De la turbulence océanique de petite échelle générée par interaction entre courants et fonds marins

Vendredi, 4 novembre 2016

Des chercheurs du Laboratoire d’océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, CNRS / UBO / Ifremer / IRD) et de l’Université de Californie (UCLA) ont réalisé des simulations numériques réalistes, à des résolutions rarement atteintes, de la dynamique océanique dans la région où le Gulf Stream s’écoule le long de la côte sud-est des USA, entre la Floride et les Bahamas. Ils ont ainsi pu mettre en évidence de nouveaux mécanismes d’interaction des courants avec les fonds marins, lesquels conduisent à la formation de "turbulence" océanique de petite échelle ayant un impact significatif sur le bilan énergétique global de l’océan.

La circulation océanique est forcée à grande échelle par le vent et les flux de chaleur à la surface des océans. Ces grands courants et les tourbillons océaniques de moyenne échelle (échelles horizontales de 100 kms et plus) contiennent l’essentiel de l’énergie cinétique de l’océan. Or, pour boucler le bilan énergétique de l’océan, cette énergie doit être dissipée in fine par la viscosité à l’échelle moléculaire. Comment cette énergie va-t-elle passer de la grande échelle vers la toute petite échelle, c’est-à-dire comment va être dissipée l’énergie des tourbillons ? Voilà une question que se posent encore aujourd’hui les océanographes.

Les recherches au cours des 10 dernières années se sont surtout intéressées à la surface de l’océan et ont mis en évidence différents mécanismes liés à la formation de structures de petites échelles dans la couche de surface, tels les fronts de température et les filaments allongés de quelques kilomètres de large, et pouvant catalyser une route de l’énergie de la grande vers la toute petite échelle.
En revanche, le fond de l'océan ayant été très peu exploré, il reste aujourd’hui encore largement méconnu. On a cru pendant longtemps qu’il ne s’y passait rien d’intéressant, mais des avancées récentes obtenues grâce à la modélisation numérique à très haute résolution sont en train de modifier cette vision et de mettre en évidence toute la richesse de la dynamique océanique dans les profondeurs.

Pour résoudre le détail des interactions entre les courants et le relief du fonds des océans, des chercheurs du LOPS et de l’université de Californie ont effectué, à l’aide du modèle ROMS (http://www.romsagrif.org/), des simulations numériques réalistes(1) de la dynamique des fonds océaniques incluant les petites échelles océaniques. Ces simulations, qui portaient sur la région où le Gulf Stream s’écoule le long de la côte sud-est des USA entre la Floride et les Bahamas, ont été réalisées à des résolutions beaucoup plus élevées que ce qui est fait habituellement (résolution horizontale de 200 m et résolution verticale de l’ordre du mètre) en utilisant une méthode d’emboitement : des simulations régionales de résolution croissante ont été emboitées les unes dans les autres, sur le principe des poupées russes, afin d’obtenir un maximum de détails sur la région choisie.

Dans ces simulations, les chercheurs ont observé les processus suivants : là où les courants frottent sur le fond, des sillages très turbulents apparaissent accompagnés de très intenses instabilités de petite échelle ; ces instabilités enclenchent une cascade d’énergie vers les plus petites échelles, contribuant localement à dissiper une part significative de l’énergie du Gulf Stream.
Les chercheurs estiment que l’impact de ces processus à l’échelle globale pourrait être de dissiper quelques pourcents de l’énergie totale apportée par le vent aux courants et aux tourbillons de grande et moyenne échelle et que ces processus devront donc être pris en compte pour pouvoir boucler le budget énergétique des océans.
Ces processus et leur impact ne sont pour l’instant pas pris en compte par les modèles océaniques globaux ou les modèles climatiques tels que ceux utilisés dans les rapports du GIEC, et leur impact va donc devoir être paramétrisé dans ces modèles.

Génération de turbulence de petite échelle et dissipation d’énergie induits par l’interaction entre le Gulf Stream et la topographie. Les couleurs représentent un instantané de vorticité relative (normalisée par la fréquence de Coriolis) d’une simulation numérique. Les zones de forte dissipation d’énergie sont signalées en vert.

Les chercheurs ont également pu mettre en évidence que l’interaction des courants avec la topographie conduit aussi à la formation de petits tourbillons profonds, de quelques kilomètres de diamètre, pouvant transporter des masses d’eaux profondes sur de très grandes distances. En dispersant ainsi la chaleur, les matières biologiques et les substances chimiques provenant des sources hydrothermales, de telles structures pourraient jouer un rôle important dans le transport des composés biogéochimiques au sein des écosystèmes profonds.

Note(s): 
  1. Une simulation réaliste est une simulation utilisant des forçages atmosphériques, des conditions aux bords, une côte et une topographie des fonds sous-marins les plus réalistes possibles.
Source(s): 

Topographic Generation of Submesoscale Centrifugal Instability and Energy Dissipation. J. Gula, M.J. Molemaker & J.C. McWilliams (2016). Nature Communications, 7:12811 (2016). doi:10.1038/ncomms12811

Contact(s):
  • Jonathan Gula, LOPS/IUEM
    jonathan [dot] gula [at] univ-brest [dot] fr, 02 90 91 55 22

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