalies est omis ; mais on reconnaît le voisinage de l'éclipse de lune du 9 janvier 2001 et de l'éclipse de soleil du 21 juin 2001). Comme on le constate, ces dates sont actuellement proches des solstices mais évoluent rapidement dans l'année au cours du temps.
Le passage du Soleil dans le plan équatorial, qui se fait aux équinoxes, donc deux fois par an. La période précise est de 182,621095 jours, la moitié d'une année tropique. Le phénomène des marées d’équinoxes n’a rien à voir avec l’alignement Lune-Terre-Soleil, qui a lieu toutes les deux semaines à la pleine lune et à la nouvelle lune et se réalise d’autant mieux lorsqu’il coïncide avec le cycle draconitique de 173 jours (Éclipse#Principes mécaniques). Le soleil se trouve au-dessus de l’Équateur lors des équinoxes, alors qu’il est au-dessus du tropique du Cancer lors du solstice de juin et au-dessus du tropique du Capricorne lors du solstice de décembre. Rappelons que l’effet de marée d’un astre est maximal au point de la terre se trouvant le plus proche de cet astre et au point se trouvant le plus éloigné. Aux moments des solstices, un des points où l’effet de marée du soleil est maximal se trouvera en permanence sur le tropique du Cancer, pendant que l’autre se trouvera aux antipodes, sur le tropique du Capricorne. Chaque point se trouvant sur un des deux tropiques sera donc soumis à un effet de marée maximal du Soleil une seule fois par jour (on parle d’onde diurne). Au moment des équinoxes, ces deux points seront en permanence sur l’Équateur. Chaque point de l’équateur sera donc soumis à un effet de marée maximal du Soleil deux fois par jour (on parle d’onde semi-diurne). À ce moment-là, le terme diurne s'annule dans le calcul des marées, et le terme semi-diurne est maximal.
Le passage de la Lune au périgée, moment auquel les forces de marée exercées par la Lune sont donc les plus importantes. À la différence du nœud lunaire, qui régresse sur l'écliptique, le périgée, lui, avance. Le temps entre deux passages de la Lune au périgée est le mois anomalistique, de 27,5545499 jours. Le calcul de la position du périgée lunaire est soumis à énormément de perturbations.
Le passage de la Terre au périhélie, moment auquel les forces de marée exercées par le Soleil sont donc les plus importantes. Le périhélie terrestre progresse sur l'écliptique ; cela dit, la majeure partie (environ 5/6) de cette progression est en réalité due à la régression (« précession ») de l'équinoxe par rapport aux étoiles fixes. Le temps séparant deux passages de la Terre au périhélie est l'année anomalistique de 365,259636 jours. Il se produit actuellement le 3 janvier de l'année.
Il est possible d'avoir des conjonctions assez bonnes entre tous ces phénomènes.
Autres facteurs influant sur les marées
Pour la Terre, seule la Lune et le Soleil ont des impacts significatifs, qui s'additionnent ou se contrarient selon les positions respectives de la Terre, de la Lune et du Soleil. En fait, la Lune est beaucoup plus proche de la Terre que le Soleil, mais a aussi une masse beaucoup plus petite, de telle sorte que leurs attractions sont d'ordres de grandeur comparables : celle du Soleil est environ la moitié de celle de la Lune. Les autres corps célestes sont trop éloignés pour que leur influence soit sensible.
Cette attraction combinée de la Lune et du Soleil est cependant perturbée ou même parfois contrariée par d'autres phénomènes physiques comme l'inertie des masses d'eau, la forme des côtes, les courants marins, la profondeur des mers, ou encore le sens du vent local.
De plus, un cycle long s’établit aussi sur une période de 18,6 ans durant lequel le niveau moyen des pleines mers augmente de 3% par an durant 9 ans, puis diminue de 3% durant 9 ans, et ainsi de suite. Ce cycle exacerbe puis diminue les effets de la montée des océans induite par le réchauffement climatique. Selon l'IRD, là où l'amplitude des marées est naturellement forte (ex : Baie du Mont Saint-Michel) ce cycle contribuera dans les années 2008-2015 proportionnellement plus à l'élévation du niveau de la pleine mer, ou des grandes marées hautes que le seul réchauffement climatique (jusqu'à + 50 cm, c'est-à-dire 20 fois l'expansion thermique de l'océan consécutive au réchauffement climatique global). Inversement de 2015 à 2025 la phase décroissante de ce cycle devrait conduire à un ralentissement apparent du phénomène de montée de l'océan, et probablement de l'érosion du trait de côte qui lui est généralement lié.
Les courants marins
La Terre se déplace au cours de sa circonvolution entre deux lignes de circonférence formant une couronne dont l'écartement est le diamètre de la Terre, environ 12 756 km. Cela nous amène à constater que la circonférence intérieure est plus courte que l'extérieure. Cette différence se traduit par 80 150 km en 1 an soit environ 220 km par jour et un peu plus de 9 km/h qui correspond à la différence de vitesse de déplacement dans l'espace entre l'intérieur et extérieur de la couronne, soit la face midi et la face minuit de notre globe terrestre. Cette différence est à l’origine des courants marins à contresens de la rotation le long de l'équateur.
L'inertie
C'est une force qui s'oppose au mouvement d'une masse que l'on veut déplacer (augmentation de vitesse) ou arrêter (diminution de vitesse). Plus la masse est grande, plus l'inertie sera importante. C'est le cas de la masse d'eau de tous les océans du globe, qui tente de contrarier les mouvements auxquels elle est soumise par attraction combinée de la lune et du soleil.
Il y a généralement deux cycles de marée par jour (il y a des exceptions) dont les instants de haute mer et de basse mer varient avec la lune (attraction prépondérante).
La marée se manifeste essentiellement sur les côtes maritimes, où la mer monte ou se retire suivant un cycle lié, d'une part à la rotation de la Terre et à sa révolution autour du Soleil, d'autre part à la rotation de la Lune autour de la Terre. Ce cycle complet (marée basse et marée haute) dure environ 12 heures 25 minutes.
L'effet piston
Lorsque les côtes se resserrent en entonnoir, comme dans le fond de certaines baies (baie du Mont-Saint-Michel, baie de Fundy, etc.) il y a amplification de la hauteur des marées qui peuvent dépasser 14 mètres entre les basses eaux et les hautes eaux. Il s'y produit aussi un retard horaire progressif comme en Manche de l'entrée à Dunkerque.
Les mers intracontinentales et intérieures sont peu sujettes aux marées car les masses d'eau et les distances entre les côtes concernées sont beaucoup plus faibles que dans les océans. C'est notamment le cas de la Méditerranée, où l'étroitesse du détroit de Gibraltar empêche le passage de l'onde de marée.
La Terre subit aussi l'influence des marées, puisque les roches du manteau terrestre bien que solides, sont déformables (visqueuses), et de ce fait se déplacent comme les océans. À Paris, aux heures de marée haute, on se trouve environ 30 centimètres plus haut qu'aux heures de marée basse.
Historique de l'étude des facteurs causaux des marées
Dans l'Antiquité, le phénomène de marée est remarqué par Hérodote dans la mer Rouge, et les Grecs avaient également noté les courants capricieux de certains détroits méditerranéens. Ils prirent pleinement conscience du phénomène en s'aventurant en dehors de la méditerranée, au IVe siècle av. J.-C. (Pythéas en Atlantique, Alexandre le Grand en Inde). Platon pensait que les marées étaient provoquées par des oscillations de la Terre[réf. nécessaire]. Un lien avec la position de la Lune est proposé par Antigone de Caryste et Ératosthène, au IIIe siècle av. J.-C. Mais les observations les plus précises sont effectuées par Posidonios au Ier siècle av. J.-C. à Cadix. Il décrit trois phénomènes périodiques liées aux marées : les deux marées quotidiennes, correspondant aux deux culminations (inférieure et supérieure) de la Lune ; la période semi-mensuelle correspondant aux syzygies avec le Soleil ; la période semi-annuelle correspondant aux marées d'équinoxe. Il évalue correctement le décalage entre le passage de la Lune et le soulèvement des eaux. Posidonios voit dans ce phénomène la manifestation d'une sympathie, d'une attirance des flots pour la Lune réputée humide. Cicéron, Pline l'ancien, Strabon, Ptolémée affirment que le phénomène des marées dépend des cours de la Lune et du Soleil.
Au VIIIe siècle, Bède le Vénérable approfondit les observations de Posidonios et étudie les variations des marées d'un point à l'autre de la côte anglaise.
Au IXe siècle, l'astronome perse Albumasar décrit de façon détaillée dans son Introductorium magnum ad Astronomiam les corrélations entre marée et Lune.
Toutefois, si l'explication par l'attirance a la faveur des astrologues et des médecins pour qui la Lune est l'astre humide par excellence, elle n'est pas reçue par les disciples d'Aristote qui limitent à la lumière et au mouvement l'action des astres sur la Terre.
A partir du XIVe siècle, se développe la théorie aimantique des marées qui compare l'action de la Lune sur les eaux de la mer à l'action de l'aimant sur le fer ; mais c'est aux médecins et astrologues du XVIe siècle qu'il faut attribuer l'idée de décomposer la marée totale en deux marées de même nature, l'une produite par la Lune, l'autre par le Soleil.
Au XVIIe siècle, Kepler adopte le concept d’une force d’attraction de la Lune, de nature magnétique, qui engendrerait le phénomène des marées. Galilée se moque de la position de Kepler quant à l'attraction lunaire et explique le flux et le reflux de l’océan par les actions qu‘engendrent la rotation de la Terre. Malgré les objections, Galilée considère par cette explication prouver le mouvement de la Terre.
La théorie de la gravitation de Newton permit de revenir à l'influence lunaire et solaire, basée sur des principes scientifiques. Cette théorie fut largement adoptée au cours du XVIIIe siècle, même si, au début du XIXe siècle, Bernardin de Saint-Pierre tenta de persuader l'Académie des sciences française que ce n'était pas la Lune mais la fonte (alternée avec le gel nocturne) des glaciers qui provoquait les marées. Poussant jusqu'au bout son raisonnement, il justifiait la grande amplitude des marées d'équinoxe par l'action conjuguée des glaciers arctiques et antarctiques
Marnage
Le marnage est, pour un jour donné et dans un intervalle pleine mer/ basse mer, la différence de hauteur d'eau entre le niveau de la pleine mer et celui de la basse mer (ex:marnage de 6,0 m). Le marnage varie continuellement. La zone alternativement couverte et découverte par la mer, limitée par ces deux niveaux lorsqu'ils sont à leur maximum, est appelée l'estran ou zone de marnage, ou encore « zone de balancement des marées »; on utilise aussi de plus en plus l'anglicisme zone intertidale.
Ne pas confondre avec l'amplitude qui est la différence de hauteur à mi-marée.
Coefficient de la marée
Il s'exprime en centièmes et varie de 20 à 120, et indique la force de la marée.
Les grandes marées ou marées de vives-eaux se produisent lorsque la Lune et le Soleil se trouvent en conjonction ou opposition (on parle de syzygie) par rapport à la Terre (situation de pleine ou de nouvelle Lune) : leurs forces d'attraction s'ajoutent. Ce phénomène explique que les plus grandes marées (marées d'équinoxes ) ont lieu lors de la première syzygie qui suit l'équinoxe (21 mars et 21 septembre).
Inversement, les marées sont faibles (marées de mortes-eaux) lorsque la Lune est à 90° de l'axe Soleil-Terre (situation de premier ou dernier quartier). De même, les plus faibles ont lieu aux alentours des solstices d'été et d'hiver (21 juin et 21 décembre).
C = 20 la plus faible marée possible
C = 45 définit une morte-eau moyenne
C = 95 une vive-eau moyenne
C = 100 une vive-eau équinoxiale moyenne
C = 120 la plus forte marée possible
Si U est, en un lieu donné, le demi marnage de la plus forte marée de vive-eau survenant après une syzygie équinoxiale moyenne (C = 100), alors la hauteur d'eau (h) à la pleine mer d'une marée de coefficient (C) est d'environ :
hpm = (1,2 + C)*U
de même la hauteur d'eau à la basse mer sera approximativement: hbm = (1,2 - C)*U
Note :
Dans ces deux précédentes formules, le coefficient C ne doit pas être exprimé en centièmes. C variant de 20 à 120, dans ces formules il prendra les valeurs de 0,2 à 1,2.
U est également appelé Unité de hauteur du lieu considèré.
Exemple pratique: La hauteur d'eau à pleine mer en un lieu où l'unité de hauteur U=5,50m, lorsque le coefficient C=95 sera approximativement : hpm = (1,2 + 0,95) * 5,50 = 11,825 m. De même la hauteur d'eau à basse mer sera hbm = (1,2 - 0,95 ) * 5,50 = 1,375 m.
Lieux de marées remarquables
Au Canada, dans la baie d'Ungava le marnage peut atteindre 17[15] ou 20 mètres[16] et dans la baie de Fundy jusqu'à 16 mètres. Ces baies sont les deux endroits où les marées les plus importantes au monde ont lieu. Selon les sources, on attribue à l'une ou à l'autre le record de marnage.
Le canal de Bristol (Grande-Bretagne) avec 15 mètres de marnage.
Les plus fortes de France (jusqu'à 14 mètres de marnage) dans la baie du Mont-Saint-Michel, où il est traditionnellement dit que « la mer monte à la vitesse d'un cheval au galop » et entoure alors le Mont-Saint-Michel.
L'archipel normand de Chausey, on peut y voir 365 îlots à marée basse contre environ 52 îles à marée haute.
Le Saltstraumen en Norvège, remplissant un fjord de 400 millions de mètres cubes.
Horizontal Falls en Australie-Occidentale, région des Kimberley (10 mètres de marnage environ).
Pondichéry et certains ports du Viêt Nam où il n'y a qu'une seule marée par jour.
Egger Ph.