Spirale d’Ekman : qu'est-ce que c'est ?

Les océans du globe sont animés de grands courants qui impactent fortement, voire contrôlent largement le climat terrestre. Cette circulation océanique repose sur deux grands moteurs que sont les différences de densité (en lien avec la salinitésalinité et la température des eaux) et l'action des vents. Les vents influencent en effet les courants de surface, tandis que les niveaux profonds restent soumis quant à eux à la force de Coriolis. Ce différentiel dans la direction des courants de surface et de profondeur pour une colonne d'eau produit ce que l'on appelle une spirale d'Ekman.

Une dérive des glaces par rapport à la direction du vent

C'est à la fin du XIX^e siècle, au cours d'une expédition vers le pôle Nord, que l’explorateur norvégien Fridtjof Nansen observe pour la première fois ce phénomène. Alors que son navire, le Fram, est pris dans les glaces de l'océan Arctique, il observe en effet que la banquise ne dérive pas de façon parallèle au vent dominant. La trajectoire apparait déviée d'un angle de 20 à 40° vers la droite. Cette observation sera théorisée quelques années plus tard, en 1902, par le Suédois Vagn Walfrid Ekman, à partir des observations de Nansen.

Ekman démontre ainsi que la dérive du Fram et de la banquise résulte d'une combinaison de forces : la force de Coriolis qui agit sur le mouvementmouvement de l'ensemble de la massemasse d'eau, et la tension du vent sur la couche d'eau superficielle.

C'est lors d'une expédition vers le pôle Nord que les effets de la spirale d'Ekman sont observés pour la première fois. © Felix, Adobe Stock

Une résultante de la force de Coriolis et de l’action des vents

La direction de la force de Coriolis (qui est directement liée à la rotation de la Terre) n'est en effet pas forcément la même que la direction des vents. Pour comprendre comment ces deux forces vont interagir, l'océan doit cependant être considéré non pas comme une masse unique, mais comme une succession de couches. Celle située au sommet de la colonne est soumise aux forces de frottement du vent.

Représentation de la spirale d'Ekman. 1: direction du vent ; 2 : force de friction due au vent dans les différentes couches d'eau ; 4 : force de Coriolis ; 3 : résultante des deux forces qui forme un angle de 45° avec la direction du vent en surface. © Timer, Chabacano, Wikimedia Commons, domaine public

La base de cette couche superficielle entraîne la couche sous-jacente par effet de frictionfriction, et ainsi de suite. Mais cette influence du vent diminue cependant avec la profondeur. La vitessevitesse du courant décroit donc de manière exponentielle vers les couches les plus profondes. Mais chaque couche d'eau est également soumise à la force de Coriolis.

Pour la couche de surfacecouche de surface, la résultante de ces deux forces est donc un courant faisant un angle de 45° avec la direction du vent. Le courant est dévié vers la droite dans l'hémisphère Nordhémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sudhémisphère Sud. Plus on descend en profondeur, plus cet angle augmente, à cause de la diminution de l'influence du vent. Cette disposition des vecteurs de courants dans une colonne se présente ainsi sous la forme d'une spirale, appelée spirale d'Ekman.