Comprendre la circulation océanique passée

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1 Comprendre la circulation océanique passée 28/09/10 Une équipe de chercheurs, dont Anne Mouchet de l'ulg, dévoile une partie du mystère qui accompagnait jusqu'il y a peu l'hypothèse d'une formation d'eaux profondes dans le Pacifique Nord. Une recherche publiée dans le magazine Science(1)

2 De nos jours, l'ensemble des fonds océaniques est alimenté par deux endroits de convection, deux 'moteurs' où les eaux plongent pour participer aux courants Reflexions, le site de vulgarisation de l'université de Liège - 2 -

3 profonds. Ces eaux remontent ensuite vers la surface au fur et à mesure qu'elles se réchauffent (lire l'article : Vingt mille ans sous les mers). Ces lieux de formation d'eau profonde sont situés au Nord de l'atlantique et au large de l'antarctique. Les eaux des autres régions du globe ne sont pas assez denses (froides et riches en sel) pour plonger à une telle profondeur. Si cette configuration connaît aujourd'hui une certaine stabilité, la paléo-océanographie nous a déjà montré qu'elle avait subi une série de réorganisations dans le passé. Parfois mineures, parfois plus importantes. Mais les recherches auxquelles a participé Anne Mouchet, chercheuse au Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire de l'ulg (LPAP), ont permis de reproduire des chamboulements peu habituels de par leur importance. A savoir une série d'arrêts de la circulation en Atlantique, couplés avec la création d'une zone de formation d'eau profonde dans le Pacifique Nord lors de la sortie de la dernière période interglaciaire. Ces recherches ont également permis d'en comprendre les causes et les conséquences. S'il était difficile d'attester d'une telle réorganisation, c'est en partie parce que les sédiments, témoins qui racontent mieux que quiconque l'histoire de notre Terre, résistent moins bien au temps dans le Pacifique Nord. Les eaux profondes du Pacifique sont en effet plus corrosives que les autres vis à vis des coquilles calcaires. Il est ainsi plus difficile de retracer les différentes évolutions de la circulation océanique dans cette région. "Mais un certain nombre de sédiments semblaient révéler cette formation d'eau profonde dans le Pacifique Nord, explique Anne Mouchet. Avec des chercheurs d'hawaii et du Japon, nous avons donc eu l'idée de compiler un maximum de données avec de nouvelles carottes sédimentaires, qui nous ont permis de vérifier ces variations de courants." Observation possible, par exemple, en étudiant deux types de zooplanctons : les foraminifères planctoniques et les foraminifères benthiques. L'une évolue en surface, l'autre dans les eaux profondes. Ces foraminifères, en se fossilisant, créent des coquilles de calcaire en assimilant entre autre du carbone, et donc aussi un de ses isotopes, le radio carbone (ou carbone 14, dont la radioactivité permet de dater les éléments qui en contiennent). Étudier la différence d'âge entre les deux foraminifères appartenant à une même couche sédimentaire grâce au carbone 14, permet d'avoir une idée de l'évolution de la ventilation des eaux, en profondeur au fil des années. (1) OKAZAKI Y., TIMMERMANN A., MENVIEL L., HARADA N., ABE-OUCHI A., CHIKAMOTO M.O., MOUCHET A., ASAHI H., Deep water formation in the North Pacific during the last glacial termination, Science, July 8th "L'étude des sédiments a été couplée avec une simulation de la période étudiée dans un modèle numérique prenant en compte différents acteurs comme l'océan, les cycles biogéochimiques, l'atmosphère et la végétation continentale. En reproduisant les conditions de l'époque, le modèle est également arrivé à une formation d'eaux profondes dans le Pacifique Nord. Les modèles globaux sont une belle avancée. Avant, la modélisation procédait par boîtes. Il y avait une boîte pour chaque acteur, et on n'arrivait donc pas à simuler l'interaction entre ces différents acteurs, pourtant très influente dans la réalité." Ce n'est pas la première étude qui s'intéresse à la formation d'eau profonde dans le Pacifique Nord. Certains sédiments avaient déjà permis d'établir ce constat. Mais c'est la première qui rassemble autant de sédiments tout en effectuant en parallèle la reproduction des conditions climatiques de l'époque au sein d'un modèle numérique complexe. Ces recherches ont permis d'attester de cette formation lors de la sortie de la dernière période glaciaire, en relation étroite avec leur contexte climatique, et d'en déceler les causes et les conséquences avec une plus grande précision. "C'est une belle avancée scientifique et technologique, se réjouit Anne Mouchet. Il y a quelques années à peine, certains scientifiques avaient bien des intuitions quant à cette formation d'eau profonde dans le Pacifique Nord. Mais nous n'étions pas en mesure de l'attester ou d'en comprendre les causes." - 3 -

4 Une décharge massive d'iceberg comme déclencheur Plusieurs arrêts ou ralentissements du courant Atlantique ont déjà été observés. Lors de la dernière période glaciaire, il y a environ ans, une instabilité de la calotte glaciaire a généré une perte massive de glaces d'eaux douces dans l'océan atlantique. Ces glaces ont donc diminué la densité des eaux de l'atlantique, habituellement à forte teneur en sel, les empêchant de plonger et de former un courant marin profond. La circulation océanique dans cette région, l'amoc (Atlantic Meridional Overturning Circulation), s'est donc arrêtée, provoquant un refroidissement de l'hémisphère Nord. "Pour certains arrêts, nous avons pu observer en parallèle la formation d'eau profonde dans le Pacifique Nord et déterminer un lien de cause à effet entre les deux phénomènes, explique la chercheuse. La raison est la suivante. L'Atlantique Nord est habituellement une zone d'évaporation de l'eau. Le sel contenu dans l'eau de mer, lui, ne s'évapore pas et reste dans l'océan Atlantique, augmentant ainsi sa salinité. L'eau évaporée est transportée dans l'atmosphère. La région du Pacifique Nord, elle, est un lieu de précipitation de cette eau de pluie. En se mélangeant à l'eau de mer, elle l'empêche d'être suffisamment salée pour former les eaux profondes. Suite à l'arrêt du courant Atlantique, il y a eu une baisse d'évaporation, donc, beaucoup moins de transport d'eau par l'atmosphère de l'atlantique - 4 -

5 vers le Pacifique. Cette diminution de précipitation, liée au refroidissement, a permis aux eaux du Pacifique Nord d'accroître leur salinité, et ainsi de former des courants marins d'eau profonde." Une causalité, certes, mais qui ne signifie nullement une formation d'eaux profondes systématique dans le Pacifique Nord en cas d'arrêt de l'amoc. Inversion des rôles Une telle réorganisation de la circulation océanique entraîne évidemment toute une série de conséquences. Tout d'abord, l'établissement d'une circulation dans le Pacifique Nord apporte un nouveau transport de chaleur dans l'hémisphère nord et tempère le refroidissement causé par l'arrêt des courants de l'océan atlantique. En effet, les eaux profondes du Pacifique Nord entament un itinéraire similaire à celles de l'atlantique en temps normal. Elles descendent vers le Sud, remontent au fur et à mesure qu'elles se réchauffent, et renforcent un courant de retour en surface, le Kuro Shio, qui permet une redistribution de la chaleur

6 La formation d'eaux profondes a également permis une meilleure ventilation et donc un plus grand apport en oxygène, alors qu'aujourd'hui, les eaux intermédiaires du Pacifique Nord comptent parmi les moins bien oxygénées de l'océan. Cette ventilation a permis toute une réorganisation de l'écosystème de la région. "Même s'il existe tout de même une biodiversité dans les eaux moins oxygénées, rappelle Anne Mouchet." Cette même ventilation pourrait également expliquer en partie une question restée sans réponse jusqu'à présent. Les scientifiques ont en effet observé lors des transitions glaciaires-interglaciaires un accroissement important du CO 2 dans l'atmosphère. "Et cet accroissement évolue sur des échelles de temps fort longues, raison pour laquelle nous pensons que seul l'océan pouvait être le premier maillon de cette évolution." Cet apport de CO 2 pourrait être en partie expliqué par une meilleure ventilation des eaux qui aurait libéré des stocks de CO 2 retenus en profondeur

7 Des conditions initiales déterminantes Le réchauffement climatique, la fonte des glaces, l'arrêt du Gulf Stream, autant de sujets très actuels, qui accordent par procuration un intérêt d'autant plus captivant aux recherches en paléo-océanographie. "Pour essayer de comprendre ce qui se passe aujourd'hui et ce qui se passera demain, il faut bien entendu comprendre comment le climat a évolué." Mais s'il est important de connaître l'histoire de notre planète, le nombre de facteurs qui entrent en jeu est tel qu'il est difficile de pouvoir attester de similitudes entre un phénomène connu du passé et un hypothétique événement futur. Par exemple, si les terres du Groenland finissent par ressembler à nos vertes campagnes, et que toute la glace s'est déversée dans l'atlantique, que la convection ne se produit plus avec la même intensité, voire que le courant s'arrête, il n'est pas certain que nous subirons un refroidissement climatique, et il n'est pas non plus certain qu'un courant d'eau profonde se formera dans le Pacifique Nord. "Il ne faut pas oublier que les conditions initiales sont extrêmement différentes, rappelle Anne Mouchet. Et l'état initial du système est très important pour l'ampleur de sa réponse. A l'époque, nous étions en pleine ère glaciaire, alors que nous allons actuellement vers un climat chaud, ce qui va donner des résultats extrêmement différents. Par exemple, un climat chaud sera plus humide, car il y a plus d'évaporation. Tout le cycle de l'eau est accéléré. S'il y a un arrêt du courant atlantique aujourd'hui, il y aura refroidissement de l'hémisphère nord, mais pas nécessairement de glaciation, vu que nous partons d'une température plus élevée et que la teneur atmosphérique en gaz à effet de serre augmente. Il est peu aisé d'établir les futurs événements océaniques car le système n'est pas - 7 -

8 linéaire. Ce n'est pas parce qu'on a des événements extérieurs relativement similaires qu'on vivra les mêmes évolutions." Le passé se précise d'année en année Les modèles numériques constituent un des outils de recherche privilégiés pour remonter dans le passé ou tenter de percer le voile brumeux de notre avenir. Si les premiers modèles existent depuis deux ou trois décennies, ils n'ont pas été directement performants, les temps de calcul étant beaucoup trop longs pour réussir à récolter suffisamment d'informations. Et plus on remontait dans le passé, plus le nombre de données à prendre en compte était élevé, et plus les résultats du modèle étaient approximatifs. Il y a dix ans, de telles expériences numériques sur la formation d'un courant marin profond dans le Pacifique Nord auraient été impossibles. Les progrès réalisés en puissance de calcul ont permis à ces modèles de considérablement se développer, intégrant un nombre sans cesse croissant de données et de processus. Même s'il y a encore beaucoup de simplifications, et que certains phénomènes, de par leur petite taille à l'échelle du modèle, ne sont pas pris en compte, ces modèles globaux sont un net progrès. Ils ne sont certes pas suffisamment affinés pour vérifier avec précision ce qui se passera dans les prochains jours, mais ce n'est pas leur fonction. D'autres sont destinés à une étude régionale ou sur un futur proche (Lire l'article: Expédition en trois dimensions). Dans le cas présent, l'intérêt est de vérifier des hypothèses sur le très long terme