Marégraphe de Marseille

L’existence du marégraphe de Marseille est liée à la technique du nivellement de précision, ensemble d’opérations chiffrées qui permettent de traduire le relief. L’altitude d’un point de la surface terrestre est en effet l’élévation verticale de ce point au-dessus du niveau de la mer. Elle peut aussi être définie de façon moins simpliste comme la coordonnée par laquelle on exprime l’écart vertical de ce point à une surface de référence proche du géoïde.

Un géoïde est une surface de niveau (surface équipotentielle du champ de pesanteur) coïncidant au mieux avec le niveau moyen des mers. En raison des variations de la masse volumique de l’eau, des vents et des courants dominants, des variations de pression atmosphérique, la surface moyenne des mers n’est pas une surface équipotentielle. D'autre part, la façon dont le géoïde coïncide au mieux avec la surface moyenne des océans est ambiguë. Il s’ensuit que le géoïde ne peut pas être défini de manière univoque. Pour définir un géoïde, on peut convenir qu’il contient un point particulier, par exemple le niveau moyen de la mer enregistré par un marégraphe pendant une période donnée.

À chaque pays ou territoire possédant un littoral maritime est associé un marégraphe de référence. Les altitudes en France continentale sont calculées à partir d’une origine fixée au marégraphe de Marseille ; celles de Corse à partir d’un zéro fixé grâce à un marégraphe situé à Ajaccio ; celles des territoires français d’outremer à partir de marégraphes établis à Fort-de-France, Pointe-à-Pitre, Nouméa, etc. Les pays ne possédant pas de littoral maritime choisissent un marégraphe dans un pays proche. Ainsi, les altitudes suisses ont-elles une origine fixée grâce au marégraphe de Marseille.

La mer est très tôt considérée comme une surface de niveau ; mais pour des raisons pratiques, elle est, avant les années 1850, très peu utilisée comme surface de référence pour les opérations de nivellement. Quand les travaux sont éloignés du littoral, il est d’usage de fixer un plan de comparaison local. Bien souvent, le plan de comparaison est choisi au-dessus des points à coter. Ainsi, par exemple, quand l’abbé Jean Picard (1620-1682) est chargé par Louis XIV d’étudier les possibilités de réalisation d’un aqueduc permettant d’amener l’eau de la Loire au château de Versailles, il choisit d’exprimer les cotes issues de ses nivellements par rapport au rez-de-chaussée de la demeure royale.

Puis, avec l’extension des travaux d’aménagement du territoire d’ampleur nationale, notamment l’apparition du réseau des lignes de chemin de fer, et parallèlement à l’établissement de la carte d’état-major commencée au début du XIX^e siècle, le besoin d'une référence unique et d’un nivellement général de la France se font de plus en plus sentir.

Les nombreux progrès techniques amenés par Paul Adrien Bourdalouë (1798-1868) dans l’art du nivellement rendent économiquement et techniquement possible son établissement. Cela se traduit dans le vocabulaire. Au XVIII^e siècle, la donnée altimétrique chiffrée était désignée par les termes hauteur, élévation ou plus souvent cote. Le nom altitude est absent de la sixième édition du Dictionnaire de l’Académie, éditée en 1835. L’altitude apparaît dans la littérature technique à partir du moment où l’on envisage le premier nivellement général de la France.

Le niveau de la mer a été mesuré au marégraphe de Marseille à partir du 3 février 1885.

Le Service du nivellement général de la France a calculé chaque mois la moyenne des niveaux mesurés. Puis il a établi la moyenne de ces moyennes mensuelles (dont le nombre augmentait avec le temps). En traçant un graphique représentant les variations de cette dernière valeur depuis l’origine des observations, il a constaté que cette valeur oscillait, en s’en rapprochant, autour d’une branche de courbe paraissant être une hyperbole équilatère. En janvier 1897, il a choisi comme zéro du nouveau nivellement général de la France l’asymptote horizontale de cette hyperbole, vers laquelle le niveau semblait tendre de plus en plus. Le zéro NGF/Lallemand, devenu ensuite le zéro NGF/IGN69, est ainsi établi exactement à 71 millimètres au-dessous du zéro NGF/Bourdalouë.

Il convient de noter que ce zéro n’est pas, comme certains auteurs l’ont parfois écrit, la simple moyenne arithmétique des niveaux relevés entre le 3 février 1885 et le 31 décembre 18896 (il en est cependant extrêmement proche).

Le zéro fixé en 1897 est purement conventionnel : on aurait pu choisir un autre lieu ou une autre période et le résultat aurait pu être sensiblement différent.

Il est immuable, ou en tous cas il a été immuable jusqu’à nos jours : on sait que le niveau moyen actuel de la Méditerranée à Marseille n’est plus le même qu’à la fin du XIX^e siècle ; on ne change pas pour autant les altitudes des repères de nivellement. Cela ne servirait à rien : d’un point de vue opérationnel, ce qui est utile, ce n’est pas l’altitude de chaque point, c’est la différence de niveau qui existe entre les différents points.

Il est peu pratique car il n’est pas matérialisé (pas de trait gravé, pas de repère scellé au niveau zéro) et il est difficile d’accès (dans un puits). C’est pour cette raison qu’existe la notion de repère fondamental.

Un repère fondamental est un repère de nivellement qui sert de point de départ pratique aux mesures et aux calculs de toutes les altitudes d’un réseau de nivellement. L’altitude d’un repère fondamental est en général fixée conventionnellement à partir des observations d’un marégraphe dont il est proche.

Le repère fondamental de Marseille est à 1,661 m au-dessus du zéro de 1897. Il est scellé dans le bâtiment du marégraphe, dans des conditions particulièrement favorables de stabilité et de conservation. Il est constitué par un rivet en bronze dont la calotte supérieure est recouverte d’un alliage très dur de platine et d’iridium. Ce rivet est scellé dans un bloc cylindrique de granit, lui-même incrusté dans le rocher calcaire qui forme le promontoire sur lequel le marégraphe est construit.

Pour bien faire la différence entre zéro et repère fondamental, prenons l’exemple des altitudes suisses. Nous rappelons que celles-ci sont calculées à partir du zéro de Marseille. Par contre, la Suisse possède son propre repère fondamental : un repère métallique scellé sur un rocher appartenant à un groupe de deux blocs erratiques émergeant du lac Léman à Genève (les pierres du Niton). Donc, en France, un zéro et un point fondamental quasiment au même endroit et quasiment à la même altitude. Et en Suisse, un zéro à Marseille et un point fondamental à 330 km de distance et à 373 m d’altitude.

Les marégraphes sont très nombreux : plusieurs centaines dans le monde et plus de 50 en France. Mais ces marégraphes sont abrités par des constructions assez réduites (comme à Brest ou à Socoa) ou sont constitués d’installations encore plus simples (un capteur sur une potence ou dans un boîtier métallique, relié à une centrale d’acquisition dans un bâtiment proche).

Le marégraphe de Marseille est le seul au monde à bénéficier d’un ensemble immobilier constitué de deux bâtiments principaux : un solide refuge pour l’appareil marégraphique et une maison d’habitation destinée à héberger le gardien des lieux (11 gardiens s’y sont succédé entre 1883 et 1988). La chambre souterraine du premier édifice, accessible par un bel escalier métallique en colimaçon, abrite, dans des conditions particulièrement favorables de stabilité et de conservation, le repère fondamental du nivellement général de la France.

Les bâtiments du marégraphe de Marseille sont construits en 1883 à moins de trois kilomètres du Vieux-Port et de l’échelle de marée utilisée par Bourdalouë, le long de la toute nouvelle promenade de la Corniche, une des plus élégantes de la cité phocéenne. Ils sont édifiés pour durer : il suffit d’apprécier le volume total de l’édifice et la qualité de sa structure pour s’en persuader. Leur construction ne relève pas de l’art d’un architecte mais du savoir-faire de Louis Auguste Sébillotte (1822-1888), conducteur des ponts et chaussées expérimenté qui a aussi, par exemple, suivi la construction du phare de Planier.

Le choix d’une origine unique, pour toutes les altitudes de la France continentale, est effectué en 1860, pendant que s’effectue le nivellement général de la France de Bourdalouë. Il est d’abord justifié par la faible amplitude des marées méditerranéennes, due aux facteurs suivants : la Méditerranée est une mer qui, du point de vue physique, peut-être considérée comme une mer fermée ; les dimensions totales du bassin sont insuffisantes pour permettre de grandes oscillations ; le découpage complexe des traits de côte entrave la propagation des ondes et génère de multiples réflexions ; la Méditerranée est une mer profonde, or les marées sont d’autant plus faibles que la profondeur est forte. Les nivellements de Bourdalouë relient entre eux les points considérés dans chaque port comme étant les niveaux moyens de la mer. Ces opérations établissent à l’époque que celui de Marseille (le trait 0,40 m de l’échelle du Vieux-Port) est le plus bas des niveaux moyens des ports les plus importants. Le choix de Marseille évite donc les cotes négatives. Mais, sur ce seul critère, l’origine du nivellement aurait pu être choisie au port de Bouc, en Camargue, où une opération spéciale, exécutée entre Marseille et Bouc par Bourdalouë lors du nivellement du Rhône, avait fait connaître que le zéro de l’échelle de ce dernier port était “de trois centimètres en contrebas du zéro de l’échelle de Marseille”.

Le choix de Marseille n’est donc pas uniquement technique, il concourt aussi de facteurs environnementaux : ce port possède une infrastructure portuaire et des services techniques que ne possède pas le port très modeste de Bouc, implanté dans une zone à l’époque très insalubre.

Les ingénieurs marseillais proposent deux emplacements pouvant accueillir le marégraphe de Marseille. Le premier est situé dans l’intérieur du port, sur le côté ouest du bassin de carénage, au pied du fort Saint-Nicolas et de l’abbaye Saint-Victor. Le second emplacement est situé sur la côte rocheuse qui s’étend de la pointe d’Endoume au Roucas-Blanc, sur le bord de la petite anse Calvo.

C’est ce dernier qui est choisi, car il est loin des courants d’eau douce et des égouts qui produisent des turbulences, des courants, des dilutions ou des dépôts. Le rocher calcaire sur lequel doit être installé le marégraphe offre le maximum de garanties de stabilité et ne présente a priori aucun risque d’affaissement.

L’instrument historique qui équipe l’observatoire marégraphique de Marseille est le résultat d’une collaboration intellectuelle de plus de six mois entre l’ingénieur allemand Friedrich Hermann Reitz (1831-1886), concepteur de ce type d’appareil, et l’ingénieur français Charles Lallemand, directeur du Service du nivellement général de la France, commanditaire de l’instrument. Cette collaboration visait en permanence l’excellence sans négliger l’esthétique.

Le marégraphe de Marseille fonctionne en partie comme un marégraphe mécanique classique. Un flotteur est posé à la surface de l’eau dans un puits de tranquillisation relié à la mer libre par une galerie.

La position du flotteur évolue en fonction des mouvements verticaux de la mer. Par l’intermédiaire d’un câble métallique et de rouages, les mouvements de ce flotteur sont transmis à des instruments (crayons, plumes, etc.) qui tracent la courbe de la hauteur de la mer en fonction du temps. Le papier d’enregistrement s’enroule en effet sur un cylindre rotatif dont le moteur est une horloge. C’est la combinaison des mouvements de va-et-vient des instruments traceurs (une réduction des mouvements de la mer) et de la rotation du cylindre qui donne la courbe sinusoïdale du niveau de la mer.

Le niveau de la mer dépend de la marée astronomique (l’attraction de la Lune et du Soleil essentiellement), phénomène donnant un résultat bien connu et prédictible, et de surcotes ou décotes provoquées par d’autres phénomènes (phénomènes météorologiques, climatiques, mouvements verticaux de l’écorce terrestre, etc.). Le terme surcote / décote désigne la différence entre le niveau marin observé et le niveau marin qui existerait en présence de la marée astronomique seule. En d’autres termes, la surcote / décote instantanée est la différence, à un instant t, entre la hauteur d’eau observée et la hauteur d’eau prédite. Il s’agit d’une surcote quand la hauteur d’eau observée est supérieure à la haute d’eau prédite ; on parle de décote dans le cas inverse^[4].

À Marseille, port situé au bord d’une mer à faible marée, l’effet produit sur le niveau de la mer par les variations météorologiques (la pression atmosphérique essentiellement, mais aussi les vents, la pluie, etc.) dépasse assez souvent l’effet produit par les mouvements des astres.

La construction du marégraphe de Marseille donne lieu à plusieurs petites innovations technologiques telles que la compensation mécanique de l’allongement du câble de suspension du flotteur en fonction des variations de température, ou l’enregistrement en double des marégrammes, un exemplaire restant à Marseille pour les besoins du port, le second étant expédié au Service du nivellement général de la France.

Mais l’intérêt essentiel du marégraphe de Marseille réside surtout dans sa partie dite totalisatrice. Avant son invention, le niveau moyen sur une période de temps donnée pouvait être déterminé soit par un lourd calcul arithmétique, soit en mesurant sur les marégrammes, au moyen d’un planimètre, l’aire formée par la courbe du niveau de la mer, l’axe des temps et les deux droites figurant les bornes de la période considérée. De cette façon, le résultat était obtenu beaucoup plus rapidement mais manquait un peu de précision. Le marégraphe totalisateur remplace tout ce travail par une simple division de deux chiffres fournis par l’instrument et dont l’un est proportionnel au temps écoulé. Comme cette détermination directe se fait sans l’intermédiaire d’un diagramme, on obtient une précision extraordinaire, bien supérieure à celle obtenue avec un planimètre.

Le câble auquel est attaché le flotteur fait évoluer horizontalement une pièce appelée crémaillère (une barre horizontale entraînant les aiguilles qui traçaient, sur papier, le niveau instantané de la mer). Le papier d’enregistrement (le marégramme) est déroulé par un cylindre dont la rotation est régulière (il est mu par une horloge). Le totalisateur est un intégrateur mécanique. Son mécanisme se compose d’un chariot porte-roulettes porté par deux perches verticales et d’un disque vertical en verre disposé sur le même axe que le cylindre d’enregistrement (et qui tourne à la même vitesse). Le chariot est relié à l’extrémité de la crémaillère par un mince ruban de platine, qui, en s’infléchissant sur deux poulies, transforme le mouvement de va-et-vient horizontal de la crémaillère en un mouvement vertical alternatif de translation (quand le niveau de la mer descend, le chariot monte et inversement).

Deux roulettes en agate sont en contact avec le disque de verre et leur mouvement est créé par la rotation régulière du disque. Par un système d’engrenages, le mouvement de ces roulettes commande celui de cadrans gradués. L’incrémentation de leurs graduations dépend de la hauteur d’eau ; elle est d’autant plus rapide que le cadran va vers l’extérieur du disque (en vertu de la proportionnalité de la vitesse avec la distance à l’axe de rotation), et d’autant plus lent qu’il va vers l’axe de rotation. C’est une manière de traduire mécaniquement les vitesses variables des changements du niveau de la mer (vitesse lente à l’étale, vitesse plus ou moins rapide en marée montante ou descendante).

Ainsi, si entre deux instants t₀ et t₁ (t₁ > t₀), on mesure deux graduations g₀ et g₁ sur les cadrans du totalisateur, la graduation moyenne est simplement (g₁ - g₀) / (t₁ - t₀). Mathématiquement, le totalisateur détermine l’intégrale de la fonction analogique qu’est le niveau de la mer, dont on déduit immédiatement la moyenne.

Reitz fait construire ses instruments par Johann Christian Dennert (1829-1920) et son collègue Martin Pape (1834-1884), établis à Altona, dans la banlieue de Hambourg. Dennert et Pape assemblent trois marégraphes totalisateurs. Le premier est installé sur l'île d'Heligoland dans la mer du Nord, le deuxième à Cadix en Espagne et le troisième à Marseille. Les deux premiers, non conçus pour durer, disparaissent assez rapidement. Celui de Marseille, qui est aujourd'hui en parfait état de marche (même si la partie enregistrement papier n'est plus utilisée depuis le départ du dernier gardien en 1988), est donc unique au monde.

L’arrêté du 28 octobre 2002^[5] considère d’ailleurs que “la conservation du Marégraphe de Marseille (Bouches-du-Rhône) présente au point de vue de l’histoire un intérêt public en raison de l’importance de cette réalisation au regard de l’évolution des procédés de mesure scientifiques”. Il classe l’observatoire (l’ensemble immobilier, l’appareil et les installations techniques) parmi les monuments historiques.

Les rouleaux produits par le marégraphe totalisateur de Marseille, d'une longueur de 9 mètres hors accident (rouleau déchiré, panne de l'appareil, etc.), correspondaient à un mois d'enregistrement du niveau de la mer.

Le papier des rouleaux les plus anciens, les plus exploitables et les plus esthétiques, a été produit par un fabricant de papier-peint : Félix Follot (1838-1909). Ce papier était recouvert d'une couche de craie, puis d'une couche d'encre de chine. Les organes scripteurs du marégraphe totalisateur (des pointes en laiton) grattaient finement cette première couche noire pour faire apparaître le blanc de la craie. Les courbes de niveau d'eau ainsi obtenus sont extrêmement fins et précis, d'une qualité bien meilleure à celle obtenue avec d'autres marégraphes de l'époque, au moyen de crayons ou de plumes d'oie.

Les enregistrements obtenus à partir de 1916 présentent moins de qualités.

La sauvegarde des données fournies entre 1885 et 1988 par les marégrammes de Marseille (dont le papier se détériore avec le temps) et l’exploitation de ces données par des moyens informatiques a nécessité leur conversion sous un format compatible avec les ordinateurs. Ce travail colossal de numérisation de 1 200 marégrammes a été effectué entre 1996 et 2001, grâce à une action concertée de l’IGN et du Shom.

Les marégraphes de Marseille (mécanique et numérique) mesurent le niveau de la mer par rapport à des repères matériels implantés à l’intérieur des bâtiments (notamment le repère fondamental). Quand le résultat de ces mesures donne une valeur qui diminue avec le temps, la question qu’il convient de se poser est : que mesure t-on, une hausse du niveau de la mer, un tassement du point de référence, ou une combinaison de ces deux phénomènes ?

Les informations transmises par les satellites GNSS (Global Navigation Satellite System), nom générique des systèmes de navigation satellitaires sur l’ensemble de la planète tels que GPS (États-Unis), GLONASS (Russie), Galileo (Union européenne), Beidou (Chine), peuvent répondre à ces questions. En recevant les signaux émis par les satellites GNSS, l’antenne installée sur le toit du marégraphe depuis 1998, couplée à un récepteur qui est à l’intérieur, détermine les mouvements absolus du bâtiment.

Dans le domaine altimétrique, l’exploitation des mesures GNSS rencontre deux difficultés :

• Les signaux GNSS traversent la troposphère, où les gouttelettes d’eau contenues dans les nuages ralentissent leur progression (on parle de délai troposphérique). Ce retard est difficile à estimer précisément.
• Les systèmes GNSS déterminent des hauteurs au-dessus d’une forme mathématique de la Terre : un ellipsoïde. Ils ne donnent pas directement une altitude (élévation au-dessus d'un géoïde). On passe de la hauteur ellipsoïdale (mesurée par GNSS) à l’altitude par l’intermédiaire d’une grille de conversion. Sur le territoire français continental, la grille de conversion altimétrique en vigueur s’appelle RAF20. Elle permet de déterminer des altitudes par observations GNSS avec une précision centimétrique (1 cm à 95%) à condition d’utiliser des méthodes GNSS précises et de se rattacher précisément à la référence géodésique RGF93, dont l’accès est facilité depuis la mise en place du réseau GNSS permanent (RGP) en 1998.

Néanmoins, malgré ces deux difficultés, des séries longues d’observations GNSS, établies au moyen de stations permanentes associées avec les marégraphes, offrent des résultats dont la précision est du même ordre que celle de la marégraphie. L’association des deux types de mesures a pour but de connaître l’évolution réelle du niveau moyen de la mer. Les GNSS donnent une information sur le mouvement absolu du sol, les marégraphes sur les mouvements de la mer relatifs au sol, la combinaison des deux permettant de comprendre le comportement réel du niveau de la mer à l’endroit considéré.