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Mers : la grande circulation océanique

Dossier - L'air et l'eau, deux fluides essentiels
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L’air et l’eau sont les deux fluides fondamentaux pour la vie. L’Homme en a un usage biologique quotidien, mais il en exploite aussi l’énergie. Cependant, il est bien difficile de prédire le comportement de l’environnement ! Découvrez les secrets de phénomènes météorologiques comme les orages, les tornades ou El Niño dans ce dossier.

  
DossiersL'air et l'eau, deux fluides essentiels
 

Observée depuis l'espace, la surface de la Terre paraît principalement recouverte par les océans, qui occupent environ 71 % de la surface totale. La caractéristique chimique de ces grandes étendues salées tient au fait que l'eau douce apportée par les fleuves, les rivières et les précipitations en ressort par évaporation alors que tous les éléments dissous et toutes les suspensions s'y accumulent.

Depuis la formation des océans, un équilibre a été atteint entre ces apports en éléments chimiques variés et leur fixation dans les sédiments des fonds marins, de sorte que la composition chimique de l'eau des océans, notamment en sel, demeure assez stable. Les océans constituent ainsi un milieu continu où l'eau, notre autre fluide vital après l'air, séjourne pendant des durées extrêmement longues.

Prise de température

Chauffée par le rayonnement solaire dans les plus hautes couches, l'eau est soumise à de constants échanges thermiques par conduction et convection avec l'atmosphère. L'agitation par les vagues et la turbulence parvient alors à homogénéiser la température dans les premières dizaines de mètres (entre 0 et -50 m). Au contraire, dans les grandes profondeurs (au-dessous de -120 m), les échanges sont limités à la conduction pure et deviennent nettement plus faibles, de sorte que l'appellation approximative d'un « milieu au repos » est justifiée, même si des courants profonds extrêmement lents, couplés aux courants de surface, amplifient faiblement la conductivité thermique apparente de l'eau des profondeurs. Entre ces deux zones, il est d'usage de distinguer une couche assez mince (entre -50 et -120 m) nommée « thermocline », où la température chute d'environ une dizaine de degrés, avec des variations saisonnières significatives, puisque la température de surface change sans que celle des couches profondes varie (voir figure ci-après).

Distribution de température en Méditerranée en fonction de la profondeur, avec mise en évidence de la thermocline et de ses variations saisonnières. © D’après Levitus et al., 1994, World Ocean Atlas, NOAA

La grande circulation océanique

Ce milieu continu, dense et fluide que constituent les océans est parcouru par des courants organisés, quasi permanents, dont l'importance sur la météorologie et le climat est considérable, en raison de la très grande capacité calorifique et de l'inertie de cette masse immense. Le chauffage direct de l'eau de mer par le Soleil concentré dans les régions tropicales, et responsable des hautes températures des eaux situées au-dessus de la thermocline, est le moteur de la circulation atmosphérique. C'est en retour que les vents ainsi engendrés entraînent les eaux de surface par frottement et installent la lente et puissante circulation océanique.

Voici comment s'organise le tronçon du nord de l'océan Atlantique. Les vents alizés engendrent le courant d'est équatorial, lequel entraîne vers l'ouest la couche superficielle de l'océan. Alors que, dans l'atmosphère, ce vent d'est fait le tour de la planète sans rencontrer d'obstacle incontournable, les eaux marines poussées aussi vers l'ouest sont nécessairement détournées par les continents. Dans l'océan Atlantique nord, les eaux sont entraînées vers les côtes nord-américaines, avec une déviation systématique vers la droite, donc vers le nord, due à la force de Coriolis. Les eaux de surface, chaudes et légères, en provenance du cap Vert partent ainsi en direction de la Floride, qui s'oppose à la suite de leur parcours vers l'ouest. Cet obstacle arrête le courant marin en engendrant une suppression, accompagnée d'une élévation du niveau de la mer suffisante pour que ce courant puisse être détourné vers l'est, mais conservant la quantité de mouvement acquise dans la direction nord.

Circulation thermohaline globale à travers les océans. Couleur orange pour le courant de surface, couleur bleue pour le courant de fond. Les nombres font référence aux divers tronçons commentés dans le livre L’air et l’eau. © Grenoble Sciences

Nous suivons ainsi une boucle caractéristique de la circulation thermohaline, celle qu'on appelle le Gulf Stream et qui est repérée sur la figure ci-dessus par le chiffre 1 (l'adjectif « thermohaline » signifie que cette circulation est fortement dépendante des variations de la densité de l'eau liée à la température et à la salinité).