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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.
Les interactions océan - atmosphère sont impliquées dans un grand nombre de phénomènes de diverses échelles de temps et d'espace. Mais souvent, c'est l'interaction combinée de l'océan, des régions continentales voisines et de l'atmosphère qui doit être considérée, en raison des différences notables des deux types de surface.
De plus, il faut plutôt parler de couplage océan-atmosphère dans certains phénomènes, car les forçages d'un milieu sur l'autre ne se font pas dans le même temps : les modifications des structures océaniques se produisent plus lentement que celles de l'atmosphère, mais une anomalie océanique persiste beaucoup plus longtemps que sa source atmosphérique, et peut à son tour influer sur l'atmosphère. Ce sont donc les comportements des deux milieux du point de vue dynamique et thermodynamique qu'il faut considérer.
1 - Régions polaires :
A haute latitude, l'atmosphère est sèche et froide, le vent souvent fort. Ces caractéristiques induisent un fort refroidissement de la surface (refroidissement radiatif (IR) et flux de chaleur sensible et latente). Ce refroidissement, à forte composante saisonnière, provoque la congélation de l'eau douce en surface, entraînant l'enrichissement en sel de l'eau sous-jacente. Cette eau dense plonge vers le fond de l'océan : c'est le moteur de la circulation thermohaline globale, l'Atlantique nord étant la zone de « convection » océanique dominante.
La formation de glace arrête les échanges d'énergie entre l'océan et l'atmosphère (plus de flux turbulents), et réfléchit le rayonnement solaire (fort albédo), donc la surface englacée (et enneigée) est très importante dans le bilan d'énergie global de la terre (puits de chaleur).
Proportion de glace de mer (appelée concentration) autour du pôle nord, déduite des mesures de l'instrument SSM/I de la Marine des Etats Unis. A gauche, maximum hivernal moyen, à droite, minimum moyen (septembre).
2 - Régions tropicales :
A basse latitude, le rayonnement solaire est maximal, l'atmosphère est humide et chaude, le vent faible en moyenne, la force de Coriolis s'annulant à l'équateur. Les mécanismes de couplage océan - atmosphère changent significativement : l'évaporation sur les océans provoque de la convection profonde dans l'atmosphère (nuages d'orage), et une partie de la chaleur et l'humidité est transportée à haute altitude, puis vers les plus hautes latitudes par les courants aériens dans la stratosphère.
On observe des différences est-ouest dans les bassins océaniques, car les Alizés poussent l'eau de surface vers l'ouest, provoquant une légère pente du niveau de la mer. Les zones ouest sont nettement plus chaudes des les bords est, l'eau ayant été longuement chauffée en surface, tandis que de l'eau plus fraîche vient remonter en surface en remplacement près des côtes est. Ce phénomène est très important aux latitudes subtropicales (15 ° N et sud, avec un déplacement saisonnier en latitude lié à la position du maximum d'ensoleillement) dans le Pacifique et l'Atlantique (l'océan Indien, en revanche ne présente pas les mêmes circulations en raison de la topographie des côtes). A l'équateur, on observe aussi une remontée sur le côté est, due à la structure des courants.
La convection atmosphérique est donc dominante sur le côté ouest des bassins tropicaux. C'est le phénomène de « warm pool » dans le pacifique équatorial.
A plus petite échelle, la convection atmosphérique provoque des précipitations locales associées à des coups de vent, qui rendent très variable la température de surface.
3 - Près des côtes :
Le cycle diurne solaire induit le phénomène de brise (terre vers mer la nuit, mer vers terre dans la journée), en raison de la différence d'inertie thermique de l'eau et du sol : durant le jour, le sol chauffe rapidement, l'air monte, provoquant une dépression locale qui attire l'air marin ; la nuit, le sol se refroidit rapidement, alors que la surface de la mer ne varie que de 1°C ou moins entre jour (bien ensoleillé) et nuit. A ce phénomène général se superposent en général des circulations atmosphériques locales très variables, en raison du relief.
Les variations des interactions air-mer et du cycle de l'eau sont donc très rapides, et parfois violentes (effet des vagues déferlant sur les côtes, érosion, déclenchement de perturbations atmosphériques régionales intenses...)