Planète

Quelques caractéristiques des échanges d'énergie et de matière

Dossier - Interactions océan-atmosphère : un rôle majeur pour le climat
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La surface de la mer est le lieu de transmission de l'énergie, la matière de l'océan vers l'atmosphère, et du milieu extérieur vers l'océan. Comprendre les mécanismes d'échanges, les quantifier, suivre leur évolution, est un enjeu important.

  
DossiersInteractions océan-atmosphère : un rôle majeur pour le climat
 

1 - Caractéristiques temporelles :

Les variations des interactions océan - atmosphère sont notables à des échelles de temps allant du jour à l'année, mais les variations interannuelles peuvent être importantes (avec par exemple des phénomènes tels que El Niño, dont nous reparlerons plus loin). Le cycle saisonnier domine les variations d'ensoleillement mais les fluctuations d'échelle plus courte de la circulation atmosphérique engendrent de larges variations des flux de chaleur, et du forçage mécanique par frottement de la surface :

Exemple d'effet du vent sur la température de surface et l'épaississement de la couche mélangée sur une période de 45 jours (expérience SEMAPHORE, octobre – novembre 1993) : la température de surface, le vent, et la profondeur de la couche mélangée ont été mesurés par une vingtaine de bouées dérivantes dans un domaine de 500 sur 500 km2, et représentés ici par leur moyenne (trait gras) et l'écart type des variations (traits pointillés). On observe que la succession des coups de vent, et en particulier aux alentours du jour 303, provoque un refroidissement marqué dans les heures qui suivent, et un approfondissement progressif de la thermocline
  • le refroidissement de la surface est provoqué principalement par les coups de vent, qui mélangent l'eau de surface et l'eau plus profonde. Le refroidissement se fait donc par à-coups (en quelques heures) dès l'automne, accélérant le refroidissement dû à la diminution du rayonnement solaire.

  • Lorsque l'écoulement atmosphèrique survole les régions océaniques de température différente, la température de la basse atmosphère s'adapte presque instantanément (mais il peut y avoir des modifications dues aux transferts d'énergie, comme l'apparition de nuages, déviation du vent)

2 - Caractéristiques horizontales :

  • les dépressions et anticyclones des latitudes tempérées ont des échelles caractéristiques de quelques milliers (ou dizaines de milliers) de km. Les masses d'air associées ont des échelles de quelques centaines à quelques milliers de km. La dimension typique des dépressions polaires est d'un ordre de grandeur de moins.
  • les systèmes nuageux tropicaux ont des dimensions de quelques dizaines à quelques centaines de km (occasionnellement plus), mais les coups de vent et les zones précipitantes associés sont de petite échelle (quelques km à quelques dizaines de km)
  • les grands courants océaniques ont des dimensions horizontales de quelques centaines à quelques milliers de km (Gulf Stream, Kuro-Shio). Leur position moyenne en latitude présente une certaine variation saisonnière
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Gulf stream
  • les méandres des courants et les tourbillons (qui apparaissent de plus en plus comme le principal vecteur de transport d'énergie horizontalement, voire verticalement au sein de l'océan) sont de petite dimension (quelques km à quelques centaines de km)
Gulf stream

En résumé, l'océan reçoit de l'énergie de l'atmosphère sous différentes formes. Il y répond en modifiant sa structure thermique verticale et ses courants de façon plus ou moins rapide (refroidissement plus rapide que le réchauffement en général). En retour, l'océan n'affecte l'atmosphère que par la modification de la température de surface (on néglige l'effet des courants, qui ont en général une vitesse nettement inférieure au mètre par seconde, alors que la vitesse moyenne du vent est de 7 m/s), et par les transferts de matière (eau, gaz, particules). Les différences d'échelle des variations spatiales et temporelles entre les deux milieux rendent très complexes les processus d'échange, qui dépendent des régions océaniques : l'océan n'est pas une vaste surface homogène pour l'atmosphère, bien que les hétérogénéités soient nettement moins fortes que sur les continents.

Exemple d'effet d'une anomalie locale de température de surface sur l'atmosphère. A gauche, température de surface moyenne sur quatre mois, mesurés par bateau et bouées (expérience POMME, janvier – avril 2001). A droite, vent moyen sur la même période obtenu par satellite. Le cercle blanc montre une anomalie de vitesse de vent au centre de la zone (vent assez faible, en vert, entouré d'un anneau de vent plus fort, en orange / rouge). Cette anomalie est associée à un tourbillon océanique caractérisé par un contraste en température de surface d'environ 1°C par rapport à l'environnement. Référence Bourras et al, J. Geophysical Research, 2004