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Océan et atmosphère sont deux machines thermiques dont les rouages sont mécaniquement reliés mais ne tournent pas à la même vitesse. Les secrets de ce fonctionnement sont loin d'être bien compris. © Martapiqs / Flickr - Licence Creative Common (by-nc-sa 2.0)
L'océanographie est une science jeune, née à la fin du dix-neuvième siècle. Les mesures que les scientifiques réalisent dans l'océan (températures et salinitésalinité en particulier, qui jouent un rôle fondamental dans la circulation de l'eau horizontalement et verticalement) sont bien moins nombreuses que celles effectuées dans l'atmosphère.
La compréhension de cette gigantesque mécanique thermique qu'est l'océan mondial reste encore bien modeste. De plus, les relations entre les réactions de l'océans, qui se mesurent souvent en siècles, et celles de l'atmosphère, où l'on compte en jours ou en mois, sont complexes et étudiées depuis seulement quelques décennies. Or, ce couplage océan-atmosphère est l'une des clés pour prédire les évolutions futures du climat.
Analyser l'effet d'une élévation globale des températures terrestres n'est donc pas chose facile, comme nous l'expliquent ces deux océanographes.
Guy Jacques, ancien directeur de recherche au CNRS en océanographie biologique, spécialiste du phytoplancton et de la productivité marine, s'est intéressé aux écosystèmes pélagiquespélagiques des upwellings. Il a lancé en 1977 le programme français d'étude de l'océan austral. Conférencier et auteur de livres de vulgarisation, Guy Jacques a fondé Sciences 66, une association de vulgarisation scientifique et préside l'association ConnaiSciences.
Jacques Merle, docteur ès Sciences physiquesphysiques, est un ancien Directeur de Recherche en Océanographie physique, au Département Milieux Environnement de l'IRD (Institut de recherche pour le développement).
Futura-Sciences : Quels sont les grands rouages du couplage océan-atmosphère ?
Jacques Merle : Depuis la mise en évidence, dans les années 1920, par le Britannique Sir Gilbert Walker, de « téléconnexions » affectant les pressions atmosphériquespressions atmosphériques, à la fois dans l'océan Pacifique tropical (appelée SouthernSouthern Oscillation ou SO) et dans l'Atlantique (appelée North Atlantic OscillationNorth Atlantic Oscillation, NAO), la chasse aux signaux climatiques s'est intensifiée à partir des années 1960. Leurs relations avec des oscillations parallèles de l'océan se sont confirmées, accréditant l'hypothèse que l'océan et l'atmosphère étaient intimement liés par des processus d'interactions complexes, locaux, ou pouvant se manifester à distance d'où leur appellation, dans ce cas, de « téléconnexions ».
Le plus célèbre de ces signaux, qui a reçu une large audience médiatique, est incontestablement ENSO, abréviation de El NiñoEl Niño and Southern Oscillation, qui couple un phénomène de réchauffement des eaux superficielles de l'océan Pacifique équatorial oriental, appelé El Niño, observé depuis des siècles par les populations riveraines du Pérou et de l'Equateur, et une Southern Oscillation reliant les variations de la pression atmosphérique observée aux deux extrémités de l'océan Pacifique tropical (centre de basses pressions au nord de l'Australie et centre de hautes pressions au voisinage des îles Galapagos à 20.000 kilomètres de là).
C'est un météorologuemétéorologue américain, Jacob Bjerknes, qui en 1969 proposa un schéma théorique expliquant cette oscillation météométéo-océanique se manifestant à une fréquence de 2 à 3 événements par décennie. L'affaiblissement (ou au contraire l'augmentation) du gradientgradient de pression atmosphérique entre l'est et l'ouest du Pacifique tropical entraînant un ralentissement (ou au contraire une intensification) des ventsvents alizésalizés, expliquaient que les eaux chaudes superficielles accumulées et normalement contenues dans l'ouest Pacifique pouvaient se répandre le long de l'équateuréquateur dans le Pacifique central et oriental (épisode chaud, El Niño) si ces vents venaient à faiblir, ou au contraire découvrir les eaux sous-jacentes froides quand ces mêmes vents viennent à s'intensifier (épisode froid, La NiñaLa Niña). Depuis, de nombreux auteurs ont tenté d'améliorer ce schéma en suggérant différents mécanismes impliquant notamment des propagations d'ondes à l'équateur et dans la zone tropicale (la théorie, un temps la plus connue mais maintenant abandonnée, fut celle dite de l'oscillateur retardé) pour expliquer comment et pourquoi on passait d'une phase (chaude-El Niño ou froide-La Niña) à l'autre et inversement.
FS : Ces interactions ne sont pas bien comprises ?
Jacques Merle : Force est de constater qu'actuellement aucune de ces tentatives d'explications n'est complètement satisfaisante, d'autant qu'il est apparu, au fil des observations, maintenant fiables depuis une cinquantaine d'années, que le signal ENSO pouvait être confondu avec d'autres signaux météo-océaniques de plus grande extension et de plus longue période comme la Pacific Decadal Oscillation, PDO.
Cette PDO, mise en évidence seulement récemment, affecte le Pacifique nord à des périodes pluri-décennales (10, 20 ou 30 ans) et se caractérise par une oscillation des températures de surface océaniques au nord du parallèle 20°N, entre l'est et l'ouest du bassin Pacifique. La phase chaude, ou positive, correspond à des températures de surface plus chaudes que la moyenne dans la partie orientale du Pacifique, sa partie occidentale devenant alors plus froide. Là encore les mécanismes générateursgénérateurs de cette oscillation sont mal connus et restent au rang des hypothèses à vérifier lorsque la duréedurée des observations sera suffisante (au moins un siècle ou deux) pour procéder à des analyses spectrales plus détaillées. Toujours dans l'océan Pacifique, il semble exister également une oscillation, encore plus étendue spatialement, affectant à la fois le nord et le sud du bassin, appelée Interdecadal Pacific Oscillation, ou IPO, qui pourrait se rapprocher d'une oscillation inter-hémisphérique, un hémisphère était plus chaud que l'autre pendant quelques dizaines d'années et inversement. Dans l'océan Atlantique une telle oscillation inter-hémisphérique décennale et pluri-décennale a été clairement mise en évidence.
Après ENSO, c'est la North Atlantic Oscillation (NAO) qui reçut, à partir des années 1980, une attention accrue de la part des scientifiques car elle commandait directement les gradients de pression atmosphériques méridiensméridiens de l'Atlantique nord et donc les conditions climatiques affectant l'Europe, particulièrement en hiverhiver. La NAO, qui se caractérise par un vaste balancier de l'atmosphère entre la région de hautes pressions des îles Açores et la région sub-polaire de basses pressions du sud de l'Islande, couvre une large bandelarge bande de fréquence de quelques semaines à quelques décennies. Son couplage avec l'océan fait encore débat bien qu'il soit très probable que les deux milieux interagissent de concert pour créer ce balancement susceptible de maintenir pendant plusieurs semaines, années, voire décennies, la prédominance de régimes dépressionnaires d'ouest affectant l'Europe occidentale ou, au contraire, leur affaiblissement conduisant à des sécheressessécheresses prolongées.
En résumé, pour répondre à la question, non ces mécanismes ne sont pas bien compris. Il existe plusieurs signaux climatiques, traités indépendamment par facilité mais qui ne sont certainement pas indépendants, qui attestent d'un couplage intense entre l'océan et l'atmosphère. Mais les mécanismes précis régissant ces interactions sont encore mal connus. La cause principale de ce constat négatif tient à l'insuffisance des séries d'observations disponibles. Longues de seulement quelques décennies, elles sont encore trop courtes au regard des relativement longues périodes de ces oscillations. Et même ENSO, dont on pensait, il y a encore peu, être capable de saisir les mécanismes essentiels, échappe aux schémas théoriques conçus il y a une dizaine d'années, à mesure que la série d'observations s'allonge. Ainsi ce phénomène, emblématique du couplage naturel entre l'océan et l'atmosphère, semble avoir changé de régime depuis les années 1970, se manifestant par des événements moins fréquents mais plus intenses, sans qu'il soit possible d'affirmer avec certitude que c'est une conséquence du réchauffement climatiqueréchauffement climatique anthropique ou seulement son évolution naturelle. Néanmoins il semble probable que le réchauffement général de l'océan, constaté par les experts et rapporté par le GiecGiec, aura des conséquences sur ces oscillations météo-océaniques comme l'indiquent certains modèles couplésmodèles couplés océan-atmosphère.
FS : Que sait-on aujourd'hui du captage de gazgaz carbonique par les océans ? Quelles sont les marges d'incertitude ?
Guy Jacques : Le gaz carbonique peut pénétrer dans l'océan par deux processus : la pompe physique, c'est-à-dire la dissolution du CO2 dans l'océan, et la pompe biologique, à savoir la photosynthèsephotosynthèse par le phytoplancton qui constitue les prairies marines. Aujourd'hui ces deux processus sont équivalents, absorbant chacun le huitième du CO2 émis par les activités humaines, mais sur l'ensemble de l'ère industrielle, la photosynthèse du phytoplancton l'emporte. La dissolution du CO2 et son enfouissement dans les eaux profondes pour plusieurs centaines d'années se réalisent dans un nombre limité de zones océaniqueszones océaniques en hiver (la dissolution des gaz est inversement proportionnelle à la température) : le nord de l'Atlantique nord et, dans l'hémisphère Sudhémisphère Sud, les mers de RossRoss et de Weddell près de l'AntarctiqueAntarctique.
La pompe biologique est active dans les aires de remontée d'eau côtières intertropicales et dans les parages de la divergence antarctique. Rappelons que ces deux mécanismes, activés durant les épisodes glaciaires, expliquent les basses concentrations de CO2 (180 parties par million) durant ces phases, à l'inverse des périodes interglaciaires où les concentrations remontent à 280 parties par million. Ce puits océanique commence à saturer et le réchauffement des eaux superficielles a toutes les raisons d'affaiblir encore ces deux puits.
FS : On observe une acidification des océans à cause des émissionsémissions de dioxyde de carbonedioxyde de carbone. Quelles pourraient être les conséquences d'une telle acidification sur les écosystèmes et sur les activités humaines ?
Guy Jacques : L'absorptionabsorption croissante de dioxyde de carbone par l'océan accroît la concentration en ionsions H+ et donc l'acidité des eaux, avec formation d'acide carboniqueacide carbonique. Depuis le début de l'ère industrielle, le pH des eaux de surface des océans a diminué d'un peu plus de 0,1 unité. Cette baisse pourrait atteindre 0,3 à 0,4 unité de pH d'ici la fin du XXIème siècle. L'acidification des océans entraîne la dissolution du carbonate de calciumcarbonate de calcium solidesolide (CO3Ca, le « calcairecalcaire »). Les eaux océaniques sont actuellement saturées en carbonate de calcium qui est extrait par certains organismes pour fabriquer leurs exosquelettesexosquelettes. Les coccolithophoridés (phytoplancton) et les foraminifèresforaminifères (zooplanctonzooplancton) utilisent la forme la plus stable et la plus répandue de carbonate de calcium, la calcitecalcite, d'autres, comme les ptéropodes planctoniques et les coraux, utilisent l'aragonitearagonite. Avec une acidité croissante, dans l'impossibilité de construire ou de conserver leur coquillecoquille, de nombreuses espècesespèces marines verront leur survie menacée si elles ne peuvent pas migrer vers des eaux moins agressives.
Ce phénomène touchant l'aragonite avant la calcite, la menace la plus immédiate concerne les ptéropodes, qui tiennent une place essentielle dans les écosystèmes polaires et les coraux d'eau froide découverts il y a une vingtaine d'années. A la fin du XXIème siècle, les deux tiers d'entre eux pourraient avoir disparu. Rappelons qu'à l'ouest de l'Europe, existe une barrière de corailcorail profond de 4.500 kilomètres, deux fois et demie la longueur de celle d'Australie. Il n'empêche. Les récifs coralliensrécifs coralliens seront affectés un peu plus tard par l'acidification des océans mais par leurs implications économiques et humaines, il est logique que l'attention se focalise sur eux. En effet, ces récifs sont déjà largement en péril avec le réchauffement des eaux, la pollution et, parfois, leur surexploitation. Leur déclin se répercutera sur l'économie liée à l'exploitation de la mer et au tourisme mais il entraînera également une diminution de la protection naturelle contre les tempêtestempêtes et les tsunamistsunamis.
