Courants marins : l'histoire d'une bouteille à la mer

Principaux courants marins : le Gulf Stream et le Kuroshio

Il existe, sous la surface de nos océans, un immense réseau de courants marins, sortes de tapis roulants des mers, qui transportent des masses d’eau absolument gigantesques. Ces courants à grande échelle, parmi lesquels figure le célèbre Gulf Stream, jouent un rôle primordial dans la dynamique des océans, et bien entendu dans l’équilibre thermodynamique de notre planète. Bien que leur cartographie soit extrêmement complexe, des processus physiques très simples permettent d’en expliquer les grandes lignes.

C’est un phénomène de convection dû à la différence de masse volumique entre les différentes couches d’eaux qui est à l’origine de leur mise en mouvement. Nous l’illustrons grâce à une expérience réalisable par tous, à l’aide de bouteilles en plastique, de pailles et de sirops alimentaires.

Ceci se modélise à l’aide de formules mathématiques, et peut être illustré grâce à des simulations réalisées par ordinateur. A l’aide des équations de Navier-Stokes qui décrivent le comportement d’un fluide, nous avons reproduit numériquement l’expérience des bouteilles. Pour cela, on “traduit” les équations mathématiques en un algorithme qui est ensuite résolu par ordinateur. Voici ce que cela peut donner :

Bien entendu, dans les océans du globe les phénomènes sont plus complexes que dans les deux bouteilles de l’expérience présentée ci-dessus. Dans les océans Arctique et Atlantique Nord, l’eau de mer est froide et très salée. Ceci s’explique par l’intensité du vent qui produit à la fois un intense refroidissement et une augmentation de la salinité des eaux (du fait de l’évaporation des molécules d’eau), mais également par le fait que, dans les régions polaires, une partie de l’eau de mer se transforme en glace, rejetant le sel qu’elle contient dans l’eau environnante. L’eau de mer dans ces régions-là est donc très dense en comparaison des eaux des régions tropicales, plus chaudes et moins salées. Ceci, comme dans nos bouteilles, amorce la plongée des eaux de l’océan Arctique et Atlantique Nord vers les fonds marins, et constitue une véritable pompe pour la circulation à grande échelle.

Ces eaux profondes traversent l’océan Atlantique du nord au sud et sont entraînées vers les océans Indien et Pacifique où elles se réchauffent et font peu à peu surface. Elles reviennent ensuite du sud vers le nord de l’océan Atlantique sous forme de courant de surface (dont le mouvement est également influencé par les vents, la rotation de la Terre, etc). Cette circulation à grande échelle forme une sorte de tapis roulant à l’échelle du globe. On l’appelle la circulation thermohaline (« thermo » pour la température et « haline » pour la salinité).

Brève rédigée par Sebastian Minjeaud (Labo. J. A. Dieudonné, CNRS-Univ. Nice Sophia Antipolis & Equipe Castor, Inria Sophia Antipolis), Maëlle Nodet (Université Joseph Fourier, INRIA EPI-MOISE, Labo. Jean Kuntzmann, Grenoble) et Antoine Rousseau (Equipe Moise, Inria).