Physique-chimie

Pourquoi étudier les courants océaniques ?

                      

«Même si vous n'avez jamais eu la chance de voir ou de toucher l'océan, l'océan vous touche avec chaque souffle que vous prenez, chaque goutte d'eau que vous buvez, chaque bouchée que vous consommez. Tout le monde, partout, est inextricablement liée et est totalement tributaire de l'existence de la mer.» Sylvia Earle

 
Introduction
La circulation océanique mondiale
Composante rapide : courants de surface
Composante lente : la circulation thermohaline
Atmosphère et océan, un couple intimement lié

     

 

Introduction

L’énergie reçue par le rayonnement solaire est maximum à l’équateur et diminue aux plus hautes latitudes. Cette inégale répartition provoque des transferts d’énergie entre les zones de basses latitudes et les zones de moyennes et hautes latitudes. Ces transferts responsables du climat sont assurés par l’atmosphère (flux d’air), par les océans (courants), et par le cycle de l’eau.

Les échanges de chaleur, d’eau entre l’atmosphère et l’océan sont constamment à la recherche d’équilibre. L’eau, en changeant d’état, absorbe ou libère de l’énergie. La vaporisation de l’eau au-dessus de l’océan consomme de l’énergie, entraînant un refroidissement de l’atmosphère et inversement, la condensation de l’eau en altitude, libère une quantité d’énergie qui réchauffe l’atmosphère.

La capacité thermique de l’eau de mer est quatre fois plus élevée que celle de l’air. L’océan joue donc un rôle essentiel pour stocker et redistribuer cette énergie.

La différence fondamentale de la répartition de chaleur par la circulation atmosphérique (les vents ) et la circulation océanique (circulation thermohaline) est l’échelle de temps. Elle se compte en jour ou semaine pour l’atmosphère alors qu’elle se compte en dizaine d’année pour l’océan de surface et en plusieurs centaines d’année pour l’océan profond.

  

La circulation océanique mondiale

En première approximation, deux grands types de courants peuvent être distingués :

  • Une composante rapide (échelle de temps d’une dizaine d’année), il s’agit des courants de surface à l’horizontal, entrainés principalement par les vents, et la force de Coriolis qui est due à la rotation de la Terre.
  • Une composante lente, échelle de temps de l’ordre du millénaire (vitesse de l’ordre du mm/s) , il s’agit de la circulation thermohaline.

  

Composante rapide : courants de surface

La température de l'océan mondial représentée ci-dessous illustre l’inégalité de l’énergie solaire apportée entre l’équateur et les hautes latitudes : la température est élevée dans la bande tropicale et elle diminue en direction des régions polaires. Le soleil émet des rayonnements qui frappent la terre sous des angles différents. L’angle d’incidence au pôle étant plus grand, la surface recevant une même quantité de rayonnement est aussi plus importante diminuant ainsi la quantité d’énergie reçue par rapport à l’équateur où l’angle d’incidence est nul. Il en résulte un chauffage plus efficace à l’équateur qu’aux hautes latitudes. De ce fait la température à l’équateur est plus élevée qu’aux pôles.

Figure 1 : température de l'océan mondial

 

L’équateur reçoit davantage de chaleur que les pôles. Les courants de surface sont reliés au régime des vents et à la force de Coriolis, ils contribuent à réguler les températures atmosphériques. Durant la période estivale, l'océan absorbe les fortes radiations solaires, stocke l’énergie sous forme de chaleur et la redistribue ensuite. Les courants océaniques de surface qui déplacent les masses d'eau chaude vers les latitudes polaires contribuent à cette redistribution. Parallèlement les masses d'eau froide se déplacent vers les zones équatoriales et tropicales où elles viennent se réchauffer.

 

Figure 2 : Principaux courants océaniques

© www.physicalgeography.net

      

Transport d’Ekman

En balayant la surface de la mer, les vents donnent naissance à des courants. En 1905 L’océanographe Vagn Walfrid Ekman montra que la direction des courants résultants était aussi liée à l’action de la force de Coriolis.

      

Force de Coriolis :

Plaçons nous sur un manège pour enfant et essayons de lancer une balle vers le centre du manège, dans ce référentiel nous voyons la balle être déviée. Plus elle se rapproche du centre du manège, plus sa vitesse de rotation par rapport à un référentiel extérieur diminue. Un corps qui subit une modification de vitesse donc une accélération subit une force. Si le manège tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, la force pousse la balle vers la gauche dans le référentiel du manège. La terre tourne autour de son axe. Si on imagine la terre plate tel un manège, en se plaçant dans l’hémisphère Sud (rotation du manège dans le sens des aiguilles d’une montre, une balle lancée est déviée vers la gauche). La force de Coriolis agit donc sur Terre : Le sens de la force dépend de l’hémisphère. Déviation vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud.

En savoir plus, suivre ce lien : « les démonstrations du Palais de la découverte » : mise en évidence de la force de Coriolis sur un plateau tournant.

 

 

  

 
 
 
Le vent met en mouvement par frottement une couche d’eau d’une centaine de mètre (appellée couche d'Ekman). A cause de la force de Coriolis, elle est entrainée à 45 °. Cette couche entraine elle-même une autre couche située sous elle mais déviée à son tour par la force de Coriolis et ainsi de suite. Plus on va en profondeur plus le courant est dévié et décrit ainsi une spirale.

Figure 3 : Spirale d’Ekman - Vue de l’hémisphère Nord

  
Le Transport d'Ekman a pour effet d'accumuler l'eau de surface dans certaines régions de l'océan et d’en supprimer dans d’autres, ceci entraine des variations de la hauteur de la surface de la mer, et des gradients de pression. L'altimétrie, qui mesure les différences de hauteur de mer, permet d'observer les courants.
Le mouvement horizontal des eaux de surface découlant d'un équilibre entre la force du gradient de pression et la force de Coriolis reflète la circulation planétaire moyenne de l'atmosphère. Les Gyres dans les hémisphères nord et Sud sont semblables, sauf qu'elles tournent en sens contraire.
La combinaison de vents persistants, la force de Coriolis, et aussi les restrictions sur les mouvements latéraux de l'eau causée par les rives et les fonds induit aussi des mouvements vers le haut (upwelling) et vers le bas (downwelling).

  

   

Figure 4 : Courant d'Ekman

© http://oceanmotion.org/ NASA

  

Composante lente : la circulation thermohaline

En observant ci-dessous une coupe de la distribution moyenne de la température dans l'océan Atlantique Ouest, on observe des eaux froides et lourdes aux hautes latitudes qui s’étalent en profondeur jusqu’à l’équateur.

  

Figure 5 : Température en fonction de la profondeur

© AWI source http://www.ewoce.org/gallery/A16_TPOT.gif

  

Ce sont les écarts de température et de salinité donc de densité qui vont conditionner les mouvements des masses d’eau par les phénomènes de convection (transport vertical) et d’advection (transport horizontal) responsables de la circulation thermo (température) haline (salinité) à l’échelle planétaire.

La circulation thermohaline est aussi appelé tapis roulant (Great Ocean Conveyor Belt) .

   

Figure 6 : Courant océanique mondial

© 2013 International Polar Foundation

            

Le froid pendant l’hiver boréal en mer de Norvège et du Labrador produit dans l’océan des eaux denses, froides et très salée, ces eaux tapissent le fond océanique et se répandent vers l’équateur. Dans l’océan Australe d’autres eaux froides et très salées se forment lors de la prise en glace de l’océan Antarctique principalement en Mer de Weddell, de Ross et en Terre Adélie. Là aussi les eaux très froides et salées plongent au passage du plateau continental et vont et se répandent vers l’équateur en tapissant les plaines abyssales de l’hémisphère sud.

Ces eaux très denses aux hautes latitudes sont le moteur de la circulation thermohaline profonde.

        

Atmosphère et Océan, un couple intimement lié

La circulation atmosphérique influence les courants marins et vice versa. L’océan joue un rôle essentiel sur le climat en transportant de grandes quantités de chaleur, il sert de puissant régulateur thermique de notre planète. De plus, l’océan intervient dans plusieurs grands cycles biogéochimiques, (comme ceux de l'oxygène et du carbone). Cette circulation a aussi une influence primordiale sur les écosystèmes.

Les océans absorbent 30 % du dioxyde de carbone anthropique, sa capacité d'absorption augmente avec la concentration contenue dans l'atmosphère mais diminue avec le réchauffement climatique. Les programmes de recherche sur l'évolution climatique mobilisent les climatologues et les océanographes, l'étude des courants marins et leurs évolutions dans le temps est incontournable pour l'étude du climat de notre planète.

La représentation ci-dessous met en lumière l’importance de l’océan Austral dans ces mécanismes.

Figure 7 : Circulation du courant mondial autour de l'Antarctique