Marées, vagues et submersion marine - Cours météo

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Dans la nuit du 28 février au 1^er mars 2010, la France est balayée par une tempête d’une rare violence : Xynthia. Cette tempête met au jour un phénomène dont l’ampleur avait jusque-là été sous-estimée dans bien des localités, la submersion marine.

Comment se forment les marées ? Comment la submersion marine peut-elle avoir lieu ? Quels peuvent être les facteurs aggravants ? Explications.

 

 

 

1 | Les marées

 

A. Qu’est-ce que la marée ?

 

La marée définit la variation de la hauteur d’eau due aux attractions gravitationnelles des astres environnants, en l’occurrence la Lune et le Soleil. Les marées ne se produisent pas seulement dans les océans mais sur chaque étendue d’eau, pour peu qu’elle ait une certaine dimension.

La variation de la hauteur d’eau entre la marée haute et la marée basse est appelée le marnage. Le marnage, bien qu’évoluant en un point donné avec les coefficients, dépend beaucoup de la configuration géographique des lieux.

Une marée à une période d’environ 12h25, c’est-à-dire qu’entre deux pleines mer ou deux basses mer, 12h25 s’écoulent. En plus de cela, une marée est caractérisée par son marnage, l’heure de pleine mer et l’heure de basse mer.

Le coefficient d’une marée est un indice sans unité qui s’établit entre 20 et 120 avec différentes dénominations selon le coefficient. Ainsi, les coefficients de 20 et 120 correspondent respectivement à la plus petite et à la plus grande marée théoriquement observables.

 

Coefficient	Dénomination
20	Marées de morte-eau les plus faibles
45	Marées morte-eau moyennes
70	Limite morte-eau / vive-eau - Marées moyennes
95	Marées vive-eau moyennes
120	Marées extraordinaires de vive-eau d’équinoxe

 

 

Marées basse et haute à Jersey

 

 

B. Quelle est l’origine de la marée ?

 

Comme dit dans la définition, les différentes attractions gravitationnelles que subit la Terre sont à l’origine des marées. Mais cela ne suffit pas à expliquer le phénomène dans son ensemble.

La Lune exerce une force d’attraction sur la Terre deux fois plus élevée que celle du Soleil sur la Terre. Par conséquent, la Lune est le principal acteur des marées et le Soleil un acteur de second rang. Alors que la Lune va engendrer les marées et déterminer les marées hautes et basses, le Soleil va jouer sur l’amplitude des marées.

L’amplitude de la marée est déterminée par les positions relatives du Soleil et de la Lune par rapport au centre de la Terre (au référentiel géocentrique). Lorsque le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés, c’est-à-dire en temps de pleine Lune et nouvelle Lune, alors les marées sont dites de « vive eau » car les coefficients sont élevés. A contrario, lorsque la Lune et le Soleil sont à la perpendiculaire l’un par rapport à l’autre par rapport au centre de la Terre, alors les coefficients sont faibles, il s’agit de marées de « morte eau ».

Point important, cela n’aura échapper à personne, il y a presque deux périodes de marée chaque jour, soit deux marées hautes et deux marées basses, à peu de choses près. Cependant, on n’est orienté vers la Lune qu’une fois par jour…

 

Cela s’explique de façon purement physique. Lorsque les astres sont alignés, alors les attractions gravitationnelles s’ajoutent, l’eau est donc plus attirée vers les astres, c’est marée haute. Cela se comprend particulièrement bien lorsque l'on est orienté vers ces astres, mais comment se fait-il que de l'autre côté de la Terre il en soit de même ? Une autre force entre en jeu : la force centrifuge.

Le barycentre du système Terre-Lune est le point d’équilibre théorique entre les deux masses si on les posait sur une balance tout en gardant la distance qui les sépare. C’est-à-dire la position du point d’équilibre sur l’axe Terre-Lune. Il se trouve que se barycentre se situe au sein du globe terrestre, orienté côté Lune. Cela explique donc le bourrelet d’eau formé côté Lune et donc la marée, mais l’autre bourrelet, à l’exact opposé sur le globe terrestre, est lui provoqué par la force centrifuge du système, la Terre et la Lune étant en rotation autour du barycentre.

Lors du premier et du 3^ème quart de la Lune, les forces d’attraction de la Lune et du Soleil sur la Terre sont divergentes, elles s'annulent donc en partie. Cependant, il y a toujours deux marées simultanées à la surface de la Terre, l’une étant diamétralement opposée à l’autre.

 

 

C. Comment les marées sont-elles anticipées et prévues ?

 

La marée dépend, comme on l’a vu plus haut, du Soleil et de la Lune. Cependant, elle ne dépend pas que des astres mais aussi de leur position relative par rapport au référentiel géocentrique. Si le plan Soleil-Terre-Lune est incliné par rapport au plan équatorial, alors les marées seront orientées selon le premier plan. Par exemple, si le plan Soleil-Terre-Lune est incliné selon l’axe Centre de la Terre-France, alors les marées seront importantes en France pendant que de l’autre côté de la Terre, sous les mêmes latitudes, les marées seront faibles.

Il s’agit donc du premier paramètre qui entre en jeu et que l’on maîtrise très bien. Le second est la topographie des côtes des localités étudiées. Ces deux paramètres nous donnent les marées théoriques.

Pour accéder aux marées « réelles », il faut prendre en compte la pression atmosphérique ainsi que les vents. Ces deux paramètres peuvent influer de façon non négligeable le marnage. Cependant, ils ne sont aujourd’hui prévisibles qu’à court terme.

 

Comme pour toute prévision, il faut se baser sur des modèles mathématiques, c’est-à-dire des équations qui donnent des résultats proches voire exacts par rapport à la réalité, à l’observation. Pour établir ce modèle, des observations sont faites sur un lieu pendant une durée significative afin d’en dégager des schémas de comportement et des valeurs.

 

Dans les modèles, une marée est considérée comme la somme de marées élémentaires appelées harmoniques. Ces marées élémentaires ont différentes périodes et s’ajoutent ou s'annulent selon leurs périodes respectives.

 

Ainsi, pour déterminer la marée en un point donné, on considère le niveau moyen de l’eau, l’amplitude et la situation de l’onde élémentaire par rapport à Greenwich, la vitesse angulaire de l’onde élémentaire ainsi que les coordonnées astronomiques des astres considérés (La Lune et le Soleil).

 

 

D. Comment calculer le coefficient d’une marée ?

 

Le coefficient est donné par une relation mathématique assez simple qui est la suivante :

C est le coefficient

H est la hauteur d’eau à l’instant de la pleine mer

N₀ est le niveau moyen de l’eau

U est la hauteur moyenne du marnage pendant les vives eaux d’équinoxe

 

 

2 | Les vagues

 

A. Qu’est-ce qu’une vague ?

 

Une vague est une déformation de la surface d’une étendue d’eau transportant de l’énergie généralement acquise via les interactions avec l’atmosphère. Une vague ne doit pas être confondue avec la houle. La houle est un ensemble de déformations de la surface dont l’origine ne se trouve pas sur le lieu de l’observation. La houle définit l’état de la mer car ces composantes individuelles ont une hauteur généralement du même ordre. La vague est quant à elle un événement particulier, une unité de déformation de la surface. On parle de vague sur le lieu de formation ainsi que sur les côtes. Les vagues ont une composante verticale marquée, contrairement à la houle dont la composante horizontale est dominante.

 

A gauche, la houle est mise en évidence alors qu'à droite, on n'y voit qu'une vague

 

 

B. Quelle est son origine ?

 

Le premier paramètre à prendre en compte dans la formation des vagues est le vent. Au niveau de l’interface eau/atmosphère, des interactions existent. Lorsque le vent souffle, il provoque la déformation de la surface de l’eau. Cette déformation est poussée par le vent et acquière ainsi de l’énergie. Avec la répétition de ce processus, l’énergie acquise est de plus en plus importante et l’ondulation est de plus en plus marquée.

Cependant, il ne faut pas négliger le facteur surface. En effet, même par temps de grand vent, on n’observe pas de grandes vagues sur les étangs. Pourtant, avec le même vent, la mer peut se déchaîner avec des vagues de plusieurs mètres. La clé de cette différence est donc l’étendue d’eau. Sur un étang, la vaguelette atteindra la berge avant d’avoir accumuler assez d’énergie pour prétendre grossir. Sur un océan, une vaguelette peut devenir une grande vague car elle peut parfois parcourir des milliers de kilomètres avant de rencontrer une côte, et ainsi accumuler beaucoup d’énergie.

En plus des facteurs vent et superficie, le profil des fonds marins influe beaucoup sur le profil vertical de la vague. Lorsqu’une vague rencontre un profil en pente douce – comme la côte aquitaine par exemple – elle va s’élever de façon limitée et déferler sur une grande distance. A contrario, lorsque le fond marin remonte de façon abrupte, la vague va se cambrer de façon soudaine et la composante horizontale se transmet en grande partie à la composante verticale car la vague est « freinée » par sa base dans sa progression et elle déferlera rapidement.

 

A gauche, l'estran est lisse, les vagues déferlent longuement alors qu'à droite, l'estran est très escarpé, les vagues s'écrasent sur les rochers

 

 

C. Comportement des vagues

 

Les vagues telles que nous les connaissons peuvent être assimilées à des ondes. Assimilées seulement car elles ne sont pas tout à fait périodiques et dire qu’elles ne transportent pas de matière serait inexacte. Cependant, le comportement des vagues est très proche de celui des ondes, avec des interactions.

L’interaction la plus évidente est sans doute la diffraction. Lorsqu’une vague rencontre un obstacle contenant en son sein un étroit passage dont l’ouverture est inférieure à la distance entre deux crêtes de vague – la longueur d’onde dans le cas d’une onde – alors les vagues ne sont plus linéaires mais adoptent une physionomie plus ou moins circulaire. Ce phénomène se rencontre fréquemment dans les baies ou à l’entrée de ports.

 

Mise en évidence de la diffraction subie par les vagues dans une baie

 

 

Au même titre que les ondes, les vagues se réfléchissent également. Lorsqu’elles rencontrent un obstacle qui leur est parallèle, alors elles se réfléchissent plus ou moins selon l’obstacle. La réflexion consiste en un changement de direction de la vague qui s’effectue par symétrie axiale à la perpendiculaire du point d'impact sur l'obstacle. Si la réflexion est complète dans le cas où la vague arrive perpendiculairement sur l'obstacle, alors au pied de l’obstacle l’amplitude des vagues sera deux fois plus importante que l’amplitude des vagues incidentes. Si elle n'est pas complète, alors l’amplitude sera inférieure au double de la vague incidente, mais s’en rapprochera si la réflexion tend à être importante.

 

Image typique d'une vague rencontrant une vague réfléchie

 

 

Enfin, moins évidente car par sous sa forme commune, la réfraction est aussi de mise avec les vagues. Pour faire simple, la réfraction est le changement de direction de propagation d’une onde lors d’un changement de milieu. Dans le cas des vagues, la réfraction est le résultat de l’interaction entre la vague et les fonds marins. Lorsqu’une vague arrive sur le rivage, elle sera plus ou moins cambrée selon la profondeur du plancher marin. La profondeur influe sur la célérité, la vitesse de la vague et ainsi son profil horizontal. La vague sera plus ou moins linéaire selon le profil du plancher marin rencontré.

 

 

D. Cas particuliers : Vagues scélérates, tsunamis et mascarets

 

► Vagues scélérates

 

Une vague scélérate, bien qu’elle n’ait pas de définition très formelle, est décrite comme une vague dont la hauteur est égale ou supérieure à 2 fois la hauteur significative de la mer. 

La hauteur significative est la hauteur moyenne du tiers des vagues les plus hautes. Ces vagues scélérates sont très brèves et surprenantes.

Aujourd’hui, la connaissance en est surtout au stade de la recherche, même si quelques théories tentent d’expliquer la formation des vagues scélérates sans pour autant être incontestables… Il est néanmoins possible d’avancer que si une vague devient scélérate, c’est car elle a su capter l’énergie de vagues autour d’elle afin d’acquérir une grande amplitude, et donc une crête deux fois plus haute – ou plus – que la hauteur significative de la mer.

 

Vague scélérate

 

 

► Mascarets

 

Un mascaret est une vague déferlante qui remonte certains estuaires à marée montante. Cette vague est un cas particulier car elle n’a pour origine non pas le vent mais l’onde de marée rencontrant le courant contraire d’un fleuve.

Un estuaire est sensible aux variations de la marée. En marée basse, un estuaire est à son plus bas niveau. Cependant, de l’eau s’y écoule toujours car le fleuve ne s’arrête pas de couler. A marée remontante, les courants s’opposent : le fleuve qui court vers le large, et l’océan qui tend à s’incruster dans l’estuaire. C’est une des conditions pour voir s’élever un mascaret. La hauteur du mascaret dépend également de la topographie de l’estuaire, du marnage, du débit du fleuve entre autres.

 

Exemple de mascaret

 

 

► Tsunamis

 

Un tsunami est la conséquence d’un déplacement brutal d’un grand volume de matériau. Ce déplacement peut aussi bien prendre la forme d’un affaissement, d’un glissement de terrain ou encore du déplacement d’une plaque tectonique. Le tsunami peut également être la conséquence d’une explosion volcanique sous-marine.

Ces vagues ont une période extrêmement longue (>10’) et une amplitude en pleine mer très faible – quelques dizaines de centimètres – relativement à leur hauteur au moment du déferlement – parfois plusieurs dizaines de mètres. De plus, les tsunamis peuvent atteindre les 800 km/h en mer.

 

 

3 | La submersion marine

 

A. L’élévation du niveau de la mer

 

Le niveau de la mer, lorsque la dynamique atmosphérique peut-être négligée, est régi par les marées. C’est le facteur le plus important de l’élévation du niveau de la mer. L’instant le plus favorable aux submersions est donc la marée haute conjuguée à un fort coefficient.

Le deuxième facteur important est la météo au sens premier du terme. Pour information, la pression atmosphérique moyenne se situe près de 1013 hPa. Le passage de dépressions fait se surélever le niveau de la mer, de l’ordre d’un centimètre par hPa en dessous de 1013 hPa. Ainsi, une dépression dont le centre a une pression égale à 970 hPa fera se surélever le niveau de la mer d’environ 40cm.

Parallèlement à cela, lesdites dépressions ne sont pas anodines car les plus creuses sont accompagnées des vents les plus violents. Ces mêmes vents à l’origine de la (forte) houle qui vient déferler sur les côtes. De plus, le vent et la houle conjugués provoquent une accumulation d’eau sur le littoral.

Tous ces éléments font que le niveau d’eau est anormalement élevé et les littoraux les plus exposés peuvent se retrouver submergés. Ce phénomène concerne aussi bien les océans que les mers comme la Méditerranée, où le marnage n’excède pas le mètre mais les autres facteurs peuvent s’avérer suffisants.

 

Cas de submersion marine

 

 

B. Les facteurs aggravants

 

La conjugaison des facteurs originels reste le facteur le plus aggravant lorsque chaque facteur pris individuellement est à son paroxysme (marée d’équinoxe, simultanéité horaire des marées hautes et plus forts vents…).

La géographie du terrain et particulièrement de l’estran (zone de la côte découverte à marée basse) régit en grande partie la hauteur des vagues et par conséquent l’érosion des littoraux et/ou la mise à mal des infrastructures de protection.

On peut également parler de la puissance des flots entrant dans les terres qui font ainsi plus ou moins de dégâts à leur passage (simple inondations ou transport d’objets lourds devenant des projectiles). A cela on peut ajouter la topographie du terrain, s’il y a une cuvette où l’eau peut atteindre des hauteurs conséquentes, si une partie des habitations se trouvent en dessous du niveau de la mer, etc...