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Les océans, régulateurs du climat terrestre

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Les océans, régulateurs du climat terrestre

Le rôle du système couplé océan-atmosphère

 

La surface océanique est le théâtre de transfert réciproque d'énergie et de matière entre la mer et l'atmosphère. Laurence Eymard, directrice de recherche au CNRS au Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (LOCEAN, UPMC/CNRS/MNHN/IRD) et directrice de l'Observatoire des sciences de l'Univers Ecce Terra, s’intéresse à la mécanique de ces échanges, les quantifie et en suit les évolutions. Avec l’objectif second de mieux comprendre et de modéliser le climat terrestre et le système couplé océan-atmosphère.

 

L'océan, en limitant les variations de température, tempère le climat des régions continentales proches (surtout les façades ouest), mais les menace par les tempêtes et cyclones, événements météorologiques violents auxquels il participe. Ainsi, une bonne connaissance des mécanismes agissant à l'interface océan-atmosphère est-elle utile à tous les domaines du climat (variations saisonnières à interannuelles) mais aussi à la météorologie, la prévention des aléas, les écosystèmes marins et les ressources marines…

 

Photographie prise depuis la passerelle du Suroît durant la campagne CATCH en janvier 1997, dans l'Atlantique NW. © Laurence Eymard.

 

Les interactions océan-atmosphère : énergie et matière

Le soleil, source essentielle d'énergie pour la Terre, émet principalement un rayonnement visible qui traverse l'atmosphère avant de toucher la surface. Celle-ci réfléchit une partie du rayonnement et absorbe le reste (jusqu’à plusieurs dizaines de mètres dans l'océan), permettant un chauffage des couches supérieures de la mer. L’atmosphère et l’océan émettent également un rayonnement infra-rouge, qui dépend de la température. L’écart de température et d’humidité entre océan et atmosphère et le vent sont moteurs des flux turbulent de chaleur sensible et latente. L’atmosphère agit enfin sur l’océan par frottement mécanique, engendrant des vagues, et un flux de quantité de mouvement qui transmet cette énergie dans les profondeurs océaniques.

 

L’océan reçoit de l'eau (par précipitation), mais aussi des gaz atmosphériques dissous dans l'eau ou absorbés par processus biologiques (CO2) et des particules (poussières atmosphériques, minérales ou organiques). Il fournit en retour à l'atmosphère de l'eau (par évaporation), du CO2, d’autres gaz et des particules (sel, composés soufrés…).

 

La surface océanique sous haute surveillance

Les mesures in situ

Pour déterminer les échanges d'énergie et de matière entre océan et atmosphère, il faut disposer d’un support (bouée fixe ou dérivante, bateau) qui ne gêne pas la mesure, et de capteurs complexes. Bien que ce soit une information très importante, la mesure directe de flux de chaleur latente (ou l'évaporation) est difficile à réaliser faute de capteur d'humidité fonctionnant en milieu marin en présence de sel et d'embruns… Il en est de même pour la vitesse du vent, de la température, des échanges de gaz carbonique…

 

Une bouée de mesure des échanges océan-atmosphère (bouée PIRATA), mise à l'eau en juin 2006 dans le Golfe de Guinée durant la campagne EGEE-3. © Laurence Eymard

 

L'observation satellitale

Les méthodes sont encore plus indirectes puisque les capteurs mesurent en fait soit le rayonnement au sommet de l'atmosphère dans une bande de fréquence donnée (radiomètre), soit le signal émis par l'instrument spatial, renvoyé par l'atmosphère ou la surface (radar, lidar). Les relations entre ces mesures et les variables de l’interface océan-atmosphère sont estimées au moyen de méthodes statistiques ou de modèles. L'apport des satellites est donc moins la précision absolue des variables obtenues que l'information sur leurs variations horizontales et temporelles. Actuellement, on se tourne de plus en plus vers une incorporation directe des mesures « brutes » des satellites dans les modèles de prévision de l'atmosphère et l'océan.

 

Un cas de couplage océan-atmosphère tropical, avec formation de convection atmosphérique locale (Campagne CIRENE, février 2007, Océan Indien). © Laurence Eymard

 

Les modèles

Les modèles couplés océan-atmosphère fournissent des flux calculés tenant compte de l'évolution des deux milieux. Cependant, la simulation dépend de la qualité des « paramétrisations » (représentation par une ou plusieurs équations mathématiques des processus de petite échelle), de l'initialisation du modèle (description de l'état de départ), de la prise en compte des contraintes sur la dynamique (relief, fonds sous-marins) et des forçages externes (soleil surtout), qui influent fortement sur les circulations simulées. Les modèles couplés sont utilisés pour la prévision saisonnière et pour les études du climat. Dans le cadre du Groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), des simulations sont effectuées sur des dizaines ou centaines d'années (scénarios de changement climatique), mais le « système terre » atmosphère – océan – continents est si complexe que les simulations climatiques ne peuvent être utilisées comme des « prévisions », mais plutôt des scénarios ou des tendances vraisemblables…

 

Et demain ?

Les résultats des études récentes n'incitent guère à l'optimisme. Selon les prévisions, le changement climatique devrait conduire à une élévation du niveau de la mer. Le rôle de l'océan dans l'absorption du CO2 atmosphérique pourrait lui-même changer, en fonction de la température et la salinité d'une part, et des espèces de phytoplancton d'autre part…

 

Tout prête à penser que le cycle de l'eau devrait se renforcer : associés à l’augmentation de la température, on attend un accroissement de l'évaporation et plus de précipitations. Mais la modification des zones climatiques pourrait induire également une désertification accrue de certaines régions. Cependant, la fonte des banquises de l'océan Arctique (due à un réchauffement marqué aux hautes latitudes boréales) pourrait conduire temporairement à un ralentissement, voire une interruption de la plongée des eaux froides et salées. Il aurait pour conséquence paradoxalement le refroidissement de l'Europe de l'ouest de plusieurs degrés, cela pour une durée de plus de 10 ans.

 

Pour en savoir plus :

Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériquesNouvelle fenêtre (LOCEAN)

 

Analyses multidisciplinaires de la mousson africaine (AMMA)Nouvelle fenêtre

Lancé en 2001 à l’initiative de chercheurs français, le programme international pluridisciplinaire AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) vise à :

  • Améliorer la compréhension de la mousson d’Afrique de l’ouest et de son impact sur l’environnement physique, chimique et biologique à l’échelle régionale et mondiale (populations, santé, ressources agricoles et en eau).
  • Fournir les connaissances scientifiques de base qui permettront d’établir les liens entre la variabilité climatique et les problèmes de santé, de ressources en eau et de sécurité alimentaire ainsi que de définir des stratégies de surveillance appropriées.
  • Veiller à ce que cette recherche multidisciplinaire réalisée au sein d’AMMA bénéficie aux activités de prévision et de prise de décision.

 

L’OSU Ecce Terra

Les observatoires des sciences de l'Univers (OSU) ont comme mission première de piloter les activités d’observation et les moyens communs aux laboratoires qui les composent. Ils soutiennent les travaux de recherche associés à ces services (prévention des risques, services éco-systémiques, surveillance du milieu marin, de la qualité de l’air…). En tant qu’école interne de leur université de tutelle, ils contribuent à la formation des étudiants et des personnels et à la diffusion des connaissances. Un OSU participent à l’animation locale, nationale et internationale via des actions de recherche et des observations avec d’autres entités de même type (OSUs, FR, GIS).

 

L’OSU Ecce Terra rassemble des laboratoires et équipes en sciences de la terre, hydrologie, environnement, biosphère terrestre, sciences du climat (atmosphère, océan, paléoclimat), écologie terrestre et marine, biologie marine et épidémiologie. Cette animation transverse et pluridisciplinaire vise notamment à faire émerger de nouveaux axes de recherche et à soutenir des actions structurantes, comme par exemple :

  • contribuer à la construction de modèles numériques couvrant des grands domaines, comme climat et biodiversité,
  • développer les couplages entre terre interne et enveloppes externes afin de mieux représenter les grands cycles du système Terre.

 

L’OSU s’appuie sur les services d’observations régionales (ORACLE, PIREN-Seine, Vigie-Nature, QUALAIR), les outils d’analyse et de simulation (CHIMERE), ainsi que sur des projets de recherche franciliens des laboratoires (environnement urbain à Bioemco et Sisyphe, recherche médicale sur les effets de la pollution à ESIM et Saint-Antoine).

 

Cet ensemble d’équipes et de laboratoires représente plus de mille personnes appartenant à 16 unités de recherche. Il est aussi extrêmement large thématiquement, couvrant des domaines traditionnels de l’INSU, ainsi que de l’INEE et de l’INSERM. Les tutelles des laboratoires sont l’UPMC, le CNRS, l’IRD, le MNHN, l’ENS, l’INRA, l’RSTEA, l’ENSCP et l’Inserm. Actuellement les partenaires de l’OSU sont le CNRS/INSU, l’UPMC (tutelles directes), le MNHN, l’ENS, l’IRD et l’IRSTEA.



22/07/13