JMC Nov 2003
LA CIRCULATION OCEANIQUE
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Plusieurs types de force sont mis en oeuvre lorsqu'il s'agit de déplacer les eaux des océans. Leurs sources sont aussi diverses que la température, la densité, la salinité, les astres, l'attraction universelle, les radiations solaires ou la rotation de la Terre. Il y a des courants littoraux que l'on ressent près des côtes et des grands courants océaniques qui déplacent des masses d'eaux considérables à l'échelle de la Terre.
Cette circulation océanique peut être subdivisée en deux composantes: la circulation de surface et la circulation profonde. Son schéma ressemble à la convergence et à la divergence de l'air dans l'atmosphère, déplacements qui sont associés aux pressions. Des courants semblables se développent dans les océans; ces courants, influencés par la circulation atmosphérique, les densités différentes de l'eau (chaude et froide) et par la configuration des continents, contribuent au transfert horizontal d'énergie. Certains courants, chauds, partent des régions équatoriales et se dirigent vers les pôles; d'autres, froids, se déplacent en sens inverse.
Les courants de surface
Ces courants sont produits directement ou indirectement par la différence du bilan radiatif solaire à la surface du globe. Les radiations solaires générant des différences de température vont créer des vents qui vont entraîner la surface de l'eau par friction induisant des déplacements horizontaux. Par réchauffement ou par refroidissement des masses d'eau, par évaporation ou par précipitations, ces mêmes radiations, en changeant la température et la salinité vont provoquer des modifications de densité qui induiront des déplacements verticaux.


Principaux courants océaniques de surface (d'après DUXBURY in DEGENS).
("+" zones de haute pression et "-" zones de basse pression)

Les vents d'ouest et alizés déterminent sous l'action de la force de Coriolis (du nom du mathématicien français Gaspard Coriolis,1792-1843) de larges systèmes circulaires centrés approximativement à 30° N et 30° S. Ces courants circulaires tournent dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'Atlantique Nord et le Pacifique Nord, et en sens inverse dans l'Atlantique Sud, le Pacifique Sud et l'Océan Indien. :

Force de Coriolis
m : masse de l'objet (en kg)
Vecteur vitesse de rotation de la terre (m/s)
^ : produit vectoriel
Vr : Vitesse de l'objet tel que le voit un observateur depuis la Terre (en m/s)


La rotation de la Terre déplace ces systèmes vers la bordure ouest des océans placant ainsi les courants les plus forts le long des côtes Est des continents. Ces courants venant des zones intertropicales transportent des eaux chaudes, transférant ainsi la chaleur des zones équatoriales vers les pôles. (par exemple le Gulf Stream est plus puissant que le courant des Canaries)


Principe de circulation océanique de surface.
La friction du vent sur la surface de l'eau est transmise aux couches d'eau plus profondes avec une diminution progressive de la vitesse du courant induit rendant les couches profondes de plus en plus sensibles à l'action de la force de Coriolis. si bien que nous pouvons avoir des courants profonds qui se déplacent en sens inverse de ceux de surface. C'est la spirale d'Ekman qui se poursuit sur plusieurs centaines de mètres de profondeur. Le déplacement moyen de l'eau est à 90° à droite du vent. Cette force de Coriolis tend à dévier les courants marins vers sa droite dans l'hémisphère Nord, et vers sa gauche dans l'hémisphère Sud. On peut en déduire les schémas suivants pour l'hémisphère nord et pour l'hémisphère sud:

La "spirale d'Ekman": le courant de surface est à 45° et le déplacement
moyen de l'eau est à 90° , ici, à droite du vent dans l'hémisphère nord.

La "spirale d'Ekman": le courant de surface est à 45° et le déplacement
moyen de l'eau est à 90° , ici, à gauche du vent dans l'hémisphère sud
Les courants de surface tournant dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère nord et à l'opposé dans l'hémisphère sud produisent une accumulation d'eau à l'intérieur des systèmes circulaires. Cette surcharge entraîne un bombement de la surface dont la hauteur peut atteindre 110 cm. Les eaux ne peuvent s'accumuler indéfiniment en surface au milieu du bassin si bien qu'elles plongeront au centre du système jusqu'à 800 mètres de profondeur environ.
La hauteur de la colonne d'eau étant plus haute au centre que sur la périphérie du système circulaire, on a, pour ce qui concerne l'océan, une zone de haute pression au centre et une zone de basse pression à la périphérie. Ce différentiel de pression engendre une force dirigée vers l'extérieur car elle s'exerce logiquement des hautes vers les basses pressions . Cette force de pression compense la force de Coriolis à partir de quelques mètres de profondeur si bien que le courant en profondeur va avoir à la fois la même direction que le vent et tourner comme lui autour de la haute pression.
Sous vents cycloniques, c'est une dépression qui apparaît au centre du circuit et les eaux profondes remontent ("pompage d'Ekman").

Principe de la circulation dans une zone de haute pression océanique de l'hémisphère sud
La vitesse des courants océaniques atteint plusieurs noeuds à la surface. Avec l'action des vagues, ils provoquent le brassage de l'eau superficielle et on estime que la zone photique est entièrement brassée en 50 ans. En profondeur, ces courants sont beaucoup plus lents, les eaux profondes ont une période de renouvellement de 500 ans.
Les courants de densité provoqués par les variations de température et de salinité sont les principaux agents de mélange des eaux océaniques. En coupe, l'océan comporte 3 couches :
(1) une couche superficielle bien mélangée sous l'action du vent, d'une centaine de mètres d'épaisseur;
(2) une zone montrant un gradient décroissant de température, la thermocline, qui agit comme une couche stratifiée stable limitant les transferts d'eau dans le sens vertical;
(3) au delà de 1000 m de profondeur environ, une masse d'eau profonde ayant une température et une salinité plus uniforme.
Les courants de profondeur
Les vents n'ayant plus d'influence après 800m de profondeur, ils ne peuvent être les moteurs des circulations océaniques profondes.
Celles-ci sont générées par des masses d'eau profondes identifiées en fonction de leur température, de leur salinité et qui acquièrent leurs caractères en surface suite à l'évaporation, aux précipitations, à l'arrivée d'eaux douces continentales et à la congélation de l'eau de mer. L'installation d'une banquise produit le même effet que l'évaporation (augmentation de la salinité et de la densité de l'eau non gelée qui s'enfonce).
Ces courants basés à la fois sur des différences de température (l'eau froide est plus dense que l'eau chaude) et sur des différences de salinité (l'eau salée est plus dense que l'eau douce) vont se répartir en différentes couches dans les océans.

Densité de l'eau de mer en fonction de sa température et sa salinité.
Les eaux de fond de l'Antarctique(AABW) , à 0,5 °C et 34,7 pour mille de salinité, s'écoulent le long de la pente antarctique depuis la mer de Weddell jusqu'à l'équateur. Dans l'hémisphère nord, les mers de Norvège et du Groenland fournissent les eaux profondes nord-atlantiques (NADW) à 2°C et 34,95 pour mille de sels.

Principe de la circulation en surface et en profondeur dans l'Atlantique:
    NADW: North Atlantic Deep Water; AABW : Antartic Bottom Water
Dans les régions tropicales Nord et Sud, les alizés génèrent des cellules de courants circulaires anticycloniques qui convergent vers l'équateur. Les eaux s'accumulent vers l'Ouest ce qui engendre un contre-courant équatorial dans le sens Ouest-Est. Le Gulf Stream au Nord dans l'Atlantique est une branche de ce circuit. Il débite environ 90 Millions de m3/s et se poursuit au Nord par la dérive Nord Atlantique. Le Kuro Shio en est l'équivalent pour le Pacifique Nord. Dans l'hémisphère Sud, les branches sud des circuits anticycloniques forment le courant circumpolaire antarctique.
L'ensemble des eaux océaniques se déplace lentement sur le globe en un cycle dont la durée est estimée à un millier d'années: c'est la circulation thermohaline. Les eaux chaudes se déplacent en surface, elles se refroidissent dans les hautes latitudes et s'enfoncent en profondeur où elles suivent le trajet inverse. L'écoulement des eaux froides et profondes dans l'Atlantique Nord est évalué à 15 Millions de m3/s.
Les plus profonds portent le nom de courant thermohalin et ceux qui vont un peu moins en profondeur portent le nom de circulation thermocline. On a alors introduit l'expression imagée de "tapis roulant" (conveyor belt) pour décrire le transport d'eau profonde de l'Atlantique vers le Pacifique et son retour en surface.
 
Principe de la circulation thermohaline.

Les phénomènes d'upwelling" et de "downwelling"
Les courants de surface rassemblent les eaux en des points de convergence où elles se mélangent et s'enfoncent en fonction de leur densité et forment les courants de downwelling.
Localement, des eaux profondes remontent à la surface (courant d'upwelling) sous l'effet de la venue de nouvelles masses d'eau froide qui s'enfoncent  et de l'action de la force de Coriolis qui dévient les courants longeant les côtes ouest vers le large. Les eaux s'accumulent ainsi vers l'Ouest, le déficit à l'Est est comblé par la remontée des eaux profondes, même sous l'équateur. Dans ce circuit le rôle joué par les eaux polaires froides est fondamental pour la vie: ce sont elles qui apportent l'oxygène en profondeur. On comprend qu'un réchauffement climatique puisse entraîner l'arrêt de cette circulation profonde, la stratification des eaux et l'anoxie (par exemple l'évènement anoxique du Crétacé s'est traduit par une mortalité en masse et le dépôt de sédiments noirs réduits, les black shales).
Les courants d'upwelling remontent en surface des eaux froides riches en éléments minéraux nutritifs et favorisent la prolifération du plancton et donc des poissons. C'est le cas des zones de pêche au large de l'Afrique nord-occidentale (Sénégal, Mauritanie). Ces eaux profondes sont enrichies en phosphore qui est un facteur limitant pour le développement des organismes. D'ailleurs, de grands gisements de phosphates sédimentaires sont mis en relation avec d'anciennes zones côtières appovisionnées par des courants d'upwelling (phosphates marocains)..


Principe de l'upwelling

Principe du downwelling

Les principaux courants
Les principaux courants chauds sont: le Gulf Stream, le courant du Brésil, le Kouro-shivo, le courant d'Australie orientale et le courant des Aiguilles.
Les principaux courants froids sont: le courant des Canaries, le courant de Benguela, le courant de Californie, le courant du Pérou (Humboldt) et le courant d'Australie occidentale.
Il existe aussi plusieurs courants qui ont leur origine dans les régions polaires: le courant du Labrador, le courant du Groenland, l'Oya-shivo (ou courant de Kamtchaka) et le courant antarctique, ce dernier circulant dans le sens horaire autour de l'Antarctique. Certains courants circulent dans la région équatoriale.

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