Les marées : bien plus qu’une histoire d’attractions

La Grande Vague de Kanagawa : célèbre estampe du peintre japonais Hokusai, publiée en 1830. Par jakeLoris / https://bit.ly/3hVArSA La Grande Vague de Kanagawa : célèbre estampe du peintre japonais Hokusai, publiée en 1830. Par jakeLoris / https://bit.ly/3hVArSA

Qui ne s’est jamais fait surprendre par la mer qui monte sur la plage jusqu’à mouiller sa serviette, ou au contraire, par la soudaine longue distance à parcourir sur le sable avant de pouvoir tremper ses pieds dans l’eau ? Cette différence de hauteur de la mer est due au phénomène des marées. De là où nous sommes, une marée correspond à un mouvement d’oscillation quotidien du niveau de la mer, qui monte et descend alternativement sur les côtes. Mais connaissons-nous vraiment les raisons pour lesquelles ce phénomène a lieu ?

À l’occasion d’un encore mythique  « C’est pas sorcier » sur les océans et les marées, Fred et Jamy expliquaient que la Lune « attirerait » l’eau, ce qui causerait les marées. Mais cette fois-ci, l’explication de ces pionniers de la vulgarisation est trop grossière, le phénomène est en réalité bien plus subtil que cela. 

La Lune attire l’eau  ?

On peut imaginer que le volume d’eau terrestre qui se trouve sous la Lune est un peu attiré par cette dernière, qu’il « monte » un peu vers la Lune. Or cette explication ne fonctionne pas selon les lois de gravité. En physique, la position d’équilibre d’un objet dépend de la somme des forces qui s’exercent sur lui. Ici, il y a la force d’attraction de la Terre vers le bas, et l’attraction de la Lune vers le haut. L’attraction de la Terre étant plus intense, les gouttes d’eau restent collées à la surface de l’océan par cette force. Une goutte d’eau soumise à l’attraction lunaire ne peut pas se trouver plus haut qu’une goutte d’eau sans attraction lunaire. Si c’était le cas, le phénomène irait en s’amplifiant : en s’élevant, la goutte d’eau se rapprocherait de la Lune, et l’effet de son attraction augmenterait tandis que l’attraction terrestre diminuerait. La goutte serait finalement « aspirée » par la Lune et ne s’arrêterait plus, ce qui est absurde. 

En réalité, les marées sont dues à une déformation de la Terre tout entière sous l’effet des forces exercées sur elle, en plus d’un grand mouvement de déplacement de masses d’eau dû à ces mêmes forces. 

Le mystère des marées

Depuis l’Antiquité, les savants se sont essayés à comprendre les marées, mais leurs efforts d’interprétation sont longtemps restés vains. C’est au cours du XVIIe siècle qu’une première explication scientifique a été avancée par Isaac Newton, grâce à la découverte en 1687 du phénomène d’attraction universelle, appelé aussi gravitation. 

La force gravitationnelle est le phénomène d’attraction mutuelle entre deux corps, responsable du mouvement des corps célestes, ou encore de la fameuse pomme qui tombe au sol. Newton met en place le modèle statique des marées, qui est en fait incomplet. C’est Laplace qui vient compléter l’explication du phénomène en 1775, avec son modèle dynamique.


Représentation des forces de gravité sur la Terre considérée en chute libre (flèches rouges) vers la Lune et de la force d’attraction de la Lune sur la Terre (flèches jaunes). Par Mahaut de Lataillade (dessin)
Représentation des forces de gravité sur la Terre considérée en chute libre (flèches rouges) vers la Lune et de la force d’attraction de la Lune sur la Terre (flèches jaunes). Par Mahaut de Lataillade (dessin)
Représentation de la résultante des forces de la Terre et de la Lune sur la Terre (flèches vertes). Par Mahaut de Lataillade (dessin)
Représentation de la résultante des forces de la Terre et de la Lune sur la Terre (flèches vertes). Par Mahaut de Lataillade (dessin)

Les effets de la Lune sur la Terre sont la résultante de la somme des forces de gravité de la Lune et de la Terre. Les marées ayant lieu à la surface de la Terre, on se place à ce niveau. 
Bien sûr, les forces ne sont pas les mêmes à proximité de la Lune, au centre de la Terre ou sur la surface à l’opposé de la Lune. Il n’y aura pas les mêmes effets en fonction de l’endroit où on se trouve autour du globe. 
Sur le schéma de gauche, les flèches jaunes correspondent à la force de gravité de la Lune et les flèches rouges à la force de gravité du centre de la Terre. Sur le schéma de droite, les flèches vertes correspondent à la résultante des forces de gravité de la Lune et la Terre (la somme des forces) exercées sur la Terre. Le système est considéré à l’arrêt, l’approximation est toujours vraie grâce aux rotations des deux astres. Sur le côté face à la Lune, la résultante des forces est la soustraction de la force de la Terre à la force de la Lune, ce qui donne une attraction de la Lune plus faible mais toujours dirigée vers la Lune. Cette attraction entraîne une déformation de la croûte terrestre et de l’eau en direction de la Lune, comme une bosse. 
Sur le côté de la Terre opposé à la Lune, la force de gravité de la Lune est plus faible, car ce côté est plus loin de la Lune. Quand on soustrait la force de la Terre, ceci résulte en une petite force dirigée à l’opposé de la Lune (représentée par les flèches vertes orientée vers la gauche). Et sur les autres côtés de la Terre, les flèches vertes sont inclinées vers chacune de ces bosses car la résultante des forces est dirigée vers ces extrémités. 
La croûte terrestre ainsi que les océans sont déplacés dans le même sens que ces mouvements. Ceci déforme la Terre qui s’allonge en forme d’ellipse avec une bosse sur le côté proche de la Lune et une bosse sur le côté opposé à la Lune.


La Terre est déformée par la Lune

Pour comprendre comment la Lune influence la forme de la Terre, il faut prendre en compte toute la planète et pas seulement les océans. La Lune et la Terre exercent l’une sur l’autre des forces agissant sur toutes les particules les composant. Pour notre planète, cela inclut donc la croûte terrestre et les océans. L’effet de déformation de la Terre est dû à une différence d’attraction vers la Lune en fonction de là où on se place sur la Terre. Ce différentiel d’attraction est appelé force de marée. La déformation a lieu autant sur la croûte terrestre que sur les océans. Pour satisfaire ceux qui penseraient encore que l’eau est plus attirée que la Terre, certes, une différence de 1 mm est observable, ce qui est loin de l’ampleur des marées.

L’influence du Soleil sur la Terre

Il n’y a pas que la Lune qui agit sur la Terre. Le soleil exerce évidemment une force d’attraction sur la Terre, qui est d’ailleurs bien supérieure à celle de la Lune. C’est pour cela que la Terre tourne autour du Soleil et non autour de la Lune. Cela dit, le Soleil a effectivement une influence bien inférieure à celle de la Lune sur les marées. Cela s’explique grâce à la même loi gravitationnelle dont nous parlions précédemment, et cette idée de différence d’attraction en fonction de la position sur le globe. La distance entre le centre de la Terre et sa surface est largement inférieure à la distance entre la Terre et le Soleil (0,005 %), alors qu’elle représente une part plus importante de la distance Terre-Lune (2 %).  Ainsi, la différence de force exercée par le  Soleil entre la surface de la Terre et son centre est largement inférieure à celle exercée par la Lune. Sa véritable influence a lieu quand il est parfaitement aligné avec la Lune (pleine et nouvelle lune), ses effets avec ceux de la Lune s’ajoutent, ce sont les vives-eaux, des marées de très fortes amplitudes. Quand il est parfaitement perpendiculaire à la Lune (quart de Lune), ses effets sont retranchés à ceux de cette dernière, ce sont les mortes-eaux, des marées d’amplitude inférieure à la moyenne.

Une force parfaitement horizontale provoque une vague : c’est la marée

La force de marée (l’attraction différentielle due à la Lune sur la Terre) est donc principalement due à la différence entre force d’attraction de la Lune avec la force d’attraction existant au centre de la Terre. Cette explication est celle de Newton, c’est le modèle statique des marées. En revanche, pour expliquer entièrement les marées, il faut y ajouter le modèle dynamique de Laplace.

Représentation des forces provoquant les marées. Par Mahaut de Lataillade
Représentation des forces provoquant les marées. Par Mahaut de Lataillade
Modélisation d’une force horizontale exercée sur l’eau dans un aquarium. Par Mahaut de Lataillade
Modélisation d’une force horizontale exercée sur l’eau dans un aquarium. Par Mahaut de Lataillade

Comme expliqué sur le schéma ci-dessus, il existe un point à chaque pôle où la force de marée est parfaitement verticale, orientée vers le bas. De même, au niveau de l’équateur dans notre exemple, il existe un point où la force est parfaitement verticale, orientée vers le haut. La force de marée passant de vers le haut à vers le bas, il existe forcément un point où elle est parfaitement horizontale. 

C’est ici que réside l’explication des marées. Lorsque que l’on exerce une petite force horizontale sur un volume d’eau, cela déplace les eaux horizontalement, ce qui provoque une vague dans le sens de la force. En arrivant sur les côtes, cette vague élève le niveau de la mer, c’est la marée haute. Lorsque la vague se retire, c’est la marée basse. Cette explication est le modèle dynamique des marées proposé par Laplace. Ce modèle explique également « l’âge de la marée », c’est-à-dire le fait qu’elle ne soit pas haute à la verticale de la Lune mais un peu après. C’est le retard de la vague.

Ce résultat est valable pour tous les cercles qui passent par l’axe Terre-Lune, constituant de larges  bandes de forces horizontales le long de la Terre (sauf aux pôles et sur l’équateur lorsque la Lune est en position équatoriale, la composante horizontale étant nulle). Ces bandes forment de larges anneaux de forces égales, représentés par les lignes rouges sur le schéma ci-dessous. Ainsi, les marées sont quasiment inexistantes aux pôles.

Les ondes de marées sont également façonnées par la géographie des continents et des fonds marins qu’elles traversent, c’est pourquoi elles peuvent être différentes selon les plages. Par Mahaut de Lataillade
Les ondes de marées sont également façonnées par la géographie des continents et des fonds marins qu’elles traversent, c’est pourquoi elles peuvent être différentes selon les plages. Par Mahaut de Lataillade

Les marées n’ont maintenant plus de secrets pour vous. La prochaine fois que vous voudrez briller en société, espérons que votre interlocuteur sera bien attaché !

Lise de C. et Mahaut de Lataillade


Sources :

Bernard, A. (2020, 19 avril). Les Marées 1 – Comment la Lune déforme la Terre [Vidéo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=yeoV9fiVjAo 

Gourmaud, J. (2018, 21 juin). Qu’est-ce qui provoque les marées ? – C’est Pas Sorcier [Vidéo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=d2c__2lHKfo

Van Neerden, T. (2013, 13 janvier). La Terre tourne… dans tous les sens ! Le Hollandais Volant. https://lehollandaisvolant.net/?d=2011/11/17/21/59/23-la-terre-tourne-dans-tous-les-sens#:~:text=La%20Terre%20danse%20avec%20la,lune%20tous%20les%2029%20jours