Les courants océaniques : le système de régulation du climat terrestre

Au cours de l'hiver des années 1850, un ancien lieutenant de la marine américaine était assis à une longue table en chêne de l'Observatoire naval des États-Unis, à Washington, enseveli sous des piles de journaux de bord. Matthew Fontaine Maury avait rassemblé les relevés manuscrits de navires marchands de l'Atlantique, de baleiniers du Pacifique et de frégates de la marine, et il en extrayait désormais une chose que personne n'avait encore assemblée : une image cohérente de la manière dont le vent et l'eau se déplaçaient réellement à travers le globe entier. Un accident de cheval survenu des années plus tôt avait mis fin à sa carrière en mer et l'avait laissé avec un bureau, une pension et une montagne de journaux de bord, et de cette contrainte il fit naître une science nouvelle.

L'ouvrage issu de ce travail, publié par Harper en 1855 sous le titre The Physical Geography of the Sea, est considéré comme le manuel fondateur de l'océanographie physique. L'intuition centrale de Maury était que l'océan n'était pas une étendue d'eau sans relief à traverser, mais un système structuré et circulant, parcouru de fleuves, des fleuves d'eau chaude et froide que les navires pouvaient suivre comme un courant qui descend. Cette intuition est le point de départ de tout ce que nous comprenons aujourd'hui de la façon dont la mer gouverne le climat. La question à laquelle répond cet article est d'une simplicité trompeuse : comment une masse d'eau salée, surtout froide et sombre, finit-elle par contrôler la température des continents et le rythme de la météo de l'autre côté de la planète ?

Une mer construite en couches, pas en un seul bassin

La première chose à abandonner, c'est l'image de l'océan comme une masse uniforme. L'océan ouvert est structuré verticalement en trois couches principales qui se comportent de manière très différente les unes des autres. Tout en haut se trouve la couche de mélange, brassée par le vent et les vagues jusqu'à des profondeurs allant de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, relativement chaude et bien homogénéisée, la partie de l'océan qui interagit directement avec l'atmosphère. C'est la couche sur laquelle naviguent les navires et qui échange chaleur et gaz avec l'air.

Sous la couche de mélange se trouve la thermocline, la zone où la température chute brusquement avec la profondeur. En l'espace de quelques centaines de mètres, l'eau peut passer de la douce chaleur de la surface à un froid quasi glacial, et ce fort gradient de température agit comme une sorte de couvercle, séparant le monde ensoleillé et entraîné par le vent qui s'étend au-dessus du domaine qui s'étend en dessous. Sous la thermocline se trouve l'océan profond, froid, sombre et lent, qui contient en volume la plus grande partie de l'eau de mer de la planète, loin du soleil et des tempêtes, et qui se déplace selon des échelles de temps qui n'ont rien à voir avec la météo d'une semaine donnée. Garder ces trois couches à l'esprit est essentiel, car les deux grands systèmes de circulation de l'océan appartiennent chacun à une partie différente de cette structure verticale.

Des fleuves entraînés par le vent

Les courants des quelques centaines de mètres supérieurs sont, en fin de compte, entraînés par les vents dominants. À mesure que des vents réguliers balaient la surface de la mer, le frottement met l'eau en mouvement, et comme la Terre tourne, l'eau en mouvement ne se déplace pas en ligne droite. Elle s'organise plutôt en de vastes systèmes en rotation appelés gyres, un dans chaque grand bassin océanique. Ces gyres tournent dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord et dans le sens inverse dans l'hémisphère Sud, une différence imposée par l'effet Coriolis, la déviation apparente des objets en mouvement sur une planète qui tourne.

La caractéristique la plus spectaculaire de chaque gyre est son bord occidental. Du côté ouest de chaque bassin, l'écoulement se concentre en un fleuve rapide, étroit et chaud appelé courant de bord ouest. Dans l'Atlantique Nord, il s'agit du Gulf Stream, qui transporte de l'eau tropicale chaude vers le nord le long de la côte est des États-Unis avant de s'incurver à travers l'océan. Les courants de bord ouest comptent parmi les écoulements les plus rapides de la mer, les tapis roulants qui acheminent la chaleur tropicale vers les pôles. Un courant de surface comme le Gulf Stream boucle un circuit de son bassin en quelques mois, une boucle vive, chaude et propulsée par le vent, confinée à l'océan supérieur au-dessus de la thermocline.

Le tapis roulant millénaire des profondeurs

Sous la surface entraînée par le vent, une seconde circulation, bien plus lente, fonctionne selon un principe entièrement différent. C'est la circulation thermohaline, ainsi nommée d'après les deux facteurs qui la commandent : la chaleur (thermo) et le sel (halin). Là où les courants de surface fonctionnent grâce au vent, l'océan profond fonctionne grâce à la densité, et la densité dépend du degré de froid et de salinité de l'eau. L'eau froide est plus dense que l'eau chaude, et l'eau salée est plus dense que l'eau douce, si bien que l'eau la plus froide et la plus salée est la plus lourde de toutes et a tendance à plonger.

Ce plongement se produit en quelques endroits bien précis. Dans le grand Atlantique Nord et dans les mers entourant l'Antarctique, l'eau de surface devient suffisamment froide et salée pour s'enfoncer, glissant sous l'eau plus légère qui la surmonte et entamant un long voyage à travers les abysses. À partir de ces zones de plongement, l'eau dense s'écoule vers le sud, puis autour du globe dans l'océan profond, rampant le long du plancher océanique avant de remonter lentement par remontée d'eau, regagnant la surface surtout dans les bassins de l'océan Indien et du Pacifique. La boucle complète, souvent appelée le grand tapis roulant océanique, met environ mille ans à accomplir un seul circuit. L'eau qui plonge au large du Groenland aujourd'hui pourrait ne pas refaire surface dans le Pacifique avant bien après l'an 3000. C'est le moteur qui ventile les grands fonds, descendant l'oxygène vers le bas et remontant l'eau ancienne vers le haut, sur une échelle de temps qui éclipse tout ce que connaît l'atmosphère.

Deux circulations, une seule masse d'eau

Il est utile de placer les deux systèmes côte à côte, car ils partagent exactement la même eau tout en obéissant à des règles complètement différentes. Les courants de surface sont entraînés par le vent, chauds et rapides, bouclant le circuit d'un bassin en quelques mois. Les courants profonds sont entraînés par la densité, froids et lents, bouclant un circuit mondial en environ mille ans. L'un est la peau rapide, peu profonde et soufflée par le vent de l'océan ; l'autre est son intérieur vaste, posé et trié par densité. La thermocline est la frontière entre les deux, la marche de température qui maintient la couche chaude entraînée par le vent en équilibre sur la masse profonde et froide.

Les deux ne sont pas indépendants. Les courants de surface transportent chaleur et sel vers les régions de haute latitude où se forme l'eau profonde, contribuant à réunir les conditions du plongement, et la remontée des eaux profondes finit par ramener l'eau à la surface, où les vents peuvent de nouveau la saisir. Ensemble, ils forment une seule machine interconnectée, mais comprendre l'océan, c'est toujours savoir lequel des deux on évoque, car leurs vitesses et leurs moteurs ne sauraient être plus différents.

Pourquoi le sel compte plus qu'il n'y paraît

La salinité de l'océan est facile à considérer comme un fait statique, mais c'est l'une des variables maîtresses de tout le système. La salinité moyenne de l'océan ouvert est d'environ 3,5 pour cent, c'est-à-dire environ 35 grammes de sel dissous pour chaque kilogramme d'eau de mer. Ce chiffre n'est pas fixe partout. Il augmente là où l'évaporation concentre le sel, comme dans les régions subtropicales chaudes, et diminue là où la pluie, les fleuves et la fonte des glaces ajoutent de l'eau douce qui la dilue.

Ces variations comptent, car la salinité, conjuguée à la température, contrôle la densité, et c'est la densité qui fait tourner le tapis roulant des profondeurs. Une portion d'océan qui devient plus salée, que ce soit par une forte évaporation ou par le rejet de sel lorsque la glace de mer gèle, devient plus dense et plus encline à plonger. C'est précisément pour cela que la formation d'eau profonde est sensible au bilan d'eau douce des hautes latitudes. Un apport massif d'eau douce issu de la fonte des glaces peut abaisser la salinité de surface au point de ralentir le plongement, et avec lui toute la circulation millénaire. La teneur en sel de la mer, autrement dit, n'est pas une étiquette passive, mais un véritable bouton de réglage de la répartition de la chaleur sur la planète.

Quand le Pacifique échange son eau chaude

L'océan ne fait pas que circuler ; il oscille aussi, et l'oscillation la plus lourde de conséquences habite le Pacifique équatorial. Dans son état normal, les alizés soufflent d'est en ouest le long de l'équateur, entassant l'eau chaude de surface en un vaste réservoir près de l'Indonésie et du Pacifique occidental, tandis qu'une eau plus fraîche remonte au large des côtes d'Amérique du Sud. Tous les deux à sept ans, cet équilibre se rompt. Ce balancement couplé océan-atmosphère entre ses phases chaude et froide s'appelle l'oscillation australe El Niño, et ses deux extrêmes sont la phase chaude, El Niño, et la phase froide, La Niña.

Pendant El Niño, les alizés faiblissent, le barrage de vent qui retenait le réservoir d'eau chaude à l'ouest cède, et l'eau chaude reflue vers l'est à travers le Pacifique. Comme l'océan et l'atmosphère sont couplés, cette redistribution de la chaleur déplace les zones d'ascendance de l'air et de fortes précipitations, perturbant la météo de l'Indonésie au Pérou et se répercutant vers l'extérieur pour affecter les pluies, les sécheresses et les températures sur une grande partie du globe. Les moussons, les pêcheries et les récoltes du monde entier le ressentent. L'ENSO est la démonstration la plus claire que l'océan n'est pas un simple arrière-plan lent du climat, mais un acteur actif capable de réorganiser la météo mondiale en l'espace d'une seule saison.

Le mythe du cadeau du Gulf Stream

Peu d'idées en géographie sont répétées avec plus d'assurance, ou avec moins de fondement, que l'affirmation selon laquelle le Gulf Stream maintiendrait à lui seul l'Europe occidentale au chaud. Le raisonnement paraît plausible : un courant chaud remonte des tropiques, atteint l'Atlantique oriental et réchauffe doucement la Grande-Bretagne, la France et la Scandinavie, ce qui expliquerait que Londres soit plus douce que Terre-Neuve à la même latitude. Le courant compte bel et bien, et il apporte réellement de la chaleur dans l'Atlantique Nord, mais il n'est pas la cause dominante de la douceur des hivers européens.

L'essentiel de l'explication est atmosphérique. Les vents d'ouest dominants soufflent sur la surface chaude de l'océan, en captent la chaleur et transportent cette chaleur sur le continent. Sans ces vents d'ouest venus de la mer, la chaleur emmagasinée par l'océan ferait bien moins pour les températures de l'air en Europe, et des études détaillées attribuent une grande part du contraste entre l'Europe occidentale et l'est de l'Amérique du Nord à la configuration des vents et à la façon dont l'atmosphère redistribue la chaleur, plutôt qu'au seul courant. C'est un correctif utile, car il montre que l'océan et l'atmosphère fonctionnent comme un couple. Aucun des deux ne dirige le climat à lui seul, et attribuer à un seul courant la douceur hivernale de tout un continent revient à prendre une composante pour la machine entière.

Pourquoi l'océan est le système climatique

Prenons du recul, et la raison pour laquelle l'océan mérite d'être appelé le système de régulation du climat de la planète apparaît clairement. L'océan retient plus de quatre-vingt-dix pour cent de la chaleur supplémentaire piégée par les gaz à effet de serre depuis 1971, absorbant l'écrasante majorité de l'énergie du réchauffement climatique dans son immense volume d'eau. Il déplace aussi la chaleur entre les latitudes à une échelle qu'aucune autre partie du système climatique ne peut égaler, acheminant la chaleur tropicale vers les pôles par ses gyres de surface et la redistribuant par le lent brassage du tapis roulant des profondeurs.

C'est pourquoi l'océanographie physique, la discipline que Maury a fondée avec un bureau couvert de journaux de bord en 1855, est le préalable à la compréhension du changement climatique et du bilan hydrique de la planète. Les couches, les courants, le sel et les oscillations sont les éléments d'un seul système intégré qui amortit l'atmosphère, fixe les climats régionaux et stocke la chaleur que nous ajoutons à la planète. Se demander comment le climat va changer, c'est en grande partie se demander ce que l'océan fera de la chaleur et de l'eau douce que nous lui donnons.

Points clés à retenir

L'océan est en couches, circulant, salé, et il constitue la composante dominante du système climatique. Son eau libre se structure en une couche de mélange brassée par le vent, une thermocline marquée et un océan profond et froid qui en contient l'essentiel du volume ; ses courants de surface, comme le Gulf Stream, sont entraînés par le vent, chauds et rapides, s'organisant en gyres tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse, qui bouclent un bassin en quelques mois, tandis que sa circulation thermohaline profonde est entraînée par la densité, froide et lente, faisant plonger l'eau froide et salée dans l'Atlantique Nord et autour de l'Antarctique et mettant environ mille ans à faire le tour du globe. La salinité moyenne est d'environ 35 grammes par kilogramme et compte parce qu'elle contribue à fixer la densité qui alimente le tapis roulant des profondeurs ; l'oscillation australe El Niño rebrasse l'eau chaude du Pacifique équatorial tous les deux à sept ans et perturbe la météo du monde entier ; la douceur des hivers européens doit davantage aux vents d'ouest qui amènent la chaleur océanique à terre qu'au seul Gulf Stream ; et parce que l'océan stocke plus de quatre-vingt-dix pour cent du réchauffement climatique récent et déplace la chaleur entre les latitudes comme rien d'autre ne le peut, comprendre les courants, la salinité et les couches est le fondement de la compréhension du climat lui-même, une science que Matthew Maury a établie avec son ouvrage The Physical Geography of the Sea de 1855.