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Embarquez avec des scientifiques, des ingénieurs et des marins pour une navigation-exploration des relations avec l'océan, le climat et les énergies marines dans la perspective du changement climatique 

Yves Dandonneau - Janvier 2022

Prenez un océan, mélangez vigoureusement jusqu’à ce qu’il devienne homogène depuis sa surface jusqu’au fond : il sera alors plutôt froid, et riche en sels nutritifs. Puis, laissez reposer : au bout de quelques mois, la couche de surface se sera réchauffée sous l’action du Soleil, et cette couche devenue chaude restera stable au dessus de l’eau froide profonde plus dense. Dans cette couche, éclairée par les rayons du Soleil, la photosynthèse par le phytoplancton aura tôt fait d’épuiser les sels nutritifs. On parvient donc rapidement à la situation qui prévaut dans les océans tropicaux, ou en été dans les régions tempérées, à savoir une couche d’eau chaude en surface où la croissance du phytoplancton est freinée par le manque de sels nutritifs, et de l’eau profonde où ces sels nutritifs sont abondants mais où la photosynthèse est impossible parce que la lumière n’y parvient pas. Entre les deux, il y a une barrière de densité : la pycnocline.
Ces régions sont dites oligotrophe, car la vie ne s’y déploie que lentement, selon que les mouvements de l’eau parviennent à faire remonter peu à peu des sels nutritifs à travers cette pycnocline.

Comment s’opèrent ces remontées ?
C’est une question que nous, spécialistes du phytoplancton, posions souvent à nos collègues océanographes physiciens. La réponse académique était que pour que ces remontées soient possibles, il fallait que le nombre_de_Richardson soit suffisamment bas. Ce nombre est le carré du rapport de la fréquence_de_Brunt-Väisälä au cisaillement de courant.

  • Le cisaillement de courant est créé par la différence du courant entre deux couches d’eau contiguës. Plus il est intense, plus la probabilité de déclenchement d’un épisode de mélange turbulent est élevée, et c’est sous de telles conditions que des sels nutritifs pourraient être injectés dans la couche de surface. Mais nous ne disposions presque jamais de mesures de courant, et en aurions nous eu qu’ils auraient témoigné d’un état stable, car ces épisodes de mélange turbulent sont forcément brefs, et suivis d’une diminution du cisaillement et d’un retour à la stabilité.
  • La fréquence de Brunt-Väisälä est celle à laquelle oscillerait un volume d’eau écarté de sa position d’équilibre : imaginons qu’on puisse isoler un volume d’eau pris à une densité moyenne entre l’eau chaude et légère de surface et l’eau froide et dense profonde, qu’on le remonte au sein de la couche d’eau chaude, et qu’on l’y lâche : soumis à la gravité, ce volume va chuter, traverser la pycnocline, se retrouver dans de l’eau profonde plus dense que lui, remonter, traverser la pycnocline en sens inverse, puis rechuter, et ainsi de suite, comme un yo-yo, à une fréquence d’autant plus élevée que le gradient de densité dans la pycnocline est fort. On conçoit que de telles oscillations puissent générer des mélanges entre l’eau profonde et celle de la couche de surface et enrichir cette dernière en sels nutritifs, mais on admet difficilement qu’au sein de l’empilement stable des couches d’eau dans l’océan tropical un volume puisse être transporté à un niveau qui ne correspond pas à sa densité. Des centaines de fois, on a plongé la sonde de température et de salinité dans l’océan, et toujours, les couches d’eau étaient sagement empilées, les plus légères en haut sans sels nutritifs, les plus denses en bas à l’obscurité, sans inversion de densité nulle part.

Cependant, si l’océan est parcouru en surface par des houles, il est parcouru aussi en profondeur par des «ondes internes», générées pour la plupart par les marées. Tandis que la houle qui se propage en surface entre l’eau, de densité proche de 1000 kg/m³, et l’air, dont la densité est de l’ordre de 1 kg/m³, n’atteint qu’exceptionnellement des hauteurs supérieures à 10 mètres, les ondes internes se propagent entre des eaux dont la densité ne diffère que de quelques g/m³, et leur amplitude peut facilement excéder 100 m. Lorsque ces ondes internes abordent un relief océanique, elles se dressent à des hauteurs encore plus grandes, et peuvent déferler : c’est exactement le cas de l’expérience imaginaire citée précédemment pour expliquer à quoi correspondent les fréquences de Brunt-Väisälä. Encore faut il qu’il y ait des reliefs sous marins propices à ces déferlements.
 À la fin des années 1980 a eu lieu l’expérience internationale COARE (Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment) dont le but était de comprendre les interactions entre l’océan et l’atmosphère dans la région de la Warm Pool (1) à l’ouest du Pacifique tropical, région où a lieu une évaporation très intense, importante pour le climat mondial. Lors du congrès qui a suivi les opérations de terrain, il a été rapporté qu’on avait observé certaines nuits un refroidissement de la surface de la mer atteignant jusqu’à 22°C, lorsqu’une légère brise favorisait l’évaporation et qu’en l’absence de nuages, l’océan perdait de la chaleur par rayonnement. Aussi mince soit elle, cette couche d’eau refroidie devient alors plus dense que l’eau sous-jacente, et se trouve donc en position instable. Pour résoudre cette instabilité, elle doit tomber.
Après une station (2) la nuit dans la Warm Pool, le navire océanographique s’est remis en route vers un prochain arrêt. Ses filtrations d’eau de mer terminées, les autres ayant pour la plupart déjà regagné leurs couchettes, l’océanographe s’attarde un moment sur le pont, face à la mer. Le temps est calme et la nuit étoilée. Il rêve que, comme cela avait été rapporté au congrès COARE, la surface de l’océan s’est un peu refroidie, et qu’une mince couche s’est formée, qu’elle se rassemble et forme ça et là de grosses gouttes, énormes, qui se détachent de la surface, et tombent à travers la couche d’eau chaude, de plus en plus vite, puis percutent la pycnocline, il «pleut» sur la pycnocline ! Et cette pluie projette de grandes éclaboussures d’eau profonde, pleines de sels nutritifs, à la satisfaction des microalgues de la couche d’eau chaude, qui n’attendaient que cela. Incognito sous le navire, s’ajoutant aux déferlements d’ondes internes, et au grouillement des animaux marins, toute cette agitation fait diffuser des sels nutritifs vers la couche de surface, et nourrit le phytoplancton, suffisamment pour qu’une multitude de petits organismes planctoniques, tapis en profondeur le jour, invisibles, se rapprochent de la surface pour leur festin nocturne quotidien.

(1) Warm Pool : région de l’ouest du Pacifique tropical où convergent les eaux chaudes entraînées par les vents alizés. La température de l’eau y atteint 30 °C sur plus de 150 mètres d’épaisseur. Cette région est une très importante source de vapeur d’eau pour l’atmosphère

(2) Au cours des campagnes océanographiques, les observations se font après que le navire ait stoppé, afin de pouvoir mettre les instruments en opération. Le plus souvent, il s’agit de déployer en profondeur un câble auquel sont accrochées les appareils de prélèvement ou de mesure. On appelle « station océanographique » la série d’observations faite à un emplacement et un moment donnés.