4.6 : Les marées océaniques et la lune
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de la section, vous serez en mesure de :
- Décrivez les causes des marées sur Terre
- Expliquez pourquoi l'amplitude des marées change au cours d'un mois
Toute personne vivant près de la mer est habituée à la montée et à la descente des marées deux fois par jour. Au début de l'histoire, il était clair que les marées devaient être liées à la Lune, car le retard quotidien à marée haute est le même que le retard quotidien du lever de la Lune. Une explication satisfaisante des marées attendait toutefois la théorie de la gravité, fournie par Newton.
L'attraction de la Lune sur Terre
Les forces gravitationnelles exercées par la Lune en plusieurs points de la Terre sont illustrées sur la Figure\(\PageIndex{1}\). Ces forces diffèrent légèrement les unes des autres parce que la Terre n'est pas un point, mais qu'elle a une certaine taille : toutes les parties ne sont pas également éloignées de la Lune et elles ne sont pas toutes exactement dans la même direction par rapport à la Lune. De plus, la Terre n'est pas parfaitement rigide. Par conséquent, les différences entre les forces d'attraction de la Lune sur différentes parties de la Terre (appelées forces différentielles) entraînent une légère distorsion de la Terre. Le côté de la Terre le plus proche de la Lune est attiré vers la Lune plus fortement que le centre de la Terre, qui à son tour est attiré plus fortement que le côté opposé à la Lune. Ainsi, les forces différentielles ont tendance à étirer légèrement la Terre en un sphéroïde allongé (en forme de ballon de football), dont le long diamètre est orienté vers la Lune.
Si la Terre était constituée d'eau, elle se déformerait jusqu'à ce que les forces différentielles de la Lune sur différentes parties de sa surface s'équilibrent avec les forces gravitationnelles de la Terre qui la rapprochent. Les calculs montrent que dans ce cas, la Terre se déformerait à partir d'une sphère de près d'un mètre. Les mesures de la déformation réelle de la Terre montrent que la Terre solide se déforme, mais seulement environ un tiers de celle de l'eau, en raison de la plus grande rigidité de l'intérieur de la Terre.
Comme la distorsion due aux marées de la Terre solide ne s'élève qu'à environ 20 centimètres, la Terre ne se déforme pas suffisamment pour équilibrer les forces différentielles de la Lune avec sa propre gravité. Ainsi, les objets à la surface de la Terre sont soumis à de minuscules remorquements horizontaux, qui ont tendance à les faire glisser. Ces forces qui soulèvent les marées sont trop insignifiantes pour affecter des objets solides tels que des étudiants en astronomie ou des roches de la croûte terrestre, mais elles affectent les eaux des océans.
La formation des marées
Les forces qui soulèvent les marées, qui agissent pendant plusieurs heures, produisent des mouvements de l'eau qui se traduisent par des renflements de marée mesurables dans les océans. L'eau du côté de la Terre faisant face à la Lune s'écoule vers celle-ci, les plus grandes profondeurs se situant approximativement sous la Lune. Du côté de la Terre opposé à la Lune, l'eau coule également pour produire un renflement de marée (Figure\(\PageIndex{2}\)).
Vous pouvez exécuter cette animation pour une démonstration visuelle du renflement de marée.
Notez que les renflements de marée dans les océans ne résultent pas de la compression ou de l'expansion de l'eau par la Lune, ni du fait que la Lune soulève l'eau « loin de la Terre ». Ils résultent plutôt d'un véritable écoulement d'eau au-dessus de la surface de la Terre vers les deux régions situées en dessous et en face de la Lune, provoquant l'accumulation d'eau à de plus grandes profondeurs à ces endroits (Figure\(\PageIndex{3}\)).
Dans le modèle idéalisé (et, comme nous le verrons, trop simplifié) qui vient d'être décrit, la hauteur des marées ne serait que de quelques pieds. La rotation de la Terre transporterait un observateur à n'importe quel endroit, alternativement dans des régions d'eau plus profonde et moins profonde. Un observateur transporté vers les régions situées sous ou en face de la Lune, où l'eau était la plus profonde, disait : « La marée monte » ; lorsqu'il s'éloigne de ces régions, l'observateur dirait : « La marée descend ». Au cours d'une journée, l'observateur serait transporté à travers deux renflements de marée (un de chaque côté de la Terre) et ferait ainsi l'expérience de deux marées hautes et de deux marées basses.
Le Soleil produit également des marées sur Terre, bien qu'il soit moins de deux fois moins efficace que la Lune lors de la montée des marées. Les marées réelles que nous observons sont une combinaison de l'effet plus important de la Lune et de l'effet plus faible du Soleil. Lorsque le Soleil et la Lune sont alignés (à la nouvelle lune ou à la pleine lune), les marées produites se renforcent mutuellement et sont donc supérieures à la normale (Figure\(\PageIndex{4}\)). C'est ce que l'on appelle les marées de printemps (le nom n'est pas lié à la saison mais à l'idée que les marées plus hautes « remontent »). Les marées printanières sont à peu près les mêmes, que le Soleil et la Lune se trouvent sur le même côté ou sur des côtés opposés de la Terre, car des renflements de marée se produisent des deux côtés. Lorsque la Lune se trouve au premier quart ou au dernier quart (perpendiculairement à la direction du Soleil), les marées produites par le Soleil annulent partiellement les marées de la Lune, les rendant plus basses que d'habitude. C'est ce que l'on appelle les marées douces.
La théorie « simple » des marées, décrite dans les paragraphes précédents, serait suffisante si la Terre tournait très lentement et était complètement entourée d'océans très profonds. Cependant, la présence de masses terrestres bloquant l'écoulement de l'eau, la friction dans les océans et entre les océans et le fond des océans, la rotation de la Terre, le vent, la profondeur variable de l'océan et d'autres facteurs compliquent la situation. C'est pourquoi, dans le monde réel, certains endroits ont de très petites marées alors que dans d'autres, les grandes marées deviennent des attractions touristiques. Si vous vous êtes rendu dans de tels endroits, vous savez peut-être que des « tables des marées » doivent être calculées et publiées pour chaque lieu ; un ensemble de prévisions de marées ne fonctionne pas pour l'ensemble de la planète. Dans ce chapitre d'introduction, nous n'approfondirons pas ces complexités.
George Darwin et le ralentissement de la Terre
Le frottement de l'eau sur la surface de la Terre implique une énorme quantité d'énergie. Sur de longues périodes, la friction des marées ralentit la rotation de la Terre. Notre journée s'allonge d'environ 0,002 seconde par siècle. Cela semble très minime, mais des changements aussi infimes peuvent s'accumuler sur des millions et des milliards d'années.
Bien que la rotation de la Terre ralentisse, le moment cinétique (voir Orbites et gravité) dans un système tel que le système Terre-Lune ne peut pas changer. Ainsi, un autre mouvement de rotation doit s'accélérer pour prendre le moment cinétique supplémentaire. Les détails de ce qui se passe ont été élaborés il y a plus d'un siècle par George Darwin, le fils du naturaliste Charles Darwin. George Darwin (voir Figure) s'intéressait vivement aux sciences mais a étudié le droit pendant six ans et a été admis au barreau. Cependant, il n'a jamais pratiqué le droit, retournant à la science et devenant finalement professeur à l'université de Cambridge. Protégé de Lord Kelvin, l'un des grands physiciens du XIXe siècle, il s'est intéressé à l'évolution à long terme du système solaire. Il s'est spécialisé dans les calculs mathématiques détaillés (et difficiles) de l'évolution des orbites et des mouvements au fil du temps géologique.
Ce que Darwin a calculé pour le système Terre-Lune, c'est que la Lune tournera lentement en spirale vers l'extérieur, loin de la Terre. Au fur et à mesure qu'elle s'éloigne, elle orbitera moins rapidement (tout comme les planètes plus éloignées du Soleil se déplacent plus lentement sur leur orbite). Ainsi, le mois s'allongera. De plus, comme la Lune sera plus éloignée, les éclipses totales de Soleil ne seront plus visibles depuis la Terre.
La journée et le mois continueront de s'allonger, mais gardez à l'esprit que les effets sont très graduels. Les calculs de Darwin ont été confirmés par des miroirs placés sur la Lune par les astronautes d'Apollo 11. Cela montre que la Lune s'éloigne de 3,8 centimètres par an et qu'en fin de compte, dans des milliards d'années dans le futur, le jour et le mois auront la même durée (environ 47 de nos jours actuels). À ce stade, la Lune sera stationnaire dans le ciel au-dessus du même endroit sur Terre, ce qui signifie que certaines parties de la Terre verront la Lune et ses phases et que d'autres ne les verront jamais. Ce type d'alignement est déjà vrai pour la lune Charon de Pluton (entre autres). Sa rotation et sa période orbitale sont de la même durée qu'un jour sur Pluton.
Résumé
Les marées océaniques biquotidiennes sont principalement le résultat de la force différentielle de la Lune sur la matière de la croûte terrestre et de l'océan. Ces forces de marée font en sorte que l'eau de mer s'écoule dans deux renflements de marée situés de part et d'autre de la Terre ; chaque jour, la Terre tourne à travers ces renflements. Les marées océaniques réelles sont compliquées par les effets supplémentaires du soleil et par la forme des côtes et des bassins océaniques.
Lexique
- marées
- élévation et baisse alternées du niveau de la mer causées par la différence d'intensité de l'attraction gravitationnelle de la Lune sur différentes parties de la Terre