Les mécanismes des marées - Université Paris-Sud

Laure Barthes, Marc Girondot
Université Paris Sud
Les mécanismes des marées
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 un
déplacement horizontal, en raison de l'arrivée de l'onde de
marée sur les côtes.
le courant de flot monte et recouvre des étendues plus
ou moins grandes du rivage (la Pleine mer = PM)
le courant de jusant, descent laissant les mêmes
étendues à sec (la Basse mer = BM).
Sur nos cotes, on observe deux marées par jour, des marées
de vives-eaux et mortes eaux qui alternent tous les 14 jours
et des grandes marées d’equinoxes en automne et au
printemps
2 marées hautes par
jour
Marée de vive eau
tous les 14 jours
Marée de morte eau
tous les 14 jours
L’origine des marées: les acteurs
Le soleil
Diamètre équatorial= 1 392 000 km
Masse = 1,99 1030 kg
La terre, tourne autour du soleil en 365,24 jours, à une distance
moyenne de 149,5 millions de km (de 147,1 à 152,1 106 km)
La terre tourne sur elle-même en 24h environ
Diamètre équatorial= 12846 km
Masse = 5,95 1024 kg
La lune, satellite de la terre, tournant en 29,53 jours à une
distance de 384 400 km (de 356 400 à 406700 km)
Diamètre équatorial= 3472 km
Masse = 7,35 1022 kg
Les forces en jeu
Loi de l’attraction universelle de Newton: les
corps s’attirent proportionnellement à leur masse
et inversement au carré de leur distance.
Fa = g. MM’/d2
1643-1727
• Les océans sont soumis à la force d’attraction exercée par
la lune (et le soleil).
• Mais aussi à la force centrifuge due au mouvement de rotation de
la terre autour du centre de masse du couple terre lune
• Le mouvement crée une force centrifuge opposée à l'attraction
qui la maintient en équilibre sur son orbite autour de G.
• Sur terre, la force centrifuge est constante en tous les points du
globe, et dirigée dans le sens opposé à l'astre attracteur.
G
La résultante de l’addition de ces deux forces (attraction et
centrifuge) génère la « Force génératrice de la marée » FM
• L’effet de marée est un terme différentiel
(différence entre deux forces) ce terme est nul au
centre de la terre et extrêmement faible à la
surface de la terre. Il est 10-7 fois plus faible que la
la pesanteur.
• Il n’a d’effet que sur des très grandes durées
(ralentissement de la rotation de la terre au fils des
âges) ou sur les très grandes masses (océan).
• Plus la masse d’eau est forte, plus la marée
présente une forte amplitude. Exemple,
Méditerranée, marée de 20 cm
Sous l’effet de la force de marée la surface des
océans prend la forme d’un ballon de Rubgy.
Tous les jours, le long des côtes françaises, la mer
monte et descend deux fois…
La terre tourne sur elle même en un peu moins de
24 heures (23h 56mn 4,1sec).
Donc en première approximation, un point sur la Terre
passe de A en B en environ 6 heures (marée haute puis
marée basse ) et le décalage entre deux marées hautes
successives est de 12 heures (A et C).
•
Deux grandes
marées successives
n’ont pas forcement
la même hauteur
•
Le cas particulier de
l’exemple 1 se produit
avec le soleil aux
équinoxes, et deux
fois par 28 jours avec
la lune
Les marées de vives-eaux et de
mortes-eaux
La lune et le soleil provoquent
chacun un effet de marée :
•Les deux effets sont du même
ordre de grandeur :h(S)=0,45h(L)
• Les deux effets s’ajoutent ou se
compensent selon l’alignement de
la lune, la terre et le soleil.
Pour les marées de vives-eaux,
les forces s’additionnent alors
qu’elles sont perpendiculaires
pour les marées de mortes-eaux.
La révolution de la lune autour de
la terre étant de 28 jours. On a
des marées de vive-eaux tous les
14 jours et des marées de morteseaux tous les 14 jours
La phase de la lune est un
indicateur de l’alignement
lune, terre, soleil…
Et donc de la hauteur des
marées.
Les grandes marées d’équinoxe
Les grandes marées d’équinoxe
•
Le solstice d'été (autour du 21 juin) correspond à la journée la plus
longue de l'année, et inversement le solstice d'hiver (autour du 21
décembre) 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 maximale
par rapport à la terre: 23 degrés nord au solstice d'été et 23 degrés sud
au solstice d'hiver.
•
Équinoxe vient du latin et signifie que la durée du jour est égale à celle
de la nuit. Pour que cela se produise il faut que le soleil soit situé dans
le plan de l'équateur terrestre, ce qui veut dire que la déclinaison
solaire est nulle. C'est le cas deux fois par an; autour du 21 mars et du
23 septembre. La position solaire est alors optimale pour amplifier
les marées de type semi-diurne. Dès que la lune et le soleil sont
alignés en syzygie la grande marée d'équinoxe prend place.
En résumé :
• La rotation de la terre sur elle même = 2 marées
par jour
• La révolution de la lune autour de la terre, crée des
situations d’alignement avec le soleil = les marées
de vives-eaux et mortes-eaux
• La révolution de la terre autour du soleil = les
grandes marées d’équinoxe.
Les coefficients des marées
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Les coefficients de marée sont des grandeurs, sans unité, exprimées en
centièmes, variant de 20 à 120, qui indiquent l'amplitude de l'oscillation
de la marée. Ces coefficients ont été crées au XIX ième siècle par des
hydrographes français, en choisissant arbitrairement la valeur de 100 pour
un alignement équatorial soleil-lune avec une distance moyenne luneterre, donc pour une marée d'équinoxe moyenne. Ce système de
caractérisation 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 marnage
attendu. En effet, les valeurs précises du marnage dépendent des
configurations de chaque lieu et ne sont donc pas généralisables partout
pour une marée donnée, d'où l'intérêt des coefficients.
Le retard de l’heure de la marée
L’heure de la marée est retardé
en moyenne de 50 min de jour
en jour.
Ceci est dû au fait que pendant
que la terre tourne en 24h, la
Lune, elle, se déplace sur son
orbite d’environ 13°, la terre
rattrape ce retard en 50 min.
•En fait le décalage n’est pas régulier car l’orbite de la lune autour de la terre n’est
pas un cercle, mais une ellipse
•La deuxième loi de Kepler dit que l’aire balayée par le rayon Terre Lune par unité
de temps est constant.
•Lorsque la lune passe près de la terre (périgée) sa vitesse de parcours s'accélère
jusqu'à environ 14 degrés en 24h. Lorsqu'elle est très éloignée de la terre (apogée) sa
vitesse se ralentit jusqu'à environ 11 degrés en 24 h. Ceci explique en partie pourquoi
le 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 journalier
de la marée varie entre 30 mn et 1h 40 mn.
P
A’
14°
Périgée
P’
Terre
11°
Apogée
A
Johannes Kepler
Le déplacement de la déformation
autour de la terre
La marée est une déformation de la surface
des océans en réponse à l'attraction et au
mouvement des astres. Comme la terre
tourne sur elle-même cette déformation se
propage autour de la terre en suivant le
mouvement apparent de la lune et du soleil.
Cependant la propagation de l'onde à la surface du globe rencontre plusieurs
obstacles :
1- L'onde de marée est déviée: la rotation de la terre sur elle-même crée des
forces (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 un
frottement au fond des océans, qui retarde la progression de l'onde
4- L'onde de marée peut, dans certains lieux, être amplifiée par résonance: la
forme géométrique des bassins océaniques permet plus ou moins bien le
développement d'ondes de périodes diurnes (24 heures)
Donc sous l'action des forces génératrices de marée la surface des océans ne prend pas
la forme d'un bourrelet mais une forme plus compliquée. L'image du bourrelet permet
de 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 inverse
des aiguilles d'une montre, dans l'hémisphère nord et dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère
sud. Ainsi, l'onde de marée est-elle déviée dans l'Atlantique nord dans le sens inverse des aiguilles d'une montre
autour d'un point où la marée est nulle: le point amphidromique. Dans l'océan Pacifique et Indien il existe
plusieurs points amphidromiques.
La marée peut être décrite par un système complexe composé
de 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, période
de 12h24’
•
Les ondes de types diurnes
– Soleil : onde K1, période de
24h
– Lune : onde O1 et Q1, période
de 24h50’
•
•
Les ondes bimensuelles
Etc……
Le type de marée dépend en fait de l'importance relative des composantes diurnes par rapport aux
composantes semi-diurnes selon le rapport :
c'est le rapport des amplitudes
diurnes (solaire O1 et lunaire
K1) sur les amplitudes semidiurnes (solaire S2 et lunaire
M2)
Les types de marées se répartissent ainsi dans le monde :
vert : semi-diurne, 0 < F < 0.25
orange : mixte, 0.25 < F < 3
blanc : diurne, 3 < F
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'environ
24 heures, sa longueur d'onde correspond au quart de la
circonférence terrestre, soit 20.000 km. Pour que des
oscillations de cette amplitude se déroulent à la surface du
globe sans retard par rapport aux astres, il faudrait une
profondeur d'océans de 22 km! Or la profondeur moyenne
des océans n'est que de 4 à 6 km. On comprend qu'il y ait
un important frottement qui retarde l'onde par rapport à la
position des astres. Ce retard s'appelle l'âge de la marée.
L'âge de la marée est défini comme l'intervalle de temps
entre la syzygie (configuration en alignement des astres
attracteurs, amplifiant le phénomène de la marée) et la plus
forte marée qui la suit . A Roscoff l’âge de la marée est de
trois jours !
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Quelles sont les forces qui génèrent la marée ?
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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 ?
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Pourquoi l'amplitude des deux marées successives n'est-elle pas toujours identique ?
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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 ?
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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/mareeintro.html
• www.ifremer.fr/lpo/cours/
maree/ondes.html