Océan et climat

Jacques Merle

I - Le rôle de l'océan dans le climat

Le système climatique est une machine qui convertit et distribue l’énergie solaire que la Terre absorbe soit 240 W/m² environ.
C’est une machine complexe aux nombreux acteurs :

• les continents,
• l’océan,
• l’atmosphère,
• la cryosphère,
• et la biosphère

qui interagissent en échangeant de l’énergie.

Tous ces compartiments évoluent en permanence avec des vitesses qui leur sont propres et qui sont très différentes. Toute variation, toute perturbation de l’un d’entre eux retentit sur les autres qui réagissent à leur propre rythme. Le système climatique court en permanence après un équilibre qu’il n'atteint partiquement jamais. Il varie sans cesse à toutes les échelles de temps. L’essentiel est, pour l’homme, qu’il soit suffisamment stable pour rester dans des amplitudes et vitesse de variations supportables. Ce que l’accroissement rapide des gaz à effet de serre est en train de compromettre.

L’océan et l’atmosphère sont les principaux acteurs du système climatique : ce sont les deux fluides qui assurent le transport et la distribution de l’énergie thermique sur la Terre.
En permanence en contact l’un avec l’autre c’est entre eux que les échanges d’énergie sont les plus importants. Le couple qu’ils forment gère le climat de la planète et ses variations. Mais ils évoluent à des échelles de temps très différentes.
L’atmosphère n’a guère de mémoire : à un moment donné l’état de l’ atmosphère est indépendant de ce qu’il était trois semaines auparavant.
L’océan présente un temps d’évolution beaucoup plus long et a donc une bien meilleure mémoire : c’est de fait lui qui impose le rythme des variations climatiques.

Les Océans possèdent trois propriétés essentielles dans leur relation physique avec le climat :

• capacité de stockage,
• échange avec l’atmosphère
• et transport par les courants.

Ces trois fonctions ne sont pas indépendantes mais liées par des lois de conservation :

Échange = Stockage + transport,

Ce qui signifie que le bilan net de l’échange de masse et d’énergie en un point de la surface air-mer se répartie en un stockage local et un transport à l’extérieur.

Cette relation s’applique à tous les constituants de l’océan :

• masse (eau),
• énergie (chaleur),
• corps chimiques divers incluant le CO₂.

Mais ces fonctions sont encore très mal évaluées et nécessitent des observations nombreuses et continues pour les prendre en compte dans la dynamique de l’atmosphère et du climat. D’où la nécessité de systèmes d’observations opérationnels (voir dans ce qui suit).

Stockage

L’océan est avant tout un gigantesque réservoir, d’eau, de corps chimiques divers, dont le carbone, et de chaleur.
L’océan stocke 97% de l’eau contenue à la surface de la Terre. Les 3% restant alimentent les fleuves, les lacs, les glaciers et les nappes souterraines.
L’eau de l’atmosphère, par comparaison, avec ses 0,001%, représenterait une couche de seulement 0,3 centimètre d’eau si elle était répartie sur la surface de la Terre. L’océan est ainsi le réservoir où s’alimente le cycle de l’eau.
L’océan est aussi le principal réservoir de carbone dans le cycle planétaire de cet élément essentiel à la vie et maintenant lourdement impliqué dans l’évolution du climat. Si l’atmosphère contient environ 800 Giga tonne de carbone, l’océan en contient 40 000 Gt, soit cinquante fois plus. Par ailleurs la biosphère continentale (forêts, prairies, animaux…) en contient également 800 Gt, ce qui fait de l’océan le milieu à la fois le plus central et le plus déterminant dans la dynamique de cet élément.

Ce gigantesque réservoir océanique de Carbone est en communication directe avec les autres réservoirs actifs que sont l’atmosphère et la biosphère continentale. Mais il est aussi en relation avec les réservoirs inertes que sont les sédiments accumulés dans les fonds océaniques qui deviendront, à l’échelle de millions d’années, des formations géologiques carbonatées.

Enfin l’océan est le milieu qui stocke le plus d’énergie solaire sous forme de chaleur. On estime que 70% du flux radiatif solaire entrant dans le système Terre (atmosphère, océan, continents,…) est absorbé et stocké dans les couches supérieures des régions océaniques tropicales. Cette grande capacité de stockage de l’énergie thermique de l’océan est liée à sa masse (300 fois celle de l’atmosphère) et à la chaleur spécifique de l’eau de mer (4 fois plus élevée que celle de l’air) qui conduit à une capacité thermique globale de l’océan plus de 1 200 fois supérieure à celle de l’atmosphère. C’est l’océan, qui en restituant une grande partie de cette énergie à l’atmosphère, principalement par le transfert de chaleur latente associé à l’évaporation, lui fournit l’essentiel de l’énergie nécessaire à sa dynamique.

Échanges avec l’atmosphère

Le plancher de l'atmosphère est en contact pour environ 71 % de sa surface avec l'océan et échange avec lui en permanence les constituants précités :

• eau,
• chaleur, et donc énergie,
• mais aussi de la quantité de mouvement entre les vents et les courants qui est aussi une énergie,
• ainsi que différents corps chimiques dont le CO₂ qui joue un rôle très important dans le climat.

En ce qui concerne l’eau, l’océan restitue en moyenne par évaporation (E) un mètre d’eau par an à l’atmosphère qui est ainsi nourrie en vapeur d’eau ; c’est une quantité de laquelle il faut retrancher 80 cm de précipitations (P) locales pour aboutir à un bilan net :

E-P négatif pour l’océan, d’environ 20 cm que l’atmosphère redistribue par précipitation sur les continents et qui retourne ainsi dans l’océan par les fleuves.

Le bilan net de l’échange d’énergie à la surface air-mer, qui s’exprime en Watts par mètres carrés (W.m^-2), est très variable d’un point à l’autre de l’océan mondial. Il varie surtout en fonction de la latitude avec un puits de chaleur océanique dans les tropiques (en moyenne de 75 à 100 W.m^-2), et au contraire une perte dans les hautes latitudes.

L’échange de chaleur moyen entre l’océan et l’atmosphère à la surface en W.m^-2 (Fieux 2010 – ENSTA).

Les échanges thermiques entre l’océan et l’atmosphère sont les plus intenses au voisinage des grands courants océaniques de bords ouest comme le Gulf Stream, courant chaud arrivant dans des régions de hautes latitudes, telles que la mer du Labrador, où l’air est froid et sec, restitue une énorme quantité de chaleur à l’atmosphère (entre 250 et 300 W.m^-2 ), principalement sous forme de chaleur latente associée à une intense évaporation. La variabilité dans le temps de ces échanges est un élément déterminant de la variabilité climatique.
Le bilan net d’énergie échangé à l’interface air-mer est la somme algébrique de quatre termes :

• le flux radiatif solaire incident qui apporte en moyenne 170 W.m^-2 dont -10 W.m^-2 sont réfléchi à la surface,
• le flux radiatif rétro-diffusé dans l’infrarouge -60 W.m^-2,
• la chaleur latente d’évaporation -80 W.m^-2,
• la chaleur sensible - 20 W.m^-2.

C’est l’océan qui fournit à l’atmosphère l’essentiel de l’énergie (~50%) qui la met en mouvement.

L’océan échange également avec l’atmosphère d’énormes quantités de CO₂. L’océan régule le CO₂atmosphérique d’origine anthropique.
En 2013 les émissions de CO₂ d’origine anthropique ont été de 10.8 Gt de carbone qui se sont répartis ainsi :

• 5.4 sont restés dans l’atmosphère,
• 2.9 ont été absorbés par l’ océan
• et 2.5 par les « puits » à terre.

C’est donc près de 30% des émissions anthropiques de CO₂ qui se retrouvent dans l’océan qui représente le premier milieu qui régule en partie les émissions de carbone dans l’atmosphère par l’activité humaine.
Ce rôle de puits de carbone de l’océan est imputable à deux phénomènes essentiels :

• Un «pompage physique» susceptible d’absorber le CO₂ par solubilité en fonction de la pression partielle de ce gaz à l’interface atmosphère-océan dépendante de la température.
• Un «pompage biologique» par la vie marine dont le premier étage est la production de phytoplancton entraînant à sa suite une chaîne du vivant qui au final dépose au fond des bassins sédimentaires océaniques des coquilles et des formations carbonatées.

Mais l’océan n’est pas un puits uniforme de carbone. Les océans arctique et antarctique absorbent beaucoup de CO₂. Au contraire, les régions tropicales sont des «zones sources» à cause de leur température de surface élevée.
Le puits des hautes latitudes a 2 causes principales :

• d’une part ce sont des régions à faible gradient vertical de densité, ce qui favorise une plongée des eaux de surface par convection dans les profondeurs disséminant ainsi rapidement le CO₂sur toute la colonne d’eau. La «pompe physique» fonctionne bien,
• d’autre part, ces régions sont très productives biologiquement et consomment beaucoup de CO₂pour activer la photosynthèse du phytoplancton très abondant dans leurs eaux de surface. La «pompe biologique» fonctionne également à plein.

Transport : la circulation générale des océans

L’océan est susceptible de transporter d’énormes quantités d’énergie sur de très grandes distances par les courants océaniques. Cette fonction de transport de chaleur de l’océan, qui contribue à l’équilibre énergétique de la planète, n’a été quantifiée que récemment, dans les années 1970, lorsque les calculateurs permirent de compiler toutes les observations météorologiques et océanographiques accumulées depuis plus d’un siècle. On s’est alors aperçu que l’océan contribuait presque autant que l’atmosphère au transport énergétique méridien de chaleur (de l’ordre de 2 Péta W, 2.10¹⁵W) des basses latitudes, où cette énergie est accumulée, vers les hautes latitudes où au contraire elle est restituée à l’atmosphère. Le transport océanique s’opère par les courants dont l’ensemble constitue la circulation générale océanique.

Le transport opéré par la circulation générale de l'océan, associé à sa grande capacité de stockage et à ses échanges permanents à l’interface avec l'atmosphère, s'effectue à des vitesses très inférieures à celle du transport atmosphérique par les vents. Alors que la durée de vie maximale des perturbations atmosphériques est de l’ordre de trois semaines, les perturbations océaniques peuvent se maintenir et marquer les masses d’eaux en surface pendant plusieurs mois, et jusqu’à plusieurs siècles dans les profondeurs. C’est ce qui donne à l’océan une aussi grande importance dans le climat, sa variabilité et son changement à long terme.

Dans cette circulation générale des océans, les "grands courants de bord Ouest", comme le Gulf-Stream sur l’Atlantique nord ou le Kuroshio sur le nord Pacifique jouent un rôle prépondérant dans le transport de chaleur méridien. Ces courants naissent sous l'influence combinée de la rotation terrestre, des vents, et des flux de chaleur à l’interface Océan-Atmosphère. Ils contribuent au caractère turbulent de l'Océan, car ils engendrent eux-mêmes des tourbillons d’environ 100 km de diamètre véhiculant des énergies considérables.

Le Gulf-Stream transporte ainsi une 'énergie de l'équateur vers le pôle, de l’ordre de 2.10¹⁵ W soit 2 Péta W, l'équivalent de ce que fournirait environ un million de centrales électriques de 1000 MW chacune.

Ayant traversé l'Atlantique Nord en quelques mois, l'eau tropicale de surface s'est refroidie et évaporée tout au long de son périple de quelques 4 000 Km délivrant ses calories à l’atmosphère. En arrivant dans la zone sub-arctique, une partie de cette eau va repartir en surface vers le sud et rejoindre l’équateur pour se recharger à nouveau en chaleur, une autre partie enrichie en sel par l’évaporation se refroidit assez pour plonger vers le plancher océanique, et entreprendre un tour du monde qui va durer quelques centaines d'années : elle rejoint le fameux tapis roulant ("conveyor-belt"), une image très schématique, de ce que les océanographes appellent la circulation thermohaline.

Cette circulation contribue au transfert de la chaleur depuis les tropiques vers les pôles.

Le principal moteur de la circulation thermohaline se trouve ainsi dans l'Atlantique Nord. L'une des questions que se posent à son sujet certains experts du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental d'Etude du Climat), est de savoir si le réchauffement climatique lié à l'excès de gaz à effet de serre pourrait perturber la circulation générale des océans au point de la ralentir, voire même le bloquer (Le Gulf Stream peut-il un jour s’arrêter?).

L’Océan connaît également des variations à l’échelle de la saison, liées aux variations d’intensité des vents et au refroidissement ou au réchauffement solaire des eaux aux différentes saisons. Il existe un lien direct entre saisons océaniques et saisons atmosphériques avec toutefois un décalage en temps de quelques 3 mois, du au délai de réaction des masses d’eau océaniques aux changements atmosphériques (c’est ainsi que l’été “océanique” a lieu pendant l’automne).

Ce cycle saisonnier peut lui-même être perturbé par des événements inhabituels. Le déséquilibre qui s’en suit peut alors avoir des conséquences importantes sur le climat et donc sur les populations. C’est le cas du phénomène El Niño qui se déclenche lors d'un fort affaiblissement des alizés sur le Pacifique équatorial.

El niño 2 octobre 1997 et 1 octobre 2015, hauteur de mer par rapport à la moyenne du Pacifique

Le transfert des masses d’eaux chaudes vers l’Est et les trains d’onde associés entraînent un dérèglement complet du système climatique à l’échelle du bassin Pacifique (sécheresses à l’est, précipitations à l’ouest), mais également à l’échelle globale via les hautes couches de l’atmosphère transitant autour du globe.

C’est ainsi que de telles anomalies sont également observées sur les autres bassins océaniques. Le couplage océan-atmosphère qui fait intervenir des dynamiques et des échelles différentes atteint ici toute sa complexité. Ces quelques exemples illustrent toute la difficulté de bien appréhender le milieu océanique, son interaction avec l’atmosphère (et avec les terres émergées) et donc ses conséquences sur le climat.

II - Rôle de l’océan dans le changement climatique actuel

Deux propriétés de l'océan sont essentielles dans le changement climatique d'origine anthropique actuel :

• Sa capacité d'absorber une fraction importante de la chaleur résultant de l'effet de serre additionnel induit par les émissions de gaz à effet de serre (principalement le gaz carbonique) d'origine humaine.
• Sa capacité d'absorber une partie de ce gaz carbonique additionnel injecté dans l'atmosphère.

Absorption de la chaleur par l'océan

Les milieux terrestres ne sont plus en équilibre radiatif du fait de l’impact des activités humaines :

• injection continue de Gaz à Effet de Serre (GES) et d’aérosols dans l'atmosphère,
• utilisation des surfaces terrestres qui modifient l’albedo etc.

Le forçage radiatif résultant de la somme des termes positifs (ou des apports radiatifs principalement par les GES et l'Ozone stratosphérique), et des termes négatifs (absorption radiative par les aérosols et leurs effets sur la couverture nuageuse et l'albedo, utilisation des terres), est appelé le "forçage anthropique". Il est de 1,6 W.m^-2 sur l'ensemble de la surface de la Terre. Ces 1,6 W.m^-2 supplémentaires servent à accroître le contenu thermique de l'atmosphère donc sa température moyenne (accroissement mesuré de près de 1°C depuis le début du XXème siècle). Cet accroissement de température de l'atmosphère est l'effet le plus visible du changement climatique et le plus sensible pour l'humanité. Mais une fraction importante de ces 1,6 W.m^-2est également absorbée par la fonte des glaciers polaires, des glaciers continentaux et des glaces de mer, ainsi que par les continents et les océans. L'accroissement du contenu thermique de l'océan au cours du siècle passé peut être estimé avec une assez bonne précision à l'aide des mesures de températures réalisées régulièrement dans l'océan, au moins dans ses couches supérieures (0 - 3 000 m). L'estimation de la chaleur absorbée par la fonte des glaciers est également assez précise. Il n'en est cependant pas de même pour le changement du contenu thermique des continents (sols, couvert végétal) encore mal connu mais considéré comme non majoritaire.

Ainsi les chiffres, fournis par le 4ème rapport du GIEC pour la période 1961 - 2003, montrent sans contestation possible que c'est l'océan qui de très loin a réabsorbé le plus de chaleur :

Accroissement du contenu thermique de la planète entre 1961 et 2003.

Les unités sont en 10²² Joules.

L'océan a donc réabsorbé près de 90 % du réchauffement induit par le forçage radiatif dû aux GES anthropiques.

Sans l'océan, le réchauffement que nous subissons serait plus rapide, sans que la valeur finale de la température d'équilibre ne soit en rien changée

Par ailleurs ce réchauffement océanique induit des effets secondaires qui pourraient être très importants voire catastrophiques et que l'on connaît encore mal.

Parmi ceux-ci, il y a évidemment l'élévation de son niveau moyen  (Quelles sont les variations actuelles du niveau de la mer?) qui est actuellement (en 2016) de 3.3 mm/an.

Le réchauffement de l'océan modifie aussi sa dynamique et les transports de chaleur et de sel en son sein perturbant ainsi localement les échanges énergétiques avec l'atmosphère à sa surface. La circulation thermohaline profonde peut être aussi perturbée et affecter le climat à une échelle globale en diminuant significativement les transports de chaleur vers le nord par l’océan dans l’Atlantique. Le GIEC estime très probable un ralentissement de 25% de cette circulation au cours du 21ème siècle, insuffisant cependant pour induire un refroidissement dans les régions de l’Atlantique nord.

La vie océanique peut aussi être très profondément perturbée par ces changements. Elle est en effet très dépendante de l’état physique de l’océan et de sa dynamique qui conditionnent la disponibilité des éléments nutritifs dans les couches productives superficielles. Ces perturbations biologiques entrent aussi dans des boucles d'interactions affectant le climat lui-même à travers le cycle du carbone qui intervient dans la capacité de l’océan d’absorber le CO₂.

Absorption du gaz carbonique par l'océan

Le GIEC nous dit que le contenu en carbone total de l'océan s'est accru de 118 Giga tonne de C entre 1750 et 1994. Cet accroissement représentait encore 42 % du CO₂ émis par l'homme au début de l'ère industrielle (moyenne entre 1750 et 1994). Depuis une vingtaine d'années on constate une diminution notable de cette capacité de l'océan de réabsorber le CO₂ anthropique (entre 1980 et 2005 ce taux d'absorption est tombé à 37%). Ceci semble indiquer que l'océan approche de sa limite de saturation ; néanmoins le rapport du GIEC indique que ces estimations sont encore très incertaines et ne permettent pas de tirer des conclusions définitives. Quelles que soient les inconnues qui demeurent concernant cette capacité de l'océan de réguler une partie du CO₂ anthropique, cette absorption a des effets secondaires, qui pourraient être graves à long terme notamment sur la vie marine. L'un de ces effets secondaires parmi les plus remarqués, évoqué récemment dans la littérature scientifique et la grande presse, est l'acidification de l'océan qui réduit sa capacité de former des carbonates et donc entraînerait une perturbation de sa fonction de dépositoire ultime du carbone au fond des océans et perturberait ainsi durablement le cycle du carbone. La construction des récifs coralliens pourrait être aussi gravement affectée.

III - Plaidoyer pour l'étude et l'observation permanente de l'océan

Comme on le voit l'océan joue un rôle majeur dans le climat ; et son changement à long terme, qui se déroule sous nos yeux, marquera profondément et pour longtemps cette enveloppe fluide essentielle de la Terre qui en retour affectera l'évolution future du climat.
En effet, comparé à l'atmosphère, l'océan présente deux caractéristiques qui lui confèrent un rôle essentiel dans le climat :

1. Sa capacité thermique est énorme, plus de 1 000 fois celle de l'atmosphère; ainsi il stocke et transforme en chaleur l'essentiel du flux radiatif solaire.
2. Il est affecté d'une dynamique beaucoup plus lente que l'atmosphère ; il est donc susceptible de mémoriser plus longtemps, à des échelles de temps compatibles avec la variabilité climatique, les perturbations (ou anomalies) qui l'affectent.

Mais cet océan est encore insuffisamment connu. Ses interactions avec l'atmosphère et le climat sont très complexes. De nombreuses inconnues demeurent concernant son implication dans le changement climatique anthropique.
Réduire ces inconnues et ces incertitudes est indispensable pour prévoir avec plus de sécurité cette évolution future du climat.
Observations et mesures sont les sources irremplaçables de nos connaissances.

Il faut donc mettre en place un système pérenne d'observation de grande ampleur, coordonné internationalement. en une Veille Mondiale des Océans et Climat, comme il existe une Veille Météorologique Mondiale pour l’atmosphère.