L'océan et la machine climatique.

L'océan et la machine climatique. Julien Le Sommer Mercredi 26 septembre 2012, Museum de Grenoble.

L'océan global : une composante clef de la machine climatique. Mercredi 26 septembre 2012, Museum de Grenoble. Julien Le Sommer, chargé de recherche au CNRS, julien.lesommer@legi.grenoble-inp.fr

De quoi parle-t'-on aujourd'hui? (1/2) Le temps qu'il fait. Le climat temps : comportement évènementiel (échelle de quelques jours à une saison) climat : comportement moyen de l'atmosphère sur plusieurs décennies (~30 ans) On s'intéresse ici aux échelles de temps de l'évolution du climat actuel.

De quoi parle-t'-on aujourd'hui? (2/3) Anomalies de température de surface moyenne par rapport à la période 1961-1990 Source: Brohan et al. (2006, updated 2008). On distinguera donc : La variabilité inter-annuelle : les fluctuations d'une année à l'autre. Les tendances climatiques : les variations sur une échelle > 10 ans. Notons au passage que le climat actuel change effectivement et que l'activité humaine est largement responsable de ces changements

De quoi parle-t'-on aujourd'hui? (3/3) L'océan couvre 70% de la surface de la Terre. 97% de l'eau de la Terre se trouve dans l'océan. Quel est le rôle de l'océan dans le bilan thermique de la Terre? stockage et redistribution de la chaleur Quel est le rôle de l'océan dans le cycle du carbone global? stockage et échange de carbone avec l'atmosphère Quel rôle joue l'océan dans les changements actuellement observés? régulateur des fluctuations climatiques? Comment ces questions sont-elles abordées par les chercheurs?

Plan de l'exposé I. : faits généraux et bilans de grande échelles II. : circulation océanique et mécanismes-clefs III. Exemple du rôle de l'océan Austral sur le changement global

Plan de l'exposé I. : faits généraux et bilans de grande échelles II. : circulation océanique et mécanismes-clefs III. Exemple du rôle de l'océan Austral sur le changement global

L'océan régulateur du climat (1/4) (Vallis 2012) le cycle annuel de température varie en fonction du degré d'influence océanique sous l'influence de l'océan : l'amplitude est moindre et le maximum est retardé

L'océan régulateur du climat (2/4) Retard du maximum de température par rapport au maximum d'insolation (Styne et al. 2009) le retard du maximum est directement lié au stockage de chaleur. là où l'océan stocke de la chaleur, le retard est plus grand.

L'océan régulateur du climat (3/4) La capacité thermique de l'océan de surface dépasse largement celle des continents. Quelques mètres d'océan peuvent stocker plus de chaleur que l'atmosphère. Ceci est en particulier du à l'existence de la couche de mélange océanique.

L'océan régulateur du climat (4/4) Changement de contenu thermique des compartiments du systeme Terre entre 1961 et 2003 (IPCC AR4) L'océan «absorbe» l'essentiel du réchauffement global des dernières décennies

L'océan et le cycle du carbone (1/4) la température terrestre résulte de la compétition entre les radiations reçues du soleil et celles qui sont émises au sommet de l'atmosphère. Les radiations émises au sommet de l'atmosphère dépendent de la composition de l'atmosphère en «gaz à effet de serre». le dioxyde de carbone (CO2) est l'un des principaux gaz à effet de serre.

L'océan et le cycle du carbone (2/4) La concentration de CO2 dans l'atmosphère dépend de nombreux «compartiments».

L'océan et le cycle du carbone (3/4) Réservoirs et flux de carbone à l'échelle globale + 4 GtC/an Le cycle du carbone «naturel» est perturbé par l'activité anthropique. Près d'un tiers des émissions de CO2 anthropique sont in fine stockées dans l'océan Océan et atmosphère échangent continument de grande quantité de carbone.

L'océan et le cycle du carbone (4/4) on observe de grandes disparités régionales entre les régions sources / puits de CO2 l'océan austral et l'atlantique nord sont d'importants puits de CO2 pour l'atmosphère. au bilan, l'océan est un puits de CO2 pour l'atmosphère

L'océan redistribue la chaleur sur le globe (1/5) Radiation solaire au sommet de l'atmosphère les radiation solaires sont réparties sur un «disque» les radiations infrarouges émises sont réparties sur une sphère le bilan radiatif à la surface de la Terre dépendra donc de la latitude

L'océan redistribue la chaleur sur le globe (2/5) Radiation solaire au sommet de l'atmosphère les rayons du soleil arrivent sur Terre quasiment parallèle près des pôles, le rayonnement solaire reçu en moyenne est minimal près de l'équateur, le rayonnement solaire reçu en moyenne est maximal l'équateur reçoit donc plus d'energie de la part soleil que les pôles.

L'océan redistribue la chaleur sur le globe (3/5) Radiations «nettes» au sommet de l atmosphère Le rayonnement infrarouge émis par la Terre dépend de la température Les pôles sont en déficit net, la bande tropicale en surplus net. Ceci implique que l'énergie est redistribuée vers les pôles au sein du système Terre

L'océan redistribue la chaleur sur le globe (4/5) Sommet de l'atmosphère Interface air-mer Ce déséquilibre pôles/équateurs se retrouve aussi dans l'océan.

L'océan redistribue la chaleur sur le globe (5/5) Transport de chaleur vers le nord L'océan assure un tiers de la redistribution de chaleur vers les pôles

Conclusion intermédiaire : faits généraux et bilans de grande échelles L'océan tempère les variations climatique grâce à son inertie et sa capacité thermique L'océan modère l'impact anthropique sur le climat en stockant une fraction des émissions anthropiques de CO2. La circulation océanique de grande échelle participe de la redistribution de la chaleur à l'échelle du globe

Plan de l'exposé I. : faits généraux et bilans de grande échelles II. : circulation océanique et mécanismes-clefs III. Exemple du rôle de l'océan Austral sur le changement global

Bathymétrie des océans Profondeur moyenne : 3 700m ; profondeur maximale : 11 000m Un seul bassin circumpolaire : l'océan austral

Flux net de chaleur océan/atmosphère L'océan perd de la chaleur en atlantique nord, en gagne dans la bande tropicale.

La couche de mélange océanique Lieu des échanges de chaleur et de carbone entre l'océan intérieur et l'atmosphère. Elle concentre également l'essentiel de la production de biomasse de l'océan.

Couche de mélange, thermocline et abysses chaud léger froid lourd La densité est fonction de la température, de la salinité (et de la pression). L'eau froide est plus dense que l'eau chaude. L'eau salée est plus dense que l'eau douce. Les contrastes de densité sont le premier moteur de la circulation océanique globale.

Circulation océanique méridienne Les sites de convection profonde : (N) mer du Labrador, mer du Groenland (S) mer de Weddell, mer de Ross Comment les eaux denses remontent-elles à la surface?

Remontée des eaux denses (1/3) Si l'on mélange des eaux de densité différente, on modifie la position de leur centre de gravité Le mélange vertical à l'intérieur de l'océan participe ainsi à la remontée des eaux denses.

Remontée des eaux denses (2/3) En modifiant la circulation de surface, le vent dans l'hémisphère sud à pour effet de faire remonter les eaux denses.

Remontée des eaux denses (3/3) La circulation méridienne est «bouclée» par l'action conjointe du mélange et du vent dans l'hémisphère sud.

Circulation méridienne en atlantique Diagramme idéalisé de la circulation méridienne en atlantique Sud Nord

Circulation océanique globale La circulation globale redistribue de la chaleur vers les pôles.

Tourbillons océaniques (1/2) Instantané de courant de surface (Menemenlis 2005) A un instant donné, la circulation est en fait beaucoup plus complexe.

Tourbillons océaniques (2/2) Eaux froides Flux de chaleur associé aux tourbillons Eaux chaudes Echelle typique des tourbillons : ~50km Les tourbillons océaniques participent au transport de chaleur et de nutriments. Les inhomogénéités spatiales induites contrôlent la biodiversité océanique.

Conclusion intermédiaire Circulation océanique globale : description et mécanismes-clefs l'océan est essentiellement formé de la couche de mélange, de la thermocline et des abysses les contrastes de densité dus aux échanges de chaleur et d'eau douce à la surface de l'océan forcent la circulation globale la circulation globale est «équilibrée» par l'effet des vents dans l'hémisphère sud et du mélange vertical à l'intérieur de l'océan. des tourbillons de taille ~50km peuplent l'océan global et participent activement à sa circulation moyenne. la circulation globale est responsable de la redistribution de la chaleur vers les pôles dans l'océan.

Plan de l'exposé I. : faits généraux et bilans de grande échelles II. : circulation océanique et mécanismes-clefs III. Exemple du rôle de l'océan Austral sur le changement global

Circulation dans l'océan austral (1/2) Principaux courants de l'océan austral Un intense courant vers l'est : le courant circumpolaire antarctique concentré dans des fronts très marqués (front polaire, front subantarctique)

Circulation dans l'océan austral (2/2) Instantanée de courant de surface dans l'océan austral m/s L'océan austral est le lieu d'une intense activité tourbillonnaire

Tendance climatique dans l hémisphère sud Le mode annulaire austral et les vents d'ouest Les vents d'ouest sont de plus en plus intenses dans l hémisphère sud Impact sur la circulation océanique et le cycle du carbone?

Circulation méridienne dans l'océan austral (1/2) L'intensité du vent contrôle la remontée des eaux profondes.

Circulation méridienne dans l'océan austral (2/2) Eaux froides L'intensité du vent contrôle la remontée des eaux profondes. Les tourbillons océaniques s'opposent à cette remontée. Eaux chaudes

Le réchauffement de l'océan austral (1/2) Changement de température à 900m entre les années 30 et les années 2000. (Gille 2002) Bien que des eaux plus froides remontent à cause de l'augmentation des vents, l'océan austral se réchauffe. Une signature de la réponse des tourbillons?

Le réchauffement de l'océan austral (2/2) le réchauffement des eaux circumpolaires profondes pourrait affecter le taux de fonte des plateformes glaciaires antarctiques. Rupture du glacier de Mertz en 2010

Impact sur les flux air-mer de CO2 (1/3)

Impact sur les flux air-mer de CO2 (2/3) Les eaux profondes sont chargées en carbone inorganique dissous.

Flux moyens de CO2 Impact sur les flux air-mer de CO2 (3/3) Anomalie liée à l'augmentation des vents (Dufour et al. 2012) L'augmentation des vents induit un fort dégazage de CO2 dans l'océan austral.

Conclusion intermédiaire Exemple du rôle de l'océan Austral sur le changement global la géométrie de l'océan austral permet l'existence d'un intense courant circumpolaire qui participe à la circulation globale l'océan austral est sujet à une vive activité tourbillonnaire qui équilibre la circulation forcée par les vents d'ouest les vents d'ouest augmentent dans l'hémisphère sud en réponse au changement global le changement global induit un réchauffement de l'océan austral qui met en péril les plateformes glaciaires antarctiques. en réponse à l'augmentation des vents, l'océan austral dégaze du carbone issu des eaux profondes.

Conclusion

Ce qu'il faut retenir de cet exposé L'océan global : composante clé de la machine climatique L'océan joue un rôle de premier plan dans la machine climatique : - rôle modérateur des variations climatiques - rôle tampon des émissions de carbone anthropique - rôle de redistribution de la chaleur à l'échelle du globe Ces différentes fonctions climatiques de l'océan sont liées aux forts couplages dynamiques et thermodynamiques entre l'océan et les autres composantes du système Terre. Comprendre et prévoir les changements climatiques requiert des approches pluridisciplinaires mêlant observations, modélisation et descriptions théoriques de ces différentes composantes.

Ce dont nous n'avons pas parlé aujourd'hui Processus physiques océaniques: - le forçage de la la circulation de surface par le vent. - couplage dynamiques océan-atmosphère. - mécanismes de variabilité inter-annuelle, Océan et variations climatiques : - évolution du climat aux échelles de temps géologiques, - impact régional des changements globaux, - impact du changement climatique sur les écosystèmes, - pressions anthropiques sur les bandes côtières, - acidification des eaux de surfaces, - changements rapides en Arctique, - évolution du niveau des mers, - impact de la circulation méridienne sur le climat européen - évolutions des ressources halieutiques

Pour aller plus loin Cette présentation sera disponible sur ma page web dès demain. Suggestions de lectures : - Le climat à découvert : outils et méthodes en recherche climatique. sous la direction de C. Jeandel et R. Mosseri. CNRS Editions, 2011. - Les dessous de l'océan. L. Bopp et C. Dutertre. Ed. Le Pommier, 2012 - Climate and the oceans. G.K. Vallis. Princeton University Press, 2012. - Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report, Cambridge University Press, 2007. (voir également le prochain rapport en 2014) Des sites internet (fiables): - Le blog «Climats : réalités du changement climatique» par M. Desbois: http://blogs.tv5.org/climats/ - Le blog «Realclimate : climate science from climate scientists» : http://www.realclimate.org/

Vos questions...

Les modèles numériques en océanographie - température - salinité - courants Un modèle numérique en océanographie discrétisation de lois de conservation dynamique représentation de variables 3D dans des «boites» discrètes évolution temporelle du système

Composantes des modèles de projections climatique

Validation des projections climatiques Source : IPCC AR4

Evolution du niveau des mers au XXième siècle Note: Observed global average sea-level rise inferred from tide-gauge data (with 95 per cent confidence limits shown as blue shading) and satellite altimeter data. Sources: Church & White (2006); Holgate & Woodworth (2004); Leuliette at al. (2004).

Le réseau d'observations de l'océan (1/2) Le réseau global d'observation des océans (http://www.ioc-goos.org/) T,S,u,v mesures satellitaires océan de surface glace de mer mesures in situ navire océanographique réseaux autonomes

Le réseau d'observations de l'océan (2/2) Le réseau des flotteurs-profileurs ARGO (http://www.argo.ucsd.edu/)

Processus dans la couche de mélange

Circulation méridienne entretenue par le vent

Circulation méridienne entretenue par le mélange

Flux air-mer de CO2 anthropique

Bilan énergétique dans l'atmosphère

Transfert de chaleur vers l'océan

Evolution récente de la glace de mer en Arctique Arctic Ocean. (a) Sea ice extent 9/25/2007. Pink indicates the average extent for years 1979 2000. Source: From NSIDC (2007). (b) Sea ice concentration anomaly (%) for September 1998 2003 minus 1979 1997. Source: From Shimada et al. (2006). (c) Arctic sea ice extent in September (1978 2008), based on satellite microwave data. Source: From NSIDC (2008b); after Serreze et al. (2007).

Phénoménologie des polynies en Antarctique

Changement climatique et événements extrêmes Distribution, moyenne, variance...

Mécanismes impliqués dans les échanges air-mer de CO2 Pompes physiques et pompes biologiques de carbone atmosphérique

Diversité des types phytoplanctoniques 1µm 80µm 20µm variable 5µm Cyanobactéries : le plus petit organisme pratiquant la photosynthèse. Fixation d'azote Diatomées : squelette de silice ; très présent dans l'océan austral. Dinoflagellées : photosynthèse et prédation, eaux côtières Coccolithophore : squelette calcaire, utilisées pour les reconstructions paléoclimatiques Grande diversité génétique et fonctionnelle des types de phytoplancton chacun étant très adapté à un certain environnement.

Bloom phytoplanctonique Bloom phytoplanctonique au sud de la Cornouailles en 1999.

Circulation océanique de surface (1/2) Schéma de la circulation atmosphérique moyenne

Circulation océanique de surface (2/2) Les eaux de la thermocline sont directement mises en mouvement sous l'action des vents de surface. Leur mouvement s'organise en gyres océaniques de grande échelle (gyres subtropicaux et gyres subpolaires)

Tourbillons océaniques

Tourbillons océaniques

Un exemple de mode de variabilité couplée : ENSO (1/3) ENSO = El Nino + Southern Oscillation SO : bascule de pression entre deux régions de l'hémisphère sud EN : réchauffement des eaux de surface du pacifique est

Un exemple de mode de variabilité couplée : ENSO (2/3) ENSO : un mode de variabilité couplé océan - atmosphère

Un exemple de mode de variabilité couplée : ENSO (3/3) ENSO : un mode de variabilité couplé océan - atmosphère

Acidification des océans (1/2) Changement de ph des eaux de surface entre 1700 et 1990 induit par l'activité humaine (Source : GLODAP, WOA) L'augmentation du CO2 atmosphérique (due à l'homme) acidifie les océans.

Ratios of concentrations 1 Acidification des océans (2/2) 2- CO2 CO3 0,1 Recent ph range - HCO3 0,01 Expected change 0,001 4 5 acidic 6 7 8 ph 9 10 11 basic Impact sur les organismes dont le squelette est constitué de CaCO3 (coccolithophore, coraux...)