Pourquoi les marées montent
et descendent deux fois par jour ?
« C'est parce que la Lune attire l'eau de mer » : vous avez peut-être déjà entendu cette explication. Mais si c'était toute l'histoire, la marée haute ne devrait arriver qu'une fois par jour. En réalité, elle revient presque deux fois par jour. Voyons ensemble ce mécanisme étonnant, où la mer gonfle même du côté opposé à la Lune.
Une journée passée dans une ville côtière, du matin au soir. Le matin, une vaste plage de sable s'étendait sous la digue. Mais en revenant après midi, la plage est presque entièrement sous l'eau. Le soir, elle recommence à réapparaître.
En regardant bien le mur de la digue, on voit une bande couverte de coquillages et d'algues, qui court, nette, parallèlement au sol. C'est le repère jusqu'où la mer monte toujours.
Comme le savent les amateurs de pêche, ce va-et-vient se répète environ deux fois par jour, avec la régularité d'une horloge. Or « parce que la Lune attire l'eau » seul ne suffit pas à expliquer ce « deux fois ».
Le mécanisme : deux renflements
L'attraction de la Lune est d'autant plus forte qu'on en est proche. L'eau de mer tournée vers la Lune est attirée plus fortement que le reste de la Terre, et gonfle en direction de la Lune. Jusque-là, c'est intuitif.
En fait, la Terre entière est elle aussi attirée par la Lune, et se déplace avec elle. L'eau de mer du côté opposé, la moins attirée de toutes, se retrouve laissée en arrière par rapport à la Terre qui avance, et gonfle donc dans la direction opposée à la Lune.
Autrement dit, la mer gonfle simultanément en deux endroits : du côté tourné vers la Lune, et du côté exactement opposé. La Terre effectuant un tour complet par jour sous ces renflements, chaque rivage passe deux fois par jour sous l'un d'eux — voilà le secret des « deux marées hautes par jour ».
« Être laissé en arrière », comme au tir à la corde
Imaginez trois personnes alignées, reliées par une corde et tirées dans la même direction. La première est tirée fort, celle du milieu modérément, la dernière seulement faiblement. Que devient la file ? Toutes trois avancent dans la même direction, mais la file elle-même s'étire d'avant en arrière.
C'est exactement ce qui se passe entre la Terre et la mer. L'eau proche de la Lune, le corps de la Terre, et l'eau éloignée sont chacun attirés par la Lune avec une intensité différente. Globalement, tout est tiré vers la Lune, mais à cause de cette différence, la Terre s'étire d'avant en arrière le long de l'axe qui la relie à la Lune. La Terre rocheuse se déforme à peine, mais l'eau de mer, libre de se déplacer, répond docilement à cet « étirement » en formant deux renflements.
Pendant que la Terre effectue un tour complet, la Lune avance elle aussi un peu sur son orbite. Pour revenir « juste sous le même point de la Lune », il faut donc un tour complet, plus un petit supplément de temps. Ce supplément est d'environ 50 minutes. L'intervalle entre deux marées hautes correspond à la moitié de 24 heures 50 minutes, soit environ 12 heures 25 minutes. Si l'heure de la marée haute indiquée dans les tables recule un peu chaque jour, c'est donc à cause de la révolution de la Lune.
Grandes marées et petites marées ― le Soleil s'en mêle aussi
Ce n'est pas seulement la Lune qui étire l'eau de mer. Le Soleil fait la même chose (avec une force inférieure à la moitié de celle de la Lune — la raison est expliquée dans le volet dépliable final).
Autour de la nouvelle lune et de la pleine lune, le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés, et l'étirement dû à la Lune se superpose à celui du Soleil, dans la même direction. C'est le moment où l'écart entre marée haute et marée basse est le plus grand : la grande marée. Autour du premier ou dernier quartier, la Lune et le Soleil forment un angle droit, leurs étirements respectifs s'annulent en partie, et l'écart devient faible : c'est la petite marée.
Dans la mer d'Ariake, au Kyūshū, le marnage de grande marée atteint environ 6 m. Sur la côte de la mer du Japon, en revanche, il n'est que d'environ 0,3 m. Pourtant, l'attraction lunaire y agit de la même façon des deux côtés. Ce qui crée cet écart, c'est la forme du fond marin et de la baie. Dans une baie peu profonde qui se resserre vers le fond, l'eau qui arrive n'a nulle part où aller et s'empile en hauteur ; et lorsque la forme de la baie entre en résonance avec le rythme de la marée, l'oscillation serait encore amplifiée, un peu comme on amplifie le mouvement d'une balançoire en la poussant au bon moment.
En résumé
Si la marée haute revient deux fois par jour, c'est parce que ① la mer du côté proche de la Lune est fortement attirée et gonfle, tandis que ② la mer du côté éloigné, laissée en arrière, gonfle dans la direction opposée : deux renflements se forment simultanément, de part et d'autre de la Terre. Comme la Terre effectue un tour complet chaque jour sous ces renflements, nos rivages passent deux fois par jour sous l'un d'eux.
La Lune ne se contente pas d'« attirer » la mer.
En entraînant la Terre entière avec elle, elle « étire » la mer d'avant en arrière.
Cette « force d'étirement » a d'ailleurs aussi transformé la forme et la rotation de la Lune elle-même. La raison pour laquelle la Lune montre toujours la même face à la Terre est expliquée dans cet article.
Par ailleurs, lorsque ce va-et-vient traverse un passage étroit comme un détroit, la différence de hauteur d'eau crée des courants rapides et des tourbillons. Ce mécanisme est expliqué dans Pourquoi des tourbillons se forment-ils en pleine mer ?
- Notez chaque jour, une fois, l'heure de la marée haute la plus proche de chez vous, en consultant le site de l'Agence météorologique japonaise ou une application de tables de marée (pas besoin d'aller sur place)
- Au bout d'une semaine, calculez de combien de minutes la marée haute recule chaque jour
- Notez aussi l'âge de la Lune (sa phase), et vérifiez si l'écart entre marée haute et basse s'accroît autour de la nouvelle lune et de la pleine lune
Le retard devrait avoisiner 50 minutes. S'il n'est pas exact, c'est que la forme de la baie, la pression atmosphérique et le vent s'y ajoutent. La façon même dont ce décalage varie révèle le caractère propre de la mer locale.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières spécialisées à l'université, le niveau de chaque partie est précisé
- CollègeCe qui est enseigné en sciences au collège
- LycéeCe qui est enseigné en « Physique fondamentale », « Physique » ou « Sciences de la Terre fondamentales » au lycée
- Lycée +Un développement du programme de « Physique » du lycée, ou un encadré du manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée ― contenu d'une matière spécialisée universitaire (océanographie physique, géodésie)
- RechercheNon encore admis comme « établi » même à l'université ― un sujet que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Marée : le nom officiel du va-et-vient du niveau de la mer. L'état haut est la marée haute, l'état bas la marée basse.
- Force génératrice de marée : la « force d'étirement » évoquée dans l'article. Elle naît du fait que la force d'attraction de la Lune (ou du Soleil) varie selon le lieu : c'est une force de différence.
- Grande marée et petite marée : les périodes où l'écart entre marée haute et basse est respectivement le plus grand et le plus petit. La grande marée survient autour de la nouvelle lune et de la pleine lune, la petite marée autour du quartier de lune.
- Niveau de la mer : la hauteur de la surface de la mer à un instant donné. L'Agence météorologique japonaise la mesure en continu à des points d'observation dans tout le pays.
CollègeLycéeVérification par le calcul : l'intervalle entre marées hautes et le décalage quotidien
Vérifions par le calcul les « environ 12 heures 25 minutes » et le « retard d'environ 50 minutes par jour » évoqués dans l'article. On n'a besoin que d'additions, de multiplications et de divisions.
| En symboles | T_marée haute = T_Lune ÷ n, avec T_Lune = 24 heures + Δt |
| En mots | Intervalle entre marées hautes = période de retour de la Lune au même point du ciel, divisée par le nombre de renflements. Cette période vaut un jour plus le temps supplémentaire nécessaire pour rattraper la Lune |
| D'où vient cette formule | La rotation de la Terre et la révolution de la Lune se faisant dans le même sens, la Terre doit tourner un peu plus pour « rattraper » la Lune (c'est l'idée de la période synodique, comme dans une course-poursuite). Il y a deux renflements, un du côté de la Lune et un du côté opposé, donc n = 2 |
| Une rotation de la Terre | 24 heures |
| Période de retour de la Lune « au même point du ciel » | environ 24 heures 50 minutes (y compris le supplément d'environ 50 minutes dû à l'avancée orbitale de la Lune) |
| Nombre de renflements de la mer | 2 (côté Lune et côté opposé) |
| Période des phases de la Lune (jours pour un tour complet, vu depuis le Soleil) | environ 29,5 jours |
| Temps pour que la Terre tourne d'un degré | environ 4 minutes (360 degrés en 24 heures) |
| Angle parcouru par la Lune en un jour (degrés) | 360 ÷ 29,5 ≒ 12,2 |
| Temps supplémentaire pour que la Terre tourne de cet angle (minutes) | 12,2 × 4 ≒ 48,8 |
Comme la Lune continue d'avancer un peu pendant que la Terre la rattrape, le Δt réel est d'environ 50 minutes.
| Convertir 24 h 50 min en minutes (la partie « heures ») | 24 × 60 = 1440 (minutes) |
| Ajouter le supplément de 50 minutes | 1440 + 50 = 1490 (minutes) |
| Diviser par deux, puisqu'il y a deux renflements | 1490 ÷ 2 = 745 (minutes) |
| Reconvertir en heures | 745 ÷ 60 ≒ 12,4 (heures) = environ 12 h 25 min |
Cela correspond presque exactement à l'intervalle entre marées hautes des tables réelles. On voit que l'image de la figure 1, « passer successivement sous les deux renflements », se traduit directement par ce chiffre.
| Marnage de grande marée dans la mer d'Ariake (ordre de grandeur) | environ 6 m |
| Marnage sur la côte de la mer du Japon (ordre de grandeur) | environ 0,3 m |
| Rapport | 6 ÷ 0,3 = 20 (fois) |
Sous la même Lune, la seule forme de la baie peut créer un écart de 20 fois. La force génératrice de marée ne décide que « de combien la mer tend à être étirée ». Le nombre de mètres dont la surface de la mer bouge réellement résulte, lui, d'un accord entre cette force et la forme propre de chaque mer.
LycéeLycée +Pourquoi la Lune est-elle la vedette, et le Soleil un second rôle ?
LycéeDans la formule de la gravitation universelle enseignée au lycée, l'attraction est inversement proportionnelle au carré de la distance. Le Soleil étant bien plus massif que la Lune, son attraction globale sur la Terre est de loin la plus forte. Il paraît donc étrange que la Lune soit la vedette des marées.
Lycée +La clé est que ce qui génère la marée n'est pas « l'attraction elle-même » mais « la différence d'attraction selon le lieu ». En calculant la différence d'attraction entre deux points séparés du diamètre terrestre, on montre que cette différence est inversement proportionnelle au cube de la distance (on obtient cette forme en dérivant la formule en 1/d² par rapport à la distance). Comme la proximité compte donc au cube, la force génératrice de marée de la Lune finit par dépasser deux fois celle du Soleil. Une comparaison chiffrée, présentée sous forme de « deux divisions », se trouve dans le volet dépliable de l'article sur la rotation de la Lune.
UniversitéLa mer réelle est bien plus complexe que « deux renflements »
L'explication de la figure 1, « deux renflements qui font le tour de la Terre », est appelée théorie de la marée d'équilibre ; elle rend bien compte du rythme et du nombre des marées. Mais la mer réelle est bordée de continents, sa profondeur varie énormément, et les renflements ne peuvent pas faire simplement le tour de la Terre. Les marées réelles avancent plutôt sous forme d'une onde qui tourne autour d'un point fixe appelé point amphidromique, propre à chaque bassin océanique (théorie de la marée dynamique). Une amplification comme celle de la mer d'Ariake s'explique aussi dans ce cadre, comme une résonance entre la période propre de la baie et le rythme de la marée. Les prévisions de marée actuelles combinent ce calcul dynamique avec des données d'observation.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Marée (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
Les marées sont étudiées depuis des siècles, mais certains aspects font encore l'objet de recherches actives.
- Le devenir des « marées internes » des grands fonds. Ce n'est pas seulement la surface de la mer : les couches d'eau à l'intérieur de l'océan montent et descendent elles aussi au rythme de la marée (marées internes). Où et dans quelle mesure ces ondes se brisent et mélangent l'eau de mer est considéré comme un problème majeur non résolu, important pour les calculs de transport de chaleur océanique et de climat.
- Combien d'heures durait un jour dans le passé lointain ? Le frottement dû aux marées a progressivement ralenti la rotation de la Terre. Les bandes de croissance fossilisées dans les coraux suggèrent qu'il y a plusieurs centaines de millions d'années, un jour durait environ 22 heures, mais l'interprétation des traces d'époques plus anciennes reste un sujet de recherche en cours.
- Océans et marées sur les lunes glacées. Sur des satellites comme Europe, lune de Jupiter, on pense que la chaleur produite par la déformation due aux marées maintient un océan liquide sous la glace. Estimer où et en quelle quantité cette chaleur est produite est un sujet de recherche actuel, qui conditionne notre idée de ces océans extraterrestres.
Autrement dit, le contenu de cet article lui-même reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». Dans ce phénomène familier et sans cesse répété se cachent des questions qui vont du climat jusqu'aux océans d'autres astres.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où, dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― mouvement et phases de la Lune | Le décalage de l'heure de marée haute, le lien entre grande/petite marée et phase de la Lune |
| Lycée | Physique ― gravitation universelle / Sciences de la Terre fondamentales ― océans | La dépendance de l'attraction à la distance, le rythme de base des marées |
| Lycée + | Physique ― application de la gravitation universelle (contenu de développement) | Pourquoi la force génératrice de marée est inversement proportionnelle au cube de la distance |
| Université | Océanographie physique / géodésie | Théorie de la marée d'équilibre et de la marée dynamique, point amphidromique, résonance de baie |
| Recherche | Océanographie physique / sciences planétaires (non résolu) | Marées internes et mélange océanique, durée du jour ancien, chauffage de marée sur les lunes glacées |
| ― | Lien avec le quotidien | Lire une table de marée, écarts régionaux de marnage, la bande de coquillages sur la digue |
- Agence météorologique japonaise, « Connaissances sur les marées et le niveau de la mer » (気象庁「潮汐・海面水位の知識」, Japan Meteorological Agency) : mécanisme des marées, grandes et petites marées, observation du niveau de la mer dans tout le pays.
- Observatoire astronomique national du Japon, Bureau des calculs du calendrier (国立天文台・暦計算室, National Astronomical Observatory of Japan), explications sur le lever/coucher de la Lune et le cycle des marées.
- Exposé standard, dans un manuel d'océanographie physique, de la théorie de la marée d'équilibre et de la marée dynamique (Sanae Unoki (宇野木早苗), Océanographie physique côtière (『沿岸の海洋物理学』), etc.).
- Munk, W. & Wunsch, C., Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing, Deep-Sea Research I 45, 1998 (marées internes et mélange océanique).
- Williams, G. E., Geological constraints on the Precambrian history of Earth's rotation, Reviews of Geophysics 38(1), 2000 (estimation de la durée du jour ancien).
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les chiffres donnés sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. Le niveau réel de la mer varie aussi avec la pression atmosphérique et le vent. Pour observer le rivage, pêcher ou ramasser des coquillages, vérifiez toujours les tables de marée les plus récentes et les avis locaux, et agissez avec prudence.