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Climat : la circulation océanique et les vents

Dossier - L'eau est-elle encore bleue ?

Pourquoi l'eau nous est-elle nécessaire, à nous autres, humains ? Pourquoi peut-elle être si dangereuse lorsqu'elle est infectée ? Tantôt amie, tantôt ennemie, l'eau est une richesse précieuse. Découvrez ses différentes facettes dans ce dossier.

  
DossiersL'eau est-elle encore bleue ?
 

Le système océan atmosphère est une énorme machine thermique fonctionnant à l'énergie solaire. La chaleur est redistribuée à la surface de la planète par les mouvements de l'atmosphère (les vents) et des océans (circulation océanique).

Le vent a une influence sur la circulation océanique. © PublicDomainPictures
Ensemble des facteurs climatiques. © CNRS, reproduction et utilisation interdites

La température des océans varie dans l'espace et dans le temps :

flux de chaleur Moyennes W/m2Variations W/m2
flux (entrant) par rayonnement solaire+150 80 à 200
flux (sortant) radiatif de grande longueur d'onde-50 Faibles
flux (sortant) par conduction -10 0 à -40
flux (entrant) par évaporation / condensation-90 -50 à -160
flux (interne) par transport d'eau 0 -100 à +200

La valeur de la chaleur latente (2474 kJ/kg à 20°C pour de l'eau pure) liée à la structure de l'eau, ainsi que les valeurs d'évaporation (env. 1,2 m /an sur les océans), font que le flux de chaleur dû à l'évaporation est la première cause de refroidissement des océans. Ce flux est plus important dans les zones subtropicales et au-dessus des courants chauds.

Cette modélisation informatique révèle la beauté et la complexité des courants océaniques observés depuis l'Espace entre juin 2005 et décembre 2007. © Nasa/Goddard Space Flight Center/YouTube

Le rôle des transports d'eau en profondeur est fondamental dans le bilan thermique de la planète. Pour l'Antarctique, la première cause de refroidissement du continent est le rayonnement de grande longueur d'onde, la première cause de réchauffement est le flux de chaleur par transport d'eau en provenance de l'Atlantique Nord (données tirées du cours de O. Le Calvé, université de Toulon). Voir également son dossier intitulé Le milieu marin : propriétés physiques.

Circulation dans l'océan Atlantique Nord. © Reproduction et utilisation interdites

La circulation océanique transporte l'eau vers les pôles où elle se refroidit. Ce refroidissement libère de la chaleur qui réchauffe l'air (on est bien placé, en France, pour le savoir !) et lui permet ainsi de plonger au large du Groenland. La circulation d'eau froide se fait au fond du nord au sud libérant ainsi la place pour de l'eau chaude...

La tendance générale, perceptible de manière intuitive d'ailleurs, est que l'océan se réchauffe à l'équateur et perd de la chaleur aux grandes latitudes. La distribution de chaleur se fait par transport d'eau sous forme d'un mouvement convectif (plongée des eaux les plus denses) et le bilan local est équilibré par le flux de chaleur par transport d'eau.

Les grands courants marins. © DR, reproduction et utilisation interdites

On a les mêmes phénomènes pour l'atmosphère, résumé par le schéma suivant :

Chauffage de l'atmosphère et de la surface de la Terre. © CNRS, reproduction et utilisation interdites

Vasco, pour mieux comprendre les échanges océan-atmosphère

Afin d'étudier la variabilité des interactions océan-atmosphère dans l'océan Indien, le Cnes et le CNRS se sont associés dans le cadre de l'expérimentation internationale Vasco. Dans la région de l'océan Indien, les échanges au sein du couple océan-atmosphère font l'objet d'une variabilité saisonnière parmi les plus marquées sur l'ensemble des tropiques. Ce phénomène se traduit par une intense mousson indienne et a des répercussions sur les courants océaniques. Il est également suspecté d'influencer l'apparition et la force d'un El Niño.

L'objectif de Vasco est d'étudier la variabilité de ces échanges sur des échelles de temps variant de la saison à plusieurs années. Un effort important est mis sur la compréhension des processus physiques à l'origine des oscillations tropicales inter-saisonnales sur des périodicités de l'ordre de 20 à 40 jours, variabilité qui doit être prise en compte pour réaliser des prévisions saisonnières plus précises dans le secteur indo-pacifique.

Pour réaliser cette étude, différents systèmes de mesures in-situ seront mis en œuvre. Des moyens opérationnels comme les bateaux océanographiques, les bouées dérivantes ou encore les ballons stratosphériques seront utilisés pour étudier les paramètres atmosphériques et océaniques. Le Cnes est responsable de la composante ballon qui comprend deux types d'aérostats :

  • Le Ballon Pressurisé Couche Limite (BPCL), ballon sphérique de 2,5 m de diamètre, qui vole à une altitude d'environ 1 200 m, et dont la charge utile atmosphérique est située à l'intérieur du ballon. Les paramètres mesurés sont la position et les pression, température et humidité atmosphériques.
  • L'aéroclipper, nouveau système aérostatique dérivant à environ 50 m au-dessus de l'eau, est capable de réaliser simultanément des mesures atmosphériques, via la nacelle aérienne située au-dessous du ballon, et océaniques, via une nacelle marine. En plus de la position et des paramètres atmosphériques classiques seront mesurés la vitesse du vent sur le ballon, la vitesse de déplacement dans la masse d'eau et la température et la salinité de l'eau.

À Liège en 2005 s'est déroulé « the International Symposia on Gas Transfer At Water Surfaces », une discipline nouvelle qui devient très importante dans l'étude du couple océan-atmosphère et qui ne s'est individualisée qu'en 1985. En effet, ces études sont très spécifiques.

Échange océan-atmosphère. © CNRS, reproduction et utilisation interdites

Commentaire du graphique : Les flux de chaleur sensible et latente (H et E) sont maximaux sur les courants chauds (Gulf Stream), et sur les zones marginales de glaces (hors glace). Le rapport de Bowen (H/E) vaut environ 0.11, le flux de chaleur sensible étant presque toujours faible (50 W/m2), ce qui rend son évaluation difficile. Le flux dans l'océan (G) est déduit comme résidu du bilan d'énergie. Il est connu avec une mauvaise précision (40%). Sa répartition sur le globe est fonction de l'éclairement solaire et des courants. Le terme dominant de forçage atmosphérique est le flux de quantité de mouvement, t, qui influe directement sur la circulation océanique, mais interagit avec la surface par modification de sa rugosité. Les flux radiatifs (S et L) viennent en seconde importance, avec le flux de chaleur latente (chauffage solaire, couverture nuageuse et refroidissement de l'océan par évaporation). Les flux de masse, M, (évaporation, précipitation) peuvent être localement important dans le couplage.

Ce sont des processus de petite échelle, qui affectent principalement les couches limites atmosphérique (CLA) et océanique (CMO), mais contribuent au transport d'énergie au-delà. Les propriétés thermodynamiques très différentes de l'atmosphère et de l'océan (capacité calorifique, en particulier) introduisent une forte dissymétrie dans la réponse d'un milieu au forçage de l'autre : en première approximation, on étudie la réponse de l'océan au forçage atmosphérique. C'est pourtant ce couplage dans son ensemble, incluant la modification de l'état de la surface de la mer, qu'il faut comprendre et représenter dans des modèles numériques.

Les processus d'échange océan-atmosphère sont de petite échelle mais ont des conséquences jusqu'à l'échelle globale. Comment les décrire à grande échelle ? Quelques exemples de phénomènes de moyenne échelle :

  • structures convectives organisées dans la couche limite atmosphérique (rouleaux, cellules hexagonales) : 1-2km de haut sur 500 km ou plus d'extension horizontale, avec une périodicité horizontale de 1 à 10 km.
  • perturbations frontales associées à une dépression atmosphérique ; quelques km verticalement sur plus de 500 km dans le sens longitudinal, et quelques km transversalement.
  • méandres de courant et tourbillons : profondeur allant de 500 à 5000 m sur 10 à 500 km horizontalement.
Quelles sont les interactions atmosphère-océan ? © DR, reproduction et utilisation interdites

Les tempêtes, si violentes soient-elles, ne sont que des manifestations perceptibles de ces échanges de chaleur au niveau de l'atmosphère et de l'océan. C'est, en particulier, très facile à comprendre avec les cyclones qui se forment au large de l'Afrique pour aller se manifester sur les côtes américaines du nord et du centre du continent.

Température de surface de l'Atlantique et cyclone du 25 août 2005.© DR, reproduction et utilisation interdites

Les mouvements tourbillonnaires de l'atmosphère peuvent être modélisés par les équations de Navier-Stokes qu'on ne sait toujours pas résoudre ! et dont, d'ailleurs on ne sait même pas si elles comportent des solutions. La fondation Cray (des célèbres ordinateurs) offre 1 million de dollars à qui pourra dire si oui ou non ces équations ont des solutions !

Cyclone. © DR, reproduction et utilisation interdites

Dans le même ordre d'idée tout le monde, en France, se souvient des tempêtes du 27 décembre 1999, dont voici les isobares.

Isobares du 27 décembre 1999.© DR, reproduction et utilisation interdites

Catastrophes climatiques

L'histoire fourmille de récits divers plus ou moins vérifiables. Mais certains méritent que l'on s'y arrête un instant. Surtout que, actuellement tout le monde parle de ça, nos politiciens en premier !

  • Le grand hiver à Le Grand Pressigny (St Gervais) :

« L'année 1709 a esté une des plus malheureuses qui ait jamais esté, son malheur commença la vigile des roys par une gelée qui dura jusques au vingt cinq de janvier, elle gatta toutes les légumes, fit jetter les fonds de beaucoup de tonneaux, gela universellement les noyers, presques tous les pommiers, poiriers, beaucoup de chesnes, la moitié des vignes, tous les oliviers et tous les froments, détruit presque toutes les perdrix rouges, tua une infinité d'oiseaux, a presque fait mourir tous les autres arbres, et ce qui estoit resté de bled froment fut gasté à la fleur par un brouillard universel avec les vignes de soie qu'il ne s'est pas fait en ce pays icy une seule goutte de vin . Le bled a valu jusques à quatre livres(...) Cela les rivières de Loyre, du Chair, de l'Indre, de Creuse et de Vienne ont débordé de quatre pieds sur les prés deux fois dans l'année, tout le monde est réduit à manger du pain d'orge et boire de l'eau. Le vin vaut cent cinquante livres la pipe et il n'est d'aucun fruit. »

  • La rigueur du climat en 1788 (Loiret) :

« Cette année 1788 a été désatreuse et telle qu'on n'en voit guère. Le 13 du mois de juillet jour de dimanche à huit heures du matin est venu un orage épouvantable suivi d'une grelle dont on a pesé les grains qui étaient très gros du poids de dix livres qui a dévasté depuis Vendome jusques au dela de la flandre la terre qui en était couverte n'a produit aucun fruit, j'ai parcouru la beauce à la fin du dit mois, on ne trouvait que des habitants consternés. (...) Le mois de décembre même année et janvier 1789 le froid a été si long et si rude qu'il a été a 18 degrés sous glace ; tous les fleuves et grandes rivières de la france ont été pris et notemment la loire qu'on a passé sur la glace pendant long tems et lorsque la débacle s'est faite plusieurs ponts au dessus d'Orléans ont été plus ou moins endommagés par la perte de plus ou moins d'arches, les glaçons amoncellés en ont arreté le cours ordinaire ce qui a occasionné vers la paroisse de St Denis en Val l'ouverture de la levée et la loire a pris son cours dans les champs fertiles de cette contrée, et est venue se jeter dans le Loiret ce qui a surpris tous les habitants (c'était pendant la nuit) qui se sont trouvés dans l'eau sans y penser. Olivet a beaucoup souffert ainsi que sept à huit autres paroisses et le portereau d'Orléans, on ne s'imaginera jamais dans les tems reculés que ceci soit possible et cependant elle n'est que trop vraie. les maisons emportées, les vignes ensablées, les moulins d'eau à farine et autres sur le Loiret renversés emportés on jugera de la perte qui s'est ensuivie. Le pont d'orléans et celui de Beaugency et celui de Blois ont résisté quoique endommagés ainsi que celui de St Mesmin mais le beau pont de Tours et autres ont été maltraités par la perte de plusieurs arches, je ne puis dire le dommage qu'on a souffert jusqu'à Nantes, on l'évalue cinq ou six millions Dieu nous préserve de pareil accident. Ecrit à Cléry aujourdhuy vingt sept février 1789. Bernard chan.curé. »

Ajoutons à ce dernier extrait que, probablement cette année catastrophique fut la goutte d'eau qui fit déborder le vase de... la Révolution, l'année suivante ; c'est, en tous les cas, ce que pensent actuellement plusieurs historiens du climat.

Éruption du Laki, en Islande

Il faut, pour être complet ici, ajouter que le Laki, en Islande eut une éruption très importante en 1783 qui fut la cause d'un immense nuage de poussières (lueurs rouges dont parlent les habitants de cette époque) et de plusieurs saisons catastrophiques dont les famines en Irlande, causes d'un exode massif vers les Amériques.

Laki. © Terre & volcans,reproduction et utilisation interdites

Durant les cinquante premiers jours de l'éruption, cette fissure éruptive émet ainsi près de 10 km3 de lave, pour une surface de 370 km2. C'est un débit énorme par comparaison avec l'éruption de l'Etna en 1983 (80 millions de m3, (0,08 km3) en 132 jours). Le débit moyen pour le Laki durant cette période est d'environ 2 200 m3 par seconde, sur l'Etna le débit moyen d'un point d'émission de 1 à 2 m3 ! Le 29 juillet, une nouvelle fissure s'ouvre et des coulées de lave dévalent dans la vallée de Hverfisfljot. L'éruption s'acheva le 7 février 1784, et aura duré huit mois. La zone fissurale est longue de 25 km.

Les coulées de lave ont recouvert une surface de 565 km2, pour un volume global, gigantesque, estimé à 12,3 km3. Les effets les plus néfastes sont dus aux émissions de cendres et surtout les gaz magmatiques. En effet, c'est près de 24,5 millions de tonnes de soufre qui furent produit au cours de cet événement (SO2 principalement, en partie transformé en SO3). Cette valeur est sensiblement la même que celle avancée pour l'éruption du Tambora (Indonésie), en 1815 (26 x 106 t). Et l'on estime à 20 millions de tonnes de gaz carbonique émis. Cette pollution volcanique naturelle contamina, durant l'été 1783, les eaux de surface et l'essentiel des pâturages islandais. Ainsi, 200.000 moutons (80 %), 28 000 chevaux (75 %) et les trois quarts des animaux sauvages périrent.

Laki enneigé. © Jacques-Marie Bardintzeff, reproduction et utilisation interdites

Un autre effet de la pollution du Laki, apparaît dans l'assombrissement de l'atmosphère par les poussières volcaniques, comme cela se produisit au Pinatubo en 1991, au Krakatau, en 1883, et au Tambora en 1815. La visibilité était tellement mauvaise que toute l'activité de pêche fut interrompue. En Ecosse, 1783 fut qualifié d' « année des cendres ». Les poussières volcaniques et les gaz causèrent une brume qui s'étendit, durant l'été et l'automne 1783, sur la plus grande partie de l'Europe et sur les régions adjacentes de l'Afrique et de l'Asie.

Les conséquences de ces catastrophes n'étaient pas aussi importantes que maintenant en termes de morts, sans abris et dégâts matériels (en chiffres absolus !) ceci est dû aux faits que la planète était moins peuplée, moins bétonnée, et que les anciens respectaient les zones inondables.... mais des catastrophes il y en a toujours eu et pour l'instant rien ne permet de prouver qu'elles sont plus sévères en termes météorologiques qu'elles ne l'étaient à l'époque.

L'effet de serre et l'eau

L'effet de serre est dû à un certain nombre de gaz qui piègent les rayons infrarouges et les empêchent d'être réfléchis dans l'espace autant qu'ils devraient l'être. Ceci a pour conséquence de réchauffer l'atmosphère (et l'océan ?).

Concernant notre propos et donc l'eau, elle est responsable d'un certain effet de serre mais sa part est faible vis-à-vis du CO2 et du méthane. En revanche les effets de ce réchauffement ont des incidences sur l'eau de la planète.

Sur le volume de l'océan : la dilatation de l'eau avec l'augmentation de la température fait « gonfler » l'océan qui prend plus de place, donc le niveau monte (voir page 4 de ce dossier)...

Banquise.© DR, reproduction et utilisation interdites

Sur les glaces. Le pôle nord est une galette de glace qui flotte sur l'océan glacial arctique et on en a perdu 1/3 en 50 ans  ! Ceci peut avoir une incidence sur la circulation océanique :

Et si le Gulf Stream s'arrêtait ?

Pour l'homme de la rue, freiner ou arrêter le Gulf Stream relève de la pure fiction. Ce courant océanique de surface de l'Atlantique nord ne peut tout simplement pas « tomber en panne ». Le Gulf Stream a déjà connu de sérieuses perturbations dans son « écoulement ».

Des chercheurs canadiens, américains et britanniques, dont les travaux ont en partie été soutenus par le 5e programme-cadre de recherche de l'Union européenne, estiment que le réchauffement global de notre planète entraîne depuis 10 ans une modification de la salinité des océans, ce qui pourrait perturber la circulation des courants marins (circulation thermohaline).

Gulf Stream, vue de l'espace en fausses couleurs.© DR, reproduction et utilisation interdites

Une question de salinité. C'est l'évaporation plus importante des eaux de surface dans la région intertropicale, générant un surplus important de vapeur d'eau dans l'atmosphère et des précipitations d'eau douce plus intenses aux plus hautes latitudes, qui serait responsable de cette modification de la salinité dans l'Atlantique nord. Des eaux moins chargées en sel s'enfoncent plus difficilement vers les profondeurs marines. Or c'est précisément ce qui se produit avec le Gulf Stream au nord de l'Islande. L'apport d'eau douce supplémentaire, suite à des précipitations plus intenses par exemple, empêcherait le Gulf Stream de plonger vers les fonds océaniques et donc enrayerait la vaste machine climatique mondiale. Conséquences : avec un Gulf Stream connaissant des ratés, l'Europe, privée de ses effets, plonge à son tour dans une nouvelle période froide. En clair, les hivers à Lisbonne risquent ainsi de devenir aussi rigoureux que ceux de New York. Utopie ? L'histoire climatique de notre planète montre que de tels phénomènes dus à un apport considérable d'eau douce dans les eaux de l'Atlantique nord (suite au déchargement massif des glaces de l'inlandsis américain) ont déjà enrayé la mécanique du Gulf Stream.

Une veille atmosphérique permanente depuis le Spitzberg

Gaz à effet de serre, polluants organiques et inorganiques, aérosols... Pour pouvoir étudier les changements climatiques, il faut tenir compte d'une foule de paramètres dont l'un des plus importants n'est autre que l'évolution rapide de la qualité de notre atmosphère. La station Zeppelin pour la surveillance et la recherche atmosphérique est détenue et exploitée par l'Institut polaire norvégien. A Ny-Alesund, le village scientifique qui est implanté dans l'archipel du Svalbard, la station Zeppelin (78°54 N, 11°53 E) héberge un des principaux laboratoires polaires de surveillance de l'atmosphère de l'hémisphère nord.

Carte du Spitzberg. © DR, reproduction et utilisation interdites

C'est dans cette masse d'air située près du sol - la troposphère - que les principaux phénomènes météorologiques se produisent, mais aussi que voyagent et se mélangent diverses familles de gaz, de particules, de polluants de toutes sortes.

L'île du Spitzberg.© DR, reproduction et utilisation interdites

« Nous mesurons ici en permanence la concentration dans l'air de divers types de gaz, comme le méthane, le monoxyde de carbone, les chlorofluorocarbones (CFC) et les hydrofluorocarbones (HFC). Nous faisons de même avec les particules en suspension dans l'atmosphère dont nous étudions la taille et la distribution, ainsi qu'avec divers polluants inorganiques, comme par exemple le mercure. Enfin, lors de précipitations, nous prélevons des échantillons qui sont eux aussi soumis à analyses. »

Ces mesures régulières renseignent les chercheurs sur l'évolution de l'atmosphère mais également sur les sources, le transport, la dispersion et les éventuelles transformations des polluants et de leur impact sur l'environnement. Un constat : depuis 1999, les concentrations de HFC, un gaz à effet de serre, mesurées à Ny-Alesund, sont en augmentation constante. Et 2003 a même vu un triste record en la matière : +25 %. Ces données, comme d'autres, sont essentielles pour alimenter et valider les modèles mathématiques qui permettent de simuler les changements climatiques à l'échelle de la planète.