L’« eau morte » : ce phénomène invisible qui a presque immobilisé le navire de Nansen dans l’Arctique

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En 1893, le Fram se heurte à une force mystérieuse

Le 29 août 1893, le Fram progresse dans les eaux arctiques, au nord de la Sibérie, entre l’île Taïmyr et les îles Almquist. À son bord, Fridtjof Nansen poursuit une expédition particulièrement ambitieuse : atteindre les hautes latitudes de l’océan Arctique en laissant son navire dériver avec la banquise. Pour cette aventure, le Fram a été spécialement conçu. Sa coque robuste et ses formes arrondies doivent lui permettre de résister à la pression des glaces, en favorisant son soulèvement plutôt que son écrasement. Mais ce jour-là, ce n’est pas la banquise qui lui pose problème.

Alors que le navire s’approche des glaces pour s’y amarrer, sa vitesse chute brutalement. Les machines fonctionnent pourtant à pleine puissance et aucune avarie ne semble expliquer ce ralentissement. En temps normal, le Fram pourrait avancer à environ 4,5 à 5 nœuds. Il ne parvient désormais plus à dépasser 1 à 1,5 nœud, comme si une force invisible le retenait. La mer paraît pourtant calme et rien, à la surface, ne laisse deviner l’origine de cette résistance.

Nansen reconnaît alors un phénomène dont il a déjà entendu parler : le dead water, littéralement « eau morte ». Dans son récit de voyage, publié en 1897 sous le titre Farthest North, il décrit cette étrange résistance qui empêche son navire d’avancer malgré les efforts de propulsion. Les marins fréquentant les fjords norvégiens connaissent déjà ce comportement déroutant. Certains racontent que leurs embarcations semblent soudainement perdre leur élan, sans raison apparente. Mais à la fin du XIXe siècle, personne ne dispose encore d’une explication physique véritablement démontrée. L’expérience du Fram va contribuer à transformer cette énigme de navigation en un véritable sujet de recherche scientifique.

Deux couches d’eau à l’origine du phénomène

Pour comprendre ce qui s’est produit sous la coque du Fram, il faut s’intéresser à une propriété fondamentale de l’eau de mer : sa densité. À température comparable, l’eau salée est plus dense que l’eau douce. Lorsque de grandes quantités d’eau douce se déversent dans l’océan, elles peuvent donc former une couche superficielle qui repose sur une masse d’eau plus salée. Cette configuration se rencontre notamment à proximité des embouchures de fleuves, dans certains fjords et dans les régions polaires, où la fonte des glaces apporte régulièrement de l’eau douce à la surface.

Les deux masses d’eau ne restent pas éternellement séparées. Le vent, les courants et les mouvements de la mer favorisent progressivement leur mélange. Mais lorsque les conditions sont suffisamment calmes, une stratification peut persister, avec une transition relativement nette entre les deux couches. Cette zone de transition, appelée pycnocline, joue un rôle essentiel dans le phénomène des eaux mortes. Elle constitue une frontière invisible entre deux masses d’eau qui ne réagissent pas exactement de la même manière aux perturbations provoquées par le passage d’un navire.

À première vue, rien ne distingue nécessairement une telle étendue d’eau d’une autre. La surface peut être parfaitement lisse, sans vague particulière ni signe annonciateur. Pourtant, sous cette apparente tranquillité, l’océan possède une structure capable de modifier profondément le comportement d’un bateau. C’est précisément cette superposition de couches de densités différentes qui explique pourquoi le Fram s’est retrouvé confronté à une résistance aussi inhabituelle.

Des vagues invisibles qui freinent les navires

Lorsqu’un bateau avance, sa coque déplace l’eau et génère des vagues. Les plus évidentes sont celles qui se propagent à la surface et forment le sillage visible derrière le navire. Mais dans une eau stratifiée, un second système de vagues peut apparaître beaucoup plus bas, à la frontière entre les couches de densités différentes. Ces mouvements, appelés ondes internes, se propagent à l’intérieur même de l’océan. Contrairement aux vagues ordinaires, qui se développent à la limite entre l’air et l’eau, elles déforment la séparation entre deux masses d’eau sans nécessairement provoquer de mouvement spectaculaire en surface.

Lorsqu’un navire traverse une zone où l’eau douce repose sur une couche d’eau plus salée, sa coque perturbe la couche supérieure et transmet de l’énergie à l’interface située en dessous. Cette perturbation peut générer un véritable train d’ondes internes, parfois d’une amplitude bien supérieure à celle des petites vagues visibles à la surface. Or, la formation de ces ondes nécessite de l’énergie. Une partie de la puissance fournie par les machines, qui devrait normalement permettre au bateau d’avancer, est alors consacrée à la création et à la propagation de ce sillage sous-marin.

Cette dépense énergétique supplémentaire se traduit par une augmentation de la résistance à l’avancement. Le moteur continue de tourner, l’hélice fournit toujours une poussée, mais le navire progresse beaucoup plus lentement. L’intensité du ralentissement dépend notamment de la vitesse du bateau, de la différence de densité entre les couches et de leur épaisseur. Dans certaines configurations, la perte de vitesse peut être particulièrement importante, comme l’a constaté Nansen lors de son expédition.

L’expression « eau morte » est donc trompeuse, puisque l’eau n’est absolument pas immobile. Elle est au contraire traversée par des mouvements invisibles qui absorbent une partie de l’énergie du bateau. Ce paradoxe explique toute la singularité du phénomène : une mer parfaitement calme en apparence peut opposer une résistance considérable à un navire, alors même qu’aucun obstacle n’est visible.

En 1904, Vagn Walfrid Ekman perce le mystère

L’observation de Nansen attire rapidement l’attention des scientifiques scandinaves. En 1898, l’explorateur échange notamment avec le physicien norvégien Vilhelm Bjerknes, qui avance une hypothèse : la présence d’une couche d’eau douce au-dessus d’une couche d’eau salée pourrait favoriser la formation de vagues invisibles, responsables du ralentissement des navires. Cette idée ouvre la voie aux travaux de Vagn Walfrid Ekman, jeune physicien et océanographe suédois, qui entreprend une étude expérimentale du phénomène.

En 1904, Ekman reproduit la stratification de l’océan à l’intérieur d’un bassin. Il dispose une couche d’eau douce au-dessus d’une couche d’eau salée, cette dernière étant colorée pour rendre visible la frontière entre les deux liquides. Il fait ensuite avancer une maquette de navire à l’aide d’un système de traction, afin d’observer son comportement dans différentes conditions. Lorsque la maquette se déplace dans une eau homogène, elle avance normalement. En revanche, lorsqu’elle traverse le bassin contenant deux couches de densités différentes, sa progression peut ralentir fortement et présenter des oscillations.

Les expériences révèlent également des déformations de l’interface entre les deux couches. Ekman démontre ainsi que la résistance supplémentaire rencontrée par les bateaux est liée à la formation d’ondes internes. Ses recherches apportent une première explication scientifique solide au phénomène observé par Nansen onze ans auparavant. Elles mettent aussi en évidence une particularité qui va longtemps intriguer les chercheurs : dans certaines conditions, un bateau soumis à une force de traction constante peut alterner des phases de ralentissement et d’accélération, sans modification de la puissance qui lui est appliquée.

À Lyon, des chercheurs reproduisent les eaux mortes en laboratoire

Au début des années 2010, le phénomène connaît un nouvel intérêt scientifique grâce à des travaux menés au Laboratoire de physique de l’École normale supérieure de Lyon. Les chercheurs Matthieu Mercier, Rémi Vasseur et Thierry Dauxois reprennent le principe des expériences historiques d’Ekman, mais disposent cette fois de techniques modernes permettant d’observer avec davantage de précision les mouvements des fluides. Leurs travaux, publiés en 2011 dans la revue Nonlinear Processes in Geophysics, s’intéressent notamment aux ondes de grande amplitude générées par un bateau dans un liquide stratifié.

Le dispositif expérimental permet de suivre les déformations de l’interface entre l’eau douce et l’eau salée, ainsi que les conséquences de ces mouvements sur l’avancement d’une embarcation miniature. À mesure que la maquette progresse, elle crée des ondulations sous la surface, dont certaines peuvent devenir suffisamment importantes pour modifier fortement sa vitesse. Les chercheurs montrent que ce comportement dépend de plusieurs paramètres, notamment de l’épaisseur des couches d’eau, de leur différence de densité et de la vitesse du bateau.

Ces expériences rendent ainsi visible ce qui restait caché sous le Fram en 1893. Elles permettent de mieux comprendre les interactions entre la coque et les ondes internes, tout en offrant une démonstration particulièrement parlante d’un phénomène longtemps connu essentiellement par les témoignages des navigateurs. Elles confirment surtout qu’une mer parfaitement calme en surface peut abriter une activité ondulatoire importante en profondeur, capable de perturber la progression d’un navire.

En 2020, une nouvelle étude explique les variations de vitesse

L’histoire scientifique des eaux mortes ne s’arrête pas aux expériences lyonnaises. En juillet 2020, une équipe de chercheurs du CNRS et de l’université de Poitiers publie une étude dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Leur objectif est de résoudre une question restée ouverte depuis les travaux d’Ekman : pourquoi certains navires ralentissent-ils de manière relativement stable, tandis que d’autres subissent des variations répétées de vitesse alors que leur propulsion reste constante ?

Les scientifiques distinguent deux comportements. Le premier, associé aux observations de Nansen, correspond à une résistance liée au sillage d’ondes internes produit par le bateau. Cette résistance peut maintenir le navire à une vitesse nettement inférieure à celle qu’il atteindrait dans une eau homogène. Le second, observé par Ekman, se caractérise par des oscillations de vitesse : le bateau ralentit, accélère, puis ralentit à nouveau, sans modification de la force de propulsion.

Les chercheurs montrent que ce second comportement est provoqué par une perturbation ondulatoire transitoire générée lors de l’accélération initiale du navire. Cette perturbation interagit avec la coque et modifie temporairement sa progression. Pour illustrer le mécanisme, les scientifiques le comparent à un tapis roulant bosselé, sur lequel le bateau serait entraîné dans une succession de mouvements irréguliers. Leurs travaux précisent également que ce régime oscillant n’est pas permanent : lorsque la propulsion reste constante, le navire finit par sortir de cette phase transitoire et atteint un régime de progression plus stable, même si la résistance supplémentaire liée aux ondes internes peut persister.

L’étude apporte une autre précision importante concernant l’influence de l’environnement. Dans un chenal étroit ou un bassin confiné, les interactions entre les ondes internes et les limites latérales peuvent amplifier certaines oscillations. Cette découverte permet de mieux relier les observations historiques de Nansen et les expériences d’Ekman, tout en affinant la compréhension d’un phénomène connu depuis plus de 125 ans.

Un phénomène également présent dans les fjords et les estuaires

Si les eaux mortes sont souvent associées aux expéditions polaires, elles ne sont pas réservées à l’Arctique. Leur apparition dépend avant tout de la présence de couches d’eau de densités différentes et des conditions permettant à un navire de générer des ondes internes. Les fjords constituent des environnements particulièrement favorables, notamment lorsque les apports d’eau douce provenant des rivières, des précipitations ou de la fonte des neiges forment une couche superficielle relativement peu salée. Cette dernière repose alors sur une masse d’eau marine plus dense, créant une stratification parfois très marquée.

Les estuaires peuvent également présenter des conditions propices. Dans ces zones de transition entre les fleuves et l’océan, l’eau douce rencontre l’eau salée et forme des structures hydrologiques complexes, dont la configuration évolue selon les marées, les débits fluviaux et les conditions météorologiques. Certains ports, chenaux et bassins relativement abrités peuvent eux aussi connaître des situations de stratification, particulièrement lorsque le brassage de l’eau reste limité.

Il ne suffit toutefois pas qu’une couche d’eau douce repose sur de l’eau salée pour qu’un navire rencontre systématiquement des eaux mortes. L’intensité du phénomène dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels la profondeur des couches, leur différence de densité, la vitesse du navire, la forme de sa coque et les dimensions du chenal. Deux bateaux traversant une même zone peuvent donc ne pas ressentir exactement les mêmes effets, tandis qu’un même navire peut rencontrer des conditions très différentes selon la saison ou l’état de la marée.

Comment réagir face à un ralentissement inexpliqué en navigation ?

Pour un plaisancier, l’un des aspects les plus déroutants du phénomène reste l’absence possible de signes visibles. Un bateau peut ralentir alors que la mer paraît calme, que le vent n’a pas changé et que la propulsion fonctionne normalement. Dans une zone où l’eau est fortement stratifiée, les eaux mortes peuvent donc faire partie des hypothèses à envisager. Mais une baisse de vitesse ne constitue pas, à elle seule, une preuve de leur présence : un courant contraire, une hélice encrassée, un problème mécanique ou encore une modification de la charge du bateau peuvent produire des symptômes comparables.

Avant d’attribuer ce ralentissement à un phénomène naturel, il est essentiel de vérifier le bon fonctionnement du moteur et de la propulsion. Lorsque les instruments le permettent, comparer la vitesse sur le fond, mesurée par le GPS, à la vitesse par rapport à l’eau, indiquée par le loch, peut aider à identifier l’influence d’un courant. La connaissance des conditions locales reste également précieuse, notamment à proximité des estuaires, où les débits des fleuves et les marées peuvent modifier rapidement la circulation de l’eau.

Si les eaux mortes sont effectivement en cause, modifier sa vitesse peut changer l’interaction entre la coque et les ondes internes. Il n’existe toutefois pas de manœuvre universelle permettant de sortir immédiatement de cette situation. Une augmentation brutale de la puissance n'est pas nécessairement efficace et peut entraîner une consommation supplémentaire de carburant sans gain de vitesse proportionnel. La prudence consiste donc à conserver une marge de sécurité suffisante pour manœuvrer, particulièrement dans les passages étroits ou à proximité d’obstacles.

Il faut également distinguer les eaux mortes d’autres effets hydrodynamiques rencontrés en eaux peu profondes, comme l’effet de squat, qui peut entraîner un enfoncement supplémentaire du navire et modifier son comportement. Pour la navigation de plaisance, le phénomène des eaux mortes rappelle surtout qu’une résistance inhabituelle ne provient pas nécessairement d’un obstacle visible ou d’une défaillance mécanique. L’état de la mer ne se résume pas à ce que l’on observe à sa surface.

Une énigme maritime qui remonte peut-être jusqu’à l’Antiquité

L’histoire des eaux mortes a même conduit les scientifiques à revisiter un épisode célèbre de l’Antiquité. En 31 avant notre ère, la bataille navale d’Actium oppose les forces de Marc Antoine et de Cléopâtre à celles d’Octave, futur empereur Auguste. Selon certains récits antiques, les lourds navires de la flotte d’Antoine auraient rencontré des difficultés de manœuvre face à des embarcations adverses plus agiles. Une ancienne explication évoquait notamment les rémoras, des poissons capables de se fixer aux coques et auxquels on attribuait autrefois le pouvoir de ralentir les navires.

Les chercheurs ayant travaillé sur les eaux mortes se sont intéressés à une autre possibilité : les conditions hydrologiques locales auraient-elles pu favoriser une résistance supplémentaire liée aux ondes internes ? La géographie de la baie d’Actium, susceptible de présenter des eaux stratifiées, rend cette hypothèse scientifiquement intéressante. Elle permettrait d’envisager une explication physique à certains comportements décrits dans les témoignages historiques, sans faire intervenir les propriétés extraordinaires autrefois attribuées aux poissons.

Cette interprétation demeure toutefois une hypothèse de recherche et ne constitue pas une explication historique démontrée de la bataille. Les difficultés rencontrées par les flottes antiques pouvaient dépendre de nombreux autres facteurs, notamment des choix tactiques, du vent, des courants ou des caractéristiques des navires. Cette piste montre néanmoins à quel point la compréhension d’un phénomène physique peut renouveler le regard porté sur des récits maritimes vieux de plusieurs millénaires.

Une mer calme ne signifie pas une mer immobile

Plus de 130 ans après l’étrange ralentissement du Fram, les eaux mortes illustrent toute la complexité des mouvements océaniques. À la surface, la mer peut sembler parfaitement tranquille, tandis que quelques mètres plus bas, des masses d’eau de densités différentes interagissent et transmettent des ondes capables d’influencer le déplacement d’un navire. Cette réalité rappelle que les phénomènes les plus importants pour la navigation ne sont pas toujours ceux que l’on peut observer depuis le pont.

L’expérience de Nansen a permis d’attirer l’attention des scientifiques sur un phénomène que les marins connaissaient déjà sans pouvoir l’expliquer. Les travaux d’Ekman lui ont donné une première interprétation physique, tandis que les expériences réalisées à Lyon, puis les recherches publiées en 2020, ont révélé de nouveaux mécanismes. Derrière cette histoire se dessine aussi celle des progrès de l’océanographie, où les observations de terrain, les expériences en laboratoire et les modèles théoriques se complètent pour comprendre les mouvements de la mer.

Aujourd’hui encore, l’eau morte demeure un exemple fascinant de la manière dont l’océan peut déjouer les apparences. Sous une surface lisse, sans écume ni vagues visibles, la mer peut opposer une résistance considérable à ceux qui tentent de la traverser. Une leçon que Fridtjof Nansen a découverte à ses dépens, en 1893, lorsqu’un phénomène invisible a presque immobilisé l’un des navires les plus célèbres de l’histoire de l’exploration polaire.