JMC Nov 2003
LES MAREES
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1 - Nos représentations
D´après le Petit Robert la marée est un «  mouvement journalier d´oscillation de la mer, dont le niveau monte et descend alternativement en un même lieu, provoqué par l´attraction de la Lune et du Soleil ».
La mesure de l'interval de temps entre deux marées montre une période égale à la moitié de la période apparente de rotation de la Lune. Dans cette définition, nous nous attacherons à surtout à l´action de la Lune sur la Terre.
Si l'on observe les marées et la lune, on met en évidence deux constats importants : 
- la Terre attire la Lune et la Lune attire la Terre . Il y a inter-action entre ces deux corps
- l´attraction est la plus forte quand la distance entre la terre et la lune est la plus petite. Tous les endroits de la Terre ne subissent pas la même attraction.

La Lune exerce sur la Terre une force dirigée vers le barycentre lunaire. Elle sera d´autant plus forte que le barycentre lunaire. Il s'agit de ne pas oublier l'attraction de la Terre sur chacun des points du globe. En simplifiant nous avons la Terre qui attire les océans vers son centre et la lune qui attire d'autant plus fort les océans qu'ils sont proches d'elle. Sous l´action de ces forces combinées l´océan va prendre une position d´équilibre avec deux bourrelets respectivement dirigés vers et à l´opposé de la Lune.
Il suffit alors de faire tourner la Terre sur elle-même et la Lune autour de la Terre pour animer le mouvement des marées. Comme il y a deux bourrelets, il y a aura deux marées hautes et deux marées basses par période de 24 h 50 min (périodicité lunaire).

Le soleil aussi exerce une force sur la Terre . Elle suit les mêmes principes que celle de la lune mais avec une périodicité de 24 heures. En fonction des mouvements particuliers de la Terre et de la Lune autour du soleil, l'attraction va varier en passant par un maximum et un minimum. Ce seront les fortes marées et les faibles marées.
Fortes marées : la terre, la lune et le soleil se retrouvent sur la même ligne, l'attraction du soleil s'ajoute à celle de la lune. Les eaux montent au maximum, puis se retire également très loin. Ce sont les marées de vives-eaux qui se produisent deux fois par mois.
Faibles marées : le soleil et la lune se trouvent perpendiculaire par rapport à la terre. L'écart entre le niveau de la haute mer et celui de la basse mer est alors le plus petit. C'est ce qu'on appelle les marées de mortes-eaux qui se produisent deux fois par mois.
2 - Les théories au cours de l'histoire
De l'Antiquité au XVIIe siècle
Depuis fort longtemps l'homme tente de comprendre le phénomène des marées et propose différentes théories pour l'expliquer:
- VIe siècle av. J.C., on pense que les fleuves poussent la mer et créent les marées.
- Platon (~429 - ~347 av. J. C.)
, pense que les eaux entrent et sortent d´un gouffre.
- Héraclide (388 - 315 av. J. C.), suppose que la Lune et le Soleil sont à l´origine des marées.
- Aristote (384 - 322 av. J. C.)
, pense que c´est l´écrasement des eaux du fond de la mer par les eaux de surface.
- Pline l´Ancien (v 23 - 79
, Histoire Naturelle) , est le premier à décrire avec précision et exactitude le phénomène des marées:
- il pense que l' avance et le retrait des flots ont une cause qui réside dans le Soleil et dans la Lune
- il observe qu'entre deux levers de la Lune, la mer monte deux fois et redescend deux fois dans chaque intervalle de 24 heures
- il remarque que les marées ne se reproduisent pas au même moment d'un jour sur l'autre
- il décrit également fort bien le décalage de temps entre les pleines mers et le passage au méridien de la Lune
- il décrit la corrélation entre les marées de vives-eaux et les syzygies
- il décrit également la corrélation entre les marées de mortes-eaux et les quadratures

- il remarque également la plus forte amplitude des marées d´équinoxe
- Saint Augustin (354 -430), attribue l´origine des marées à la Lune.
- Saint Thomas d´Aquin (1225 - 1274)
attribue également l´origine des marées à la Lune.

Depuis d´Aristote, si la description du phénomène des marées est exactel et si la relation entre marées, lune et soleil est affirmée, les explications physiques données sont toutes fausses.
3 - Les physiciens du XVIIe siècle
- Kepler (1571 - 1630) explique le phénomène, mais utilise encore le principe de sympathie.
- Galilée (1564 - 1642) tente d'utiliser les marées pour expliquer la rotation de la Terre. Les différences de niveaux observés lors des marées sont causés par des accélérations et des ralentissements que subissent les eaux. Comme les eaux sont sur la Terre, les marées sont dues à la rotation terrestre sur elle-même. Il suppose que les points de la sphère terrestre sont animés de vitesses variables. Il combine les vitesses de rotation et de translation terrestres. Ces différences de vitesse engendrent des accélérations à l´origine des marées. Ce raisonnement est faux car la vitesse de translation est négligeable devant la vitesse de rotation.
Pour expliquer les vives-eaux et les mortes-eaux, il utilise le mouvement pendulaire en faisant intervenir la Lune: Pour la pleine Lune comme " le balancier" du pendule est plus long qu´à la nouvelle Lune, il y a donc pour une même courte période de temps une vitesse variable du couple Terre-Lune donc des marées différentes. Il se trouve que l'observation montre que les marées de vives-eaux peuvent exister à la pleine Lune et à la nouvelle Lune. Il est alors évident que le raisonnement du balancier qui doit engendrer les mêmes marées pour le même de balancier est très largement contrarié par la réalité observable. L´explication pendulaire qui devrait engendrer des marées de mortes-eaux à la pleine Lune, se voit engendrer aussi des marées de vives-eaux..
- Le Père Georges Fournier (1595 - 1652)
, démontre les erreurs de Galilée, mais que penser de sa théorie poétique: les marées sont dues aux humeurs de la Terre soignées par la lumière solaire!

- Scalberge Minière écrit un traité sur les marées. Il utilise la dilatation des mers par le Soleil. La Lune jouant un rôle de miroir.

- Descartes (1596 - 1650)
a une explication séduisante. Il relie les astres par de la matière et les fait se déplacer par des tourbillons. La Lune comprime la matière du ciel qui écrase l´eau.

- Newton (1642 - 1727) développe La théorie de la marée statique. Il explique le phénomène des marées à l´aide de la gravitation universelle. La figure d´équilibre d´une sphère liquide sous l´action d´un corps céleste (Lune ou Soleil) est un ellipsoïde de révolution dont le grand-axe est orienté vers le corps.
Nous avons deux corps en présence, la lune et le soleil. Nous aurons donc un ellipsoïde en cas de perturbation lunaire et un autre en cas de perturbation solairel dont les influences seront modulées en fonction de leur situation dans l'espace.
Cette théorie explique parfaitement la corrélation entre les marées de vives-eaux et les syzygies et les marées de mortes-eaux et les quadratures. Il va ensuite exprimer la hauteur des marées en fonction des coordonnées équatoriales horaires des corps perturbateurs. Il constate que les hauteurs sont proportionnelles à la masse des corps perturbateurs et inversement proportionnelles au cube des distances à la Terre. Les effets s´ajoutent lorsque les angles horaires de la Lune et du Soleil sont égaux ou diffèrent de 180° (syzygies). Les effets sont minimum lorsqu´ils sont déphasés de 90° donc aux quadratures. La hauteur est maximale (vives-eaux) lorsque l´astre est au méridien.

L´échec de la théorie de la marée statique.
1- Les hauteurs observées sont très différentes des hauteurs prévues

2- L´inégalité diurne n´est pas nulle dans les zones équatoriales et elle est quasi inexistante aux fortes latitudes

3- Pour un lieu donné on observe un retard entre les syzygies et les marées de vives-eaux et également un retard entre les quadratures et les marées de mortes-eaux (âge de la marée).

4 - Laplace (1749 - 1827) développe la théorie dynamique
A cause de la rotation de la Terre, l'eau attirée par l'astre pertubateur devra se déplacer en suivants les contraintes des reliefs sous-marins particuliers. Les océans étant délimités par des bassins fermés, .il va se créer des phénomènes de réflexion d'ondes stationnaires et des phénomènes de résonance quand les périodes d´oscillation des bassins océaniques et les périodes des marées astronomiques (diurne ou semi-diurne) seront en phase. Le mouvement vertical des océans, la marée et son mouvement horizontal, le courant de marée s'en trouveront affectés si bien qu'à chaque port correspond un régime particulier de marée décomposé en séries d´harmoniques obtenues par analyse en fréquence des variations des niveaux de la mer en un lieu donné.

Un peu d´histoire
dès le milieu du XIXe siècle, l'ingénieur hydrographe Rémi Chazallon (1802 - 1872) met au point la méthode des harmoniques utilisée de nos jours.
1839, le premier annuaire des marées a été publié en France.
1840, les anglais publièrent un annuaire des marées.

1873, la première machine à calcul verra le jour sur une suggestion de Beauchamp de la Tour.

Ces harmoniques sont généralement répartis en quatre groupes

- Les harmoniques semi-diurnes de périodes voisines de 12h.
- Les harmoniques diurnes de périodes voisines de 24h.
- Les harmoniques de longues périodes : bimensuelle, mensuelle, semestrielle, annuelle.
- Les harmoniques supérieures et composées de périodes quart-diurne, tiers-diurne...
La solution réelle aujourd'hui est bien évidemment plus complexe car on peut compter jusqu'à 28 harmoniques principaux.

Elles définissent quatre types de marées

- Les marées semi-diurnes : les harmoniques diurnes sont négligeables face aux harmoniques semi-diurnes. Deux marées d´importance égale par jour (Cas de l'Océan Indien, voir carte ci-dessous)
- Les marées semi-diurnes à inégalité diurne : les harmoniques diurnes ne sont plus négligeables face aux harmoniques semi-diurnes. Deux pleines mers et deux basses mers par jour avec des hauteurs de marées pouvant être différentes (Cas de l'Océan Indien voir carte ci-dessous).

- Les marées mixtes : les harmoniques diurnes prédominent avec apparition d' harmoniques semi-diurnes en fonction de la valeur de la déclinaison de la Lune. Deux marées par jour lorsque la Lune est proche de l´équateur (décl. = 0) et une seule marée par jour lorsque la déclinaison de la Lune est proche de son maximum.

- Les marées diurnes : les harmoniques semi-diurnes sont négligeables face aux harmoniques diurnes Une marée par jour.

5 - Carte des marées dans l'Océan Indien
6 - Le marnage
Le marnage est la différence de hauteur de la marée entre une pleine mer et une basse mer successives en un lieu donné.
Le marnage est fort pendant les périodes de vives-eaux et faible pendant les périodes de mortes-eaux.
Les marnages peuvent être très différents d´une région géographique à l´autre.
Le marnage maximal mondial est de 16m, observé dans la baie de Fundy, au Canada.

Marnage dans l'Océan Indien
7 - Quelques données numériques
Rayon moyen de la Terre : 6371 km.

Masse de la Terre : 5,9736 x 1024 kg.

Masse du système Terre-Lune : 6,0471 x 1024 kg

Masse de la Lune : 0,0735 x 1024 kg.

Masse du Soleil : 1,9889 x 1030 kg.

Superficie du globe terrestre : 510 x 106 km2.
Accélération de la pesanteur moyenne : g = 9,806 m/s2.

Durée du jour sidéral : 23h 56min 4s (de temps solaire moyen).

Superficie des océans et des mers : 361 x 106 km2 (71% de la surface terrestre).

Volume des mers : 1370 x 106 km3.

Profondeur moyenne des océans : environ 3800m.

Profondeur maximale dans les océans (fosse des Mariannes) : 11520m, soit 1/553 du rayon terrestre moyen.

Densité moyenne des eaux océaniques (ramenée à la pression atmosphérique) : 1,0276

Température moyenne des eaux marines : t = 3,52°C.

Salinité moyenne des eaux marines : S = 34,72 p. 1000.

Masse des sels marins : 4,8 x 1019 kg.

Poids moyen de sel marin par unité de surface océanique : 133 t/m2 ou 13,3 kg/cm2.

Masse des eaux océaniques : 1,40 x 1021 kg soit 0,234 millième de la masse terrestre.

Poids moyen d´eau par unité de surface marine : 388 kg/cm2.

Poids moyen d´eau par unité de surface du globe : 275 kg/cm2.

Les océans contiennent 97% de l´eau de la surface du globe.

La vapeur d´eau atmosphérique est d´origine marine pour 85%, d´origine continentale pour 15%.
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