Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Les marées

 

 

Explication   

Les grandes marées ou marées de vives-eaux

Les petites marées ou marées de mortes-eaux

La Lune s'éloigne !

La baie du Mont-Saint-Michel

Où va l'eau de mer à marée basse ?

Activités 

 

 

Explication

Les marées résultent de l'attraction de la Lune et du Soleil sur les océans du globe.

La loi d'attraction a été découverte par Newton : 2 corps s'attirent mutuellement, d'autant plus qu'ils sont massifs et rapprochés. La Lune et la Terre s'attirent donc mutuellement. Le Soleil, très massif par rapport à la Lune, a pourtant moins d'influence que celle-ci car elle est beaucoup plus éloignée.

La Lune attire donc la Terre, et notamment les masses liquides de plusieurs mètres mais aussi la surface terrestre mais seulement de quelques centimètres.

Sur les 4 schémas, on a représenté un phare fictif qui indique que la Terre tourne sur elle-même face à la Lune qui est pratiquement immobile puisqu'il lui faut 29 jours environ pour faire le tour de la Terre

Il est minuit. La Lune attire les masses d'eau face à elle et à son opposé par rapport à la Terre. Notre phare se trouve donc à marée basse, ainsi que les zones situées à son opposé. 

 

Il est 6 heures. La Terre a tourné d'un quart de tour ( 24:4=6 ), la Lune n'a pratiquement pas bougé. Le phare est donc face à la Lune et le niveau monte, c'est marée haute. On peut constater que la Lune a légèrement avancé, que la mer ne sera haute qu'à 6h01.  

Il est midi. La Terre a encore tourné d'un quart de tour, le phare est maintenant en zone de marée basse. La Lune avance lentement autour de la Terre. La mer sera basse à 12h16.

 

Il est 18 heures. Le phare est à l'opposé de la Lune et se trouve en zone de marée haute. La mer sera haute dans un quart d'heure, à 8h15.

 

Il est minuit. Le phare est revenu à sa position de départ, à marée basse. La mer ne sera complètement haute qu'à minuit 31. Il y a donc un décalage d'environ une demi-heure qui variera suivant les périodes de l'année. 

 

Les grandes marées ou marées de vives-eaux

Elles se produisent quand le Soleil et la Lune agissent ensemble sur les océans. C'est à dire quand ils sont tous deux alignés du même côté de la Terre ou de part et d'autre. La mer monte alors très haut et descend très bas. C'est l'amplitude de la marée qui est très grande, c'est à dire la différence de hauteur entre la marée haute et la marée basse. La plus importante de l'année 2002 eu lieu le 30 mars avec un  coefficient de 118. Ce coefficient peut monter jusqu'à un maximum de 120.

 

 

Les petites marées ou marées de mortes-eaux

Elles se produisent quand les actions du Soleil et de la Lune se contrecarrent, c'est à dire quand ils sont placés sur 2 axes perpendiculaires à la Terre. On dit en quadrature. La mer ne monte pas très haut, elle ne descend pas très bas. L'amplitude de marée est faible. Le coefficient de marée peut descendre jusqu'à 20.

 

La Lune s'éloigne

D'abord, pour savoir si c'est vrai, il faut être capable de mesurer la distance Terre-Lune. Et pas au kilomètre près, sinon, on ne percevrait rien, mais à quelques millimètres près. Et vous êtes tentés de penser que c'est de la folie de vouloir mesurer une distance de 380 000 km avec une incertitude de 3 mm...

Et pourtant, c'est ce que réalise régulièrement une équipe du CERGA, laboratoire d'Astronomie dans le sud de la France. Le principe de base en est très simple, même si dans le détail, le traitement des mesures est quelque peu subtil. Quand vous criez en face d'une falaise, quelques fractions de secondes plus tard, vous percevez un écho. De cette manière, connaissant la vitesse du son, vous pouvez calculer à quelle distance la montagne se trouve de vous. Pour la Lune, pas la peine de s'égosiller, le son ne se propage pas dans le vide. Par contre, la lumière fait ça très bien. On émet donc une impulsion de faisceau LASER vers la Lune, on chronomètre la durée de l'aller-retour (environ 2,5s) et on a la distance Terre-Lune, d'autant plus précisément que l'on est équipé d'une horloge atomique de haute qualité.
Laser-Lune © CERGA

 

La précision est époustouflante. Cela reviendrait à mesurer la longueur d'une feuille de papier (format A4) à mieux que le 1/100ème du diamètre d'un atome!... Et grâce à ces mesures, on découvre que la Lune s'éloigne de nous d'un peu moins de 4 cm par an. Mais qu'est-ce qu'on lui a fait?

C'est en fait encore un coup des marées. La Lune (et le Soleil accessoirement) crée un bourrelet de marée sur la Terre.

Le bourrelet des marées

 

Le seul détail supplémentaire à prendre en compte est que, comme illustré ci-contre, le grand axe de ce bourrelet est un peu en avance sur la direction Terre-Lune. Pourquoi ça? Parce que la Terre tourne plus vite sur elle-même (24h) que la Lune autour de la Terre (près d'un mois). Elle entraîne donc avec elle cette ellipse de marée. La Lune tire sur le bourrelet, et de ce fait ralentit la vitesse de rotation terrestre. En échange, le bourrelet tire sur la Lune, l'accélère, et donc l'éloigne de la Terre.

Vous comprenez alors que les conséquences sont multiples et imbriquées: La Lune s'éloigne de nous en ralentissant la vitesse de rotation de la Terre. A long terme, le système Terre-Lune terminera son évolution par une synchronisation. En effet, la Terre tournera alors aussi vite sur elle-même que la Lune autour de la Terre. Seul un hémisphère Terrestre pourra alors contempler la Lune. Tout comme actuellement, un seul hémisphère lunaire peut contempler la Terre.

                 On imagine alors les organismes de voyages de l'époque (dans plusieurs dizaines de millions d'années), qui emmèneront les touristes voir la Lune, immobile à longueur de journée dans le ciel, mais pour une seule moitié de Terre. On ne sait pas encore quelle sera l'heureuse élue...

                Pour finir, vous avez peut-être remarqué que cet éloignement était lié au fait que la Lune soit au delà de l'orbite géostationnaire actuelle (36000km) de la Terre. On devine alors que si le satellite est en deçà de cette orbite, il y aura attraction et peut-être écrasement du satellite sur la planète attractrice. Et c'est par exemple le cas de Mars et de sa petite lune Phobos, qui finira par s'écraser au sol, alors que son autre lune, Deimos, est en phase d'éloignement, comme notre Lune...

                Décidément, on ne peut pas faire confiance à toutes ces vieilles lunes...

La Lune s'éloigne... par le calcul !

 

La baie du Mont Saint-Michel

Dans la baie du Mont-Saint-Michel, la mer se retire parfois très loin, jusqu'à 12 km au large, car le relief est très plat.

A marée haute, la mer remonte très vite, à la vitesse d'un cheval au galop, dit-on ! C'est sans doute exagéré, mais ces marées sont les plus importantes d'Europe. 

 

Où va l'eau à marée basse ??

Mais où elle part, la mer ? Voilà en gros ce qu'ont dû se demander bon nombre de nos ancêtres face à une marée. Et les théories farfelues n'ont pas manqué. Pour expliquer le phénomène, il a fallu des vagues successives de découvertes: de Galilée à Laplace, en passant par Newton, chacun y a mis son grain de sel...

 Y aurait-il, au fond de la mer, des gouffres ou des bouches par lesquelles, respirant comme une énorme baleine, la Terre attirerait et rejetterait l'eau? » L'homme qui s'interroge ainsi a une idée précise sur la marée. Loin de lui cette vision du monstre tapi au fond des océans. Non, il laisse ce type de divagations aux péripatéticiens, « ces philosophes académiques plus épris de leur doctrine que de la vérité ». Galileo Galilei n'argumente que sur des observations.

  Nous sommes en 1630, et notre homme est persuadé de détenir la preuve d'une bouleversante vérité. Dans son ouvrage Le Messager des étoiles, il donne raison à Copernic, un savant du siècle précédent, qui avait publié un an avant sa mort une nouvelle théorie de l'Univers passée inaperçue: la Terre tourne autour du Soleil. Galilée affirme pêle-mêle que Jupiter possède quatre lunes, que Vénus tourne autour du Soleil et que le système de Ptolémée ( le Soleil et les planètes tournent autour de la Terre supposée fixe au centre du monde ) est bel et bien dépassé.

  Jusque-là, philosophes et académiciens, hommes de science et d'Église, conformément aux Saintes Écritures, plaçaient à l'unisson la Terre au centre du monde... Affirmer le contraire revenait à blasphémer. Mais le savant persiste et signe. Le Vénitien natif de Pise est orgueilleux et plus têtu qu'un Breton. Et surtout, il pense détenir une preuve irréfutable: les marées. Si la mer va et vient, c'est que la Terre tourne. Pas mal, mais presque totalement faux.

Pourquoi, deux marées par jour? Voilà le hic.

  Admettons que la rotation de la Terre fasse tellement bouger l'eau que celle-ci s'élèverait au-dessus des rivages. Mais pourquoi deux fois par jour et pourquoi à intervalles réguliers? Heu... Disons que pour répliquer à ce hic, le grand homme rafistole des bouts de théorie et bâtit son argumentation sans vraiment répondre. Il va même devant le pape pour faire une démonstration. Puis il entreprend l'écriture d'un pavé où il s'acharne à détruire les autres explications de ses contemporains concernant les marées. Pour commencer, celle de son ancien maître Girolamo Borro. Cet éminent professeur de médecine et de philosophie à l'université de Pise soutient mordicus que la Lune chauffe la mer et dilate les eaux. D'où la marée... Mais Galilée détruit l'argument. Et le Soleil qui chauffe plus, devrait-il alors provoquer un raz de marée? L'élève Galileo Galilei a le vent en poupe. Ses livres sont appréciés. Il a un talent indéniable; en outre, il écrit pour être lu par tous, mais reste vigilant et se méfie de ses pairs: il annonce ses découvertes à des amis dans un langage codé pour que ses concurrents ne les revendiquent pas. Reconnu par la communauté des lettrés, il ne tient pas à partager le tuyau - même percé - qui mène à la théorie du mouvement de la Terre. La personnalité de Galilée fera que, pendant près d'un demi-siècle, la compréhension des marées ne progressera pas, et ce pauvre Kepler, qui avait fait le lien entre le va-et-vient de la mer et la Lune sans toutefois pouvoir l'expliquer, ne pourra pas se faire écouter.

  Il faut dire que la chose était bien difficile à imaginer: aucune ficelle ne retenait la Lune à la Terre. On avait bien pensé à un système de fronde, faisant tourner la Lune autour de la Terre, comme une corde qui maintient un caillou. D'ardus calculs avaient été menés. Tous s'accordaient sur un point: ce lien devait ressembler à un câble d'acier d'un diamètre égal à celui de la Terre; comment pouvait-il passer inaperçu? Quelle force occulte pouvait exister entre deux corps indépendants pour que les mouvements de l'un provoquent les soubresauts de l'eau à la surface de l'autre? Quel savant pouvait soutenir une explication aussi farfelue ?

  Justement, un Anglais qui viendra au monde onze mois après la mort de Galilée, en fera son affaire. Son nom: Isaac Newton. En 1665, tandis que l'université de Cambridge ferme ses portes à cause des ravages de l'épidémie de peste, Newton médite dans son verger au pied des pommiers. La chute des fruits et le mouvement des astres l'inspirent. Il pressent déjà la loi de gravitation universelle ( Plus la masse de deux corps est grande et plus ils sont proches l'un de l'autre, plus la force d'attraction est importante ) qui le rendra célèbre. Durant vingt années il laisse décanter cette lumineuse idée, le temps d'inventer une méthode mathématique pour calculer cette force de gravité. Pensez à la complexité des problèmes: la pomme est non seulement attirée par la Terre, mais aussi, à un degré moindre, par la colline qui se trouve à sa proximité, et, à très petite dose, par chacun des cailloux au pied de l'arbre. Avec tous ces rapports de forces, Newton concocte un problème à plusieurs corps, les uns interagissant avec les autres. Une méthode appelée « calcul infinitésimal », encore très utilisée aujourd'hui. Elle permet de comprendre les marées, car, dans l'Univers, tous les corps s'attirent mutuellement. La Lune attire la Terre, le Soleil et les autres planètes aussi. Pour calculer à une patte de crevette près l'amplitude des flux et reflux de l'eau, il faut tenir compte de toutes ces petites attractions lointaines. Mais on peut simplifier avec le problème à trois corps: un ménage à trois où le Soleil vient un peu perturber les amours de la Terre et de son satellite. Voilà pour les acteurs.
  Le plancher des vaches nous paraît bien solide, mais à des échelles astronomiques notre globe joue à la guimauve. Ses continents et son intérieur se déforment, sans parler de l'eau qui recouvre 70 % de sa surface. Ce détail est important: nous sommes tellement habitués à raisonner sur les corps rigides que pour les marées nous commençons par emberlificoter le problème. Si la Terre était un bloc de roche non déformable, sous l'attraction de la Lune, elle se rapprocherait puis se stabiliserait sans broncher ni se déformer. Mais voilà cette hypothèse est bien loin de la réalité. A l'échelle des marées, la Terre se déforme comme un bout de caoutchouc, comme une peau de bébé bien tendre: elle devient plus joufflue si on lui tire sa bonne bouille des deux côtés. Mais dès qu'on lâche, les grosses joues reviennent à leur place: c'est un comportement élastique.

  Justement, Brest et les îles Wallis sont deux bouts de la France situés aux antipodes comme les deux joues de chaque côté de la tête. Lorsque la Lune passe juste au-dessus de Brest, la patrie des forbans devient le point le plus attiré de la planète. Si on pouvait mesurer cette force sur une échelle imaginaire et farfelue, on dirait que la pointe de la Bretagne se rapproche de, disons, 10 pas de la Lune. Mais en même temps, quelque part entre Brest et Wallis, se trouve le centre de la Terre. L'attraction de la Lune s'y fait moins sentir. Ce point se rapproche, disons, de 7 pas vers la Lune... Alors secouons un peu nos neurones: si la Bretagne se déplace de 10 pas vers la Lune et le centre de la Terre de 7 pas seulement, compte tenu du caractère déformable de notre planète, c'est que Brest s'est soulevé de 3 pas. Normal, la mer y est haute. Pendant ce temps, de l'autre côté de la Terre, les îles Wallis sont aussi attirées par la Lune. Mais vu l'éloignement, celle-ci les attire encore moins que le centre de la Terre, disons de 4 pas seulement. Alors, de nouveau, mobilisation de matière grise: si le centre du globe fait 7 pas et que Wallis n'en fait que 4, l'île paradisiaque va rester à la traîne et même pire: entre elle et la nouvelle position du cœur de la Terre, la distance va augmenter de 3 pas

Ancienne position de la Terre en jaune.

Nouvelle position de la Terre en rouge.

 

L'île va donc se soulever par rapport au centre de la planète. Même si la Lune ne se montre qu'en Bretagne, la marée est aussi haute à Wallis. Ce qui explique aussi qu'à Brest et à Wallis, comme à peu près partout dans le monde, la mer est haute deux fois par jour, même si la Lune survole une seule fois chacun de ces endroits en vingt-quatre heures. A Brest, par exemple, la mer est haute une première fois quand notre satellite passe au-dessus de la ville, puis une seconde fois lorsqu'il est au-dessus de Wallis, située à l'antipode de Brest. Dès que la Lune s'éloigne, les deux bourrelets de Brest et de Wallis disparaissent. La mer retourne à son niveau normal et les deux bosses se reforment ailleurs. Tout se passe comme si la Terre jouait au hula-hoop, faisant bouger un anneau autour de sa taille.

En considérant le couple Terre - Lune, Newton avait déjà résolu en grande partie le problème des marées. Mais, comme il s'en doutait, le Soleil devait bien y mettre son nez pour en faire un système à trois corps. Plongeant dans les travaux de ses prédécesseurs, Newton en ressort avec des tracés et des équations plein les bras pour comprendre qu'en période de pleine Lune et de nouvelle Lune, la Terre, le Soleil et la Lune se situent sur un même axe: l'action de la Lune et celle du Soleil sur la Terre s'ajoutent pour créer une grande marée, que l'on appelle de « vive-eau ». Au contraire, lorsque la Lune ne montre qu'un quartier, le Soleil et notre satellite font un angle de 90°: leurs actions se contrarient mutuellement. Les marées sont alors de « morte-eau ». Ce va-et-vient est visible en ce qui concerne l'eau. Mais Newton le pressent déjà, c'est la Terre tout entière qui se déforme comme une balle en caoutchouc. Résultat: les continents aussi se soulèvent de 30 cm deux fois par jour. C'est la marée en pleine Terre, la marée solide que l'on ne ressent pas, mais que, plus d'un demi-siècle après, un Français du nom de Clairault mettra en évidence.

Dès 1687, date de la parution de Principia mathematica, où Newton expose sa théorie, la hauteur de la marée à un endroit précis et à une date donnée peut être calculée. La mesure coïncide en moyenne à 10 % près et c'est une grande satisfaction que de comprendre et de prédire à ce point les phénomènes naturels. Mieux encore est d'expliquer, grâce à une loi unique, la position des planètes, l'orbite des satellites..., bref une grande partie de ce qui est observé autour de nous

 

Activités

Fabrication d'une marée

Matériel : un ballon de baudruche, une ficelle, de l'eau

1 Remplir le ballon d'eau qui symbolise la Terre.

2.  Fermer avec la ficelle en faisant un nœud.

3.  Tirer la ficelle d'un coup sec. Le ballon se déforme du côté où tu tires, mais aussi du côté opposé. 

 

n  Copain du ciel     Ed. Milan
 

Construction d'un graphique

Représenter les heures des marées suivant les jours du mois.

Observation : 4 marées par jour dont deux marées hautes et deux marées basses.

                    décalage progressif des heures dues au déplacement de la Lune autour de la Terre.

                    les mêmes heures de marée se retrouvent tous les 15 jours environ.

En savoir plus : http://membres.lycos.fr/vinaro/maree/mareefin.html