Pourquoi des tourbillons se forment-ils au milieu de la mer ?
― La « différence de hauteur » entre deux mers crée un courant semblable à une rivière
La mer paraît plate. Et pourtant, dans les détroits étroits, l'eau file en grondant et des tourbillons naissent puis s'effacent les uns après les autres. En réalité, la marée ne monte pas à la même heure des deux côtés du détroit. Ce décalage crée une différence de hauteur à la surface de la mer, et forme une « rivière » à l'intérieur même de l'océan.
Vous regardez, depuis un pont, un détroit étroit. La mer devrait n'être qu'une surface plate à perte de vue.
Pourtant, juste sous vos yeux, l'eau file en traçant des lignes blanches. À côté, un creux en forme d'entonnoir s'ouvre, puis se dissout en quelques dizaines de secondes. Presque aussitôt, un nouveau tourbillon naît un peu plus loin.
Le vent n'est pas fort. Ce n'est pas non plus une rivière. Alors pourquoi l'eau coule-t-elle si vite, et pourquoi s'enroule-t-elle en tourbillons ?
Deux grandes raisons expliquent cela
L'onde de marée avance en contournant le relief des côtes. De ce fait, les horaires de marée haute et basse se décalent entre les deux côtés d'un détroit : quand un côté est à marée haute, l'autre peut être encore à marée basse. Une différence de hauteur apparaît alors à la surface, et l'eau s'écoule du côté le plus haut vers le côté le plus bas.
Le centre du détroit est profond, donc le courant y est rapide. Près des rives, l'eau est peu profonde et le frottement avec le fond ralentit le courant. Quand une eau rapide et une eau lente se côtoient, leur frontière se tord comme sous l'effet d'une cuillère qu'on remue, et s'enroule en tourbillon.
Ces deux raisons s'enchaînent : la première crée « une rivière dans la mer », la seconde fait s'enrouler les bords de cette rivière en tourbillons. Voyons cela en détail.
D'abord, une « pente » se forme à la surface de la mer
Les marées naissent du gonflement de la surface marine sous l'attraction de la Lune et du Soleil. Mais ce gonflement avance en contournant les terres, si bien que l'heure à laquelle il atteint chaque endroit varie.
Imaginons deux mers reliées par un détroit étroit. D'un côté, l'onde de marée arrive rapidement par un trajet court ; de l'autre, elle n'arrive qu'après un long détour. Au même instant, on observe donc que le niveau de l'eau est haut d'un côté et bas de l'autre.
L'eau s'écoule toujours du point haut vers le point bas. Le détroit est l'étroit passage qui relie ces deux mers. Comme il doit compenser, à travers ce seul passage étroit, la différence de niveau de deux vastes étendues d'eau, le courant qui y circule devient très rapide. Dans le détroit de Naruto, au Japon, la vitesse du courant de marée peut atteindre environ 5 mètres par seconde. C'est bien plus rapide qu'une personne marchant d'un bon pas.
Ensuite, les bords du courant s'enroulent en tourbillons
Si le courant rapide s'écoulait de façon uniforme, aucun tourbillon ne se formerait. Ce qui engendre les tourbillons, c'est la « différence ». Regardez la figure 1. Elle montre le détroit vu du dessus : le courant est plus rapide au centre, et plus lent près des rives.
Imaginez une particule d'eau située juste à la frontière. D'un côté, elle est entraînée par l'eau rapide ; de l'autre, elle est retenue par l'eau lente. Quand l'avant et l'arrière d'un objet subissent des forces différentes, cet objet commence à tourner. C'est le même principe qu'une voiture qui change de direction quand une seule roue tourne plus vite que l'autre.
Cette petite rotation née à la frontière entraîne peu à peu l'eau environnante et grossit. Comme elle apparaît de part et d'autre du courant rapide central, près des rives du haut et du bas, les tourbillons tournent en sens inverse en haut et en bas. Un tourbillon qui a grossi finit par se disloquer, et un nouveau tourbillon naît alors. C'est pour cette raison que les tourbillons de marée apparaissent « en grand nombre, les uns après les autres ».
La vitesse du courant augmente quand la différence de hauteur des marées est grande. À l'inverse, près du moment où la marée change de sens, cette différence diminue, et le courant comme les tourbillons s'apaisent. Les horaires des bateaux d'observation varient d'un jour à l'autre parce que le moment où « la différence devient grande » se décale suivant le mouvement de la Lune.
Lorsque la Lune et le Soleil sont alignés dans la même direction, ou en direction opposée — pleine lune ou nouvelle lune —, l'amplitude des marées augmente. La différence de niveau de la mer s'accroît alors, le courant s'accélère, et les tourbillons ont tendance à grossir davantage. Les années varient, mais on observe plus facilement de grands tourbillons autour des grandes marées de printemps et d'automne.
En résumé
Le tourbillon de marée naît d'un décalage des horaires de marée entre les deux côtés d'un détroit, qui crée une différence de hauteur à la surface de la mer. Cette différence engendre un courant rapide qui cherche à la combler, et les bords de ce courant s'enroulent en tourbillons. Il faut que trois éléments se conjuguent — le mouvement de la Lune, la forme des côtes, la profondeur du fond marin — pour que ce paysage apparaisse.
Cet instant où la mer cesse d'être plate,
l'eau nous le montre sous la forme d'un tourbillon.
Le mécanisme même des marées est expliqué dans Pourquoi la marée monte-t-elle et descend-elle deux fois par jour ?. La façon dont la frontière d'un courant se tord et modifie le tracé de l'eau est également abordée dans Pourquoi une rivière ne coule-t-elle pas droit, mais serpente-t-elle ?. Sur l'aspect « la mer emporte les gens », voyez aussi Pourquoi se retrouve-t-on parfois « emporté vers le large sans s'en rendre compte » ?.
- Versez environ 5 centimètres d'eau dans une cuvette ou un grand récipient. Saupoudrez une pincée de poudre (poivre, ou base de bouillon en poudre) à la surface comme repère.
- Placez la paume de la main juste sous la surface de l'eau, et déplacez-la lentement, en ligne droite, du bord du récipient vers le centre. L'astuce est de bouger en une seule ligne droite, sans remuer dans tous les sens.
- Observez les deux côtés du sillage laissé par la main. À la frontière entre l'eau rapide et l'eau immobile, plusieurs petits tourbillons naissent, alignés. Plus la main va vite, plus les tourbillons sont petits et nombreux.
C'est exactement le même mécanisme que celui de la figure 1. Dans le détroit, c'est la différence de hauteur de la marée, et non une main, qui pousse l'eau.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les programmes scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau des cours de « physique de base / sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (mécanique des fluides, physique océanique)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore enseigné à l'université comme une « théorie établie », et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Courant de marée : le déplacement horizontal de l'eau de mer accompagnant la montée et la descente de la marée. Le mouvement vertical est le « niveau de marée », le mouvement horizontal est le « courant de marée ».
- Différence de niveau : la différence de hauteur de la surface de la mer, observée au même instant, entre deux zones maritimes voisines. C'est elle qui fournit la force motrice du courant.
- Tourbillon : une masse d'eau qui se déplace en tournant sur elle-même. Ici, il s'agit de ceux qui naissent à la frontière entre deux courants de vitesses différentes.
CollègeLycéeVérification par le calcul : estimer la vitesse du courant à partir de la différence de hauteur
Utilisons le raisonnement le plus simple pour estimer la vitesse du courant à partir de la différence de niveau : on considère que l'eau qui se trouvait en hauteur se met à courir avec l'élan que lui donne sa chute sur cette hauteur. Parmi les symboles utilisés ici, l'unité de la différence de hauteur est le « mètre », celle de l'intensité de la gravité le « mètre par seconde carrée », et celle de la vitesse le « mètre par seconde ».
| En symboles | v = √( 2 × g × h ) |
| En mots | vitesse du courant = racine carrée de (2 × intensité de la gravité × différence de hauteur de la surface de la mer) |
| D'où vient cette formule | De la conservation de l'énergie. On considère que l'énergie potentielle de l'eau de la mer la plus haute se transforme en énergie cinétique lorsqu'elle s'écoule vers la mer la plus basse (c'est le théorème de Bernoulli, appliqué à un écoulement sans frottement) |
| Différence de hauteur de la surface entre les deux côtés du détroit | 1,5 mètre |
| Intensité de la gravité (valeur repère) | environ 9,8 |
| Coefficient fixe pour convertir une vitesse en m/s en km/h | 3,6 |
| D'abord, doubler l'intensité de la gravité | 2 × 9,8 = 19,6 |
| Puis multiplier par la différence de hauteur | 19,6 × 1,5 = 29,4 |
| Chercher un nombre dont le carré s'approche de 29,4 | 5,4 × 5,4 = 29,16 |
| Convertir cette vitesse en km/h | 5,4 × 3,6 = 19,44 |
Pour une différence de hauteur de 1,5 mètre, le courant atteint environ 5,4 mètres par seconde, soit environ 19 kilomètres par heure. C'est à peu près la vitesse d'un vélo. Dans un détroit réel, le frottement du fond et la longueur du passage ralentissent un peu ce courant. Il reste néanmoins du même ordre de grandeur que les vitesses de courant de marée réellement mesurées.
LycéeLycée+Pourquoi l'étroitesse du passage joue-t-elle un rôle ?
LycéeQuand la section du passage se rétrécit, le courant doit accélérer pour laisser passer la même quantité d'eau. C'est le même effet qu'une large rivière qui accélère brusquement en entrant dans un canal étroit. Le produit de la surface de la section et de la vitesse du courant reste à peu près constant. Le détroit est précisément ce « canal étroit ».
Lycée+On sait que la frontière entre deux courants de vitesses différentes devient instable au moindre trouble, ondule puis s'enroule sur elle-même. Ce phénomène apparaît aussi bien dans la forme des nuages que dans les frontières entre couches de l'atmosphère. Le tourbillon de marée n'est que cette même instabilité, rendue visible à l'échelle de l'océan.
UniversitéLe tourbillon se compte comme une « quantité de rotation »
En mécanique des fluides universitaire, on décrit la torsion d'un champ d'écoulement par une quantité de rotation, définie en chaque point. Le degré de variation de la vitesse d'un endroit à l'autre correspond directement à cette quantité. Dans un courant rapide au centre et lent près des rives, cette quantité devient grande à la frontière, et c'est de là que naît le tourbillon. On appelle cette quantité la « vorticité ». En physique océanique, on y ajoute les effets du relief du fond marin et de la rotation de la Terre pour prévoir le courant de marée propre à chaque détroit.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Théorème de Bernoulli (Wikipédia japonais) ／ Vorticité (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Durée de vie et taille des tourbillons Combien un tourbillon donné va grossir, et à quel moment il se disloquera, dépend de la différence de niveau du jour et du relief détaillé du fond marin. Prédire à l'avance le comportement d'un tourbillon précis reste encore difficile.
- Forme en profondeur Jusqu'où, sous la surface, s'étend un tourbillon visible en surface : c'est difficile à observer, et les données restent rares. Des observations par ultrasons se développent récemment.
- Lien avec les êtres vivants On pense qu'un courant de marée violent brasse l'oxygène et les nutriments, créant des zones de pêche riches. Mais la façon de quantifier cet effet fait encore l'objet de recherches.
En somme, le contenu de cet article reste lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Le comportement de chaque tourbillon en particulier pourrait encore être révisé à l'avenir.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : effets des forces, mouvement de la Lune et de la Terre | Comment une différence de hauteur pousse l'eau, les marées |
| Lycée | Physique de base : transformations de l'énergie／Sciences de la Terre de base : océanographie | Calcul de la vitesse à partir de la différence de hauteur |
| Lycée+ | Physique : relation entre écoulement et section | Accélération du courant dans un passage étroit |
| Université | Mécanique des fluides, physique océanique | Le tourbillon compté comme une quantité de rotation |
| Recherche | Observation et modélisation en océanographie côtière | Durée de vie des tourbillons, forme en profondeur |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Horaires des bateaux d'observation, routes maritimes du détroit, richesse des zones de pêche |
- Garde-côtes japonais (海上保安庁), Département d'information océanographique — page explicative sur « la marée et les courants de marée »
- Agence météorologique japonaise (気象庁) — page explicative « Connaissances sur les marées et le niveau de la mer »
- Sanae Unoki (宇野木早苗), Physique océanique côtière (『沿岸の海洋物理学』), Tokai University Press (東海大学出版会)
- Tetsuo Yanagi (柳哲雄), La science de la mer ― Introduction à l'océanographie (『海の科学 ― 海洋学入門』), Kōseisha Kōseikaku (恒星社厚生閣)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères ou des estimations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Dans les zones à fort courant de marée, s'approcher en petit bateau ou depuis la côte comporte des risques. Veuillez suivre les panneaux d'information locaux et les consignes des garde-côtes ou des autorités locales.