CANAL-U

Texte de la 202e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 20 juillet 2000.

Les fleuves sous les mers, courants et marées

par Jean-François MINSTER

Je commencerai par une anecdote : la première carte du Gulf Stream a été dessinée en 1777 par Benjamin Franklin. La raison en est étonnante. À l'époque, Benjamin Franklin était directeur des Postes, en Amérique qui était encore une colonie. Il avait constaté que les navires qui transportaient le courrier d'Angleterre vers l'Amérique mettaient à peu près deux semaines de plus que pour le trajet du retour. Il a alors interrogé un de ses cousins qui était pêcheur à la baleine et qui lui a expliqué qu'un courant coulait au large, le long des côtes d'Amérique. Benjamin Franklin a alors demandé à tous les navires faisant le trajet entre les deux continents de faire le point par rapport aux étoiles, de relever leur loch, c'est-à-dire la trajectoire du navire par rapport à l'eau et d'estimer la différence afin d'en déduire une carte des courants. Petit à petit, il a constitué la première carte du Gulf Stream. Il a alors demandé aux marins qui transportaient le courrier d'essayer toujours de partir depuis Boston vers le sud pour attraper le Gulf Stream, parce que, disait-il, le Gulf Stream est un fleuve dans la mer qu'on ne peut pas manquer de trouver.

La carte du Gulf Stream de Benjamin Franklin était très simple : c'était juste une espèce de grand ruban à travers l'Atlantique. La question qu'on peut se poser aujourd'hui est de savoir où est le Gulf Stream, en réalité. Comment varie-t-il dans le temps ? À quelle vitesse et à quelle profondeur coule-t-il ? Combien d'eau transporte-t-il ? En fait, quand on se pose ces questions, on s'aperçoit qu'on n'a pas tellement de perception intuitive des océans.

Quelles sont les grandes raisons d'étudier l'océan ?

La première raison est liée aux transports de chaleur. L'unité utilisée est de 1015 Watts, un million de milliards de watts, ce qui représente cent fois le total de l'énergie produite par l'homme. Le transport de chaleur par la Terre est bien connu. Notre planète reçoit un excès de chaleur au niveau de l'équateur, c'est-à-dire qu'elle reçoit plus de chaleur du Soleil qu'elle ne perd de chaleur vers l'espace. C'est le contraire aux pôles. Cet excès, ou ce déficit, sont compensés par un transport de l'équateur vers les pôles. Celui-ci est effectué d'une part par l'océan et d'autre part par l'atmosphère, c'est-à-dire respectivement par les courants et par les vents - La Terre est en fait une gigantesque machine thermique.

Le transport total de chaleur est assez bien connu parce qu'on le détermine à partir d'observations depuis l'espace : on mesure à chaque latitude ce qui rentre, la quantité de chaleur du soleil, ce qui est réfléchi, et ce qui sort sous forme de chaleur infrarouge émise par la Terre (la Terre émet du rayonnement infrarouge comme vous et moi). On peut donc connaître  le bilan à chaque latitude, en déduire ce qu'il faut transporter pour équilibrer ce bilan. La courbe de transport par l'atmosphère est connue depuis la fin des années 70, parce qu'un modèle météorologique est en fait une représentation de l'atmosphère, qui permet de calculer la quantité de chaleur que celle-ci transporte. La différence entre les deux est a priori ce que fait l'océan. On trouve ainsi que l'océan et l'atmosphère jouent à peu près le même rôle.

Cette estimation a d'abord été faite par un des plus grands océanographes du siècle, Henri Stommel, en 1979. Ce résultat n'était à l'époque pas du tout évident : d'ailleurs, les ouvrages d'océanographie des années 50 expliquaient que l'océan joue un rôle minoritaire dans la machine climatique. En fait, Stommel, en 1979, a démontré que, pour décrire le climat, il fallait prendre en compte l'océan et l'atmosphère. Ceci dit, il faut réaliser que les erreurs sur ces estimations sont importantes : en 1979, elles étaient d'à peu près 100 % ! En outre, on ne peut se contenter de deux informations pour en déduire une troisième : il faut essayer de déterminer celle-là également, et savoir si notre connaissance du système est cohérente. C'est pour cette raison qu'à cette époque, la décision a été prise d'organiser une grande expérience pour étudier les courants océaniques, et déterminer leur transport de chaleur. Cette grande expérience s'est appelée WOCE (World Ocean Circulation Experiment). Il nous a fallu dix ans de préparation, huit ans de réalisation pour atteindre ce résultat. Ce programme s'est appuyé sur l'activité de près de quarante pays.

D'autres questions concernent les courants océaniques : par exemple, ils affectent la production primaire annuelle, c'est-à-dire la quantité de carbone fixée par l'activité biologique dans l'océan de surface. On la mesure depuis l'espace en observant la « couleur de la mer », l'océan étant plus vert quand il y a du plancton. Celui-ci est le premier terme du cycle de la vie dans l'océan. Le chiffre global est de 38 milliards de tonnes de carbone par an, du même ordre que la quantité de carbone fixée par la biomasse continentale.

La répartition de la production primaire océanique n'est pas quelconque. Il y a des zones où la production de biomasse est extrêmement faible, par exemple dans l'océan sud, ou en mer des Sargasses. On se souviendra en passant, qu'au cours des années 70, on pensait que l'océan allait nourrir l'humanité, et qu'il y avait suffisamment de production de plancton pour qu'il y ait d'énormes stocks de poissons dans l'océan sud. On sait aujourd'hui que celui-ci n'est pas le réservoir d'aliments de l'humanité. On sait aussi que l'homme surexploite les stocks de poissons dans l'océan, au point qu'il y a réduction progressive, depuis une dizaine d'années, de la quantité de poissons pêchés. Une des questions sous-jacentes, c'est de réguler cette pêche, ce qui nécessite de comprendre comment fonctionne l'activité biologique dans les océans, et comment se renouvellent les stocks de poissons. Or cela dépend au premier ordre de la répartition des courants, parce que ce sont eux qui transportent les sels nutritifs (nitrates par exemple) qui alimente le plancton.

Troisième raison d'étudier l'océan : c'est un milieu d'activité économique. En particulier, la grande majorité du pétrole est transportée par voie maritime. En outre, plus de la moitié de la population du globe vit à moins de 30 km des côtes parce que les activités économiques dans les zones littorales sont importantes, parce que le climat y est préférable, et parce que le transport par mer est important. Connaître les courants est important pour cette activité, parce que ce sont eux qui dispersent les polluants, ou parce que les courants affectent les transports maritimes ...

L'océan est variable

L'océan est un milieu variable.

À titre d'exemple, si on examine la température de la surface de la mer, de 1980 à 1998, près des Galapagos, on observe des anomalies de température allant de 0 à 4 degrés. C'est une des signatures du fameux phénomène d'El Niño. Quatre degrés d'anomalie peut paraître bien faible, sauf que la moitié de la surface de la Terre est comprise entre 30 degrés de latitude nord et sud, que le Pacifique couvre le tiers de la circonférence de la Terre, et enfin qu'une anomalie comme celle-là se fait sentir sur 100 à 200 mètres d'épaisseur.

On peut observer bien d'autres variations de l'océan. On peut citer par exemple le cas de l'oscillation décennale de l'océan Atlantique Nord : à cause d'un réchauffement temporaire, il y a fonte des glaces de mer en mer Arctique, ce qui apporte de l'eau douce à l'océan et on peut suivre le devenir et la trajectoire de cette anomalie de salinité au cours du temps. Celle-ci s'est par exemple propagée vers le sud de la mer du Labrador en 1968,  puis est repartie vers le nord est avec le Gulf Stream, en 1974. La boucle se referme en une dizaine d'années. Elle s'accompagne d'anomalies de la température de l'océan, et se traduit par des anomalies du climat au-dessus de l'Europe : quand l'état de l'océan est anormalement chaud, le système dépressionnaire y est anormal.

Évidemment, une des grandes questions que nous nous posons, ce sont les conséquences de l'effet de serre. Depuis 1860 jusqu'à maintenant, la température s'est élevée d'à peu près 0,6 degré. Quand on calcule ce qui se passe à l'aide d'un modèle de climat, c'est-à-dire une simulation numérique représentant l'état de l'atmosphère en relation avec l'océan, les glaces de mer et la biosphère, et que l'on injecte du gaz carbonique et des aérosols dans l'atmosphère, la courbe de réchauffement que calculent ces modèles ressemble beaucoup aux observations. Cela ne démontre pas complètement que le réchauffement observé est une conséquence du gaz carbonique, mais c'est une indication qu'il est la cause probable. L'océan joue un rôle clé dans tout ce système.

Comment étudier l'océan

Tout cela fait que nous voulons comprendre l'océan, décrire les courants et les observer dans la durée. Voyons tout d'abord à quoi ils ressemblent. Une carte d'atlas géographique montre généralemen que les courants en surface forment de grandes boucles, comme celle du Gulf Stream ou que le courant Antarctique Circumpolaire tourne autour du continent Antarctique etc... Il faut retenir en outre que l'océan est également parcouru de courants profonds. De façon schématique, l'océan se refroidit en surface dans l'Atlantique nord ; l'eau devient lourde, coule en profondeur, s'écoule au fond de la mer et revient en surface un peu partout dans l'océan, notamment dans l'océan Indien et l'océan Pacifique. En surface, sous l'effet de la chaleur du Soleil l'eau se réchauffe et revient vers l'Atlantique nord. En réalité, la trajectoire d'une particule d'eau est extrêmement complexe et met du temps : à partir de l'océan Atlantique nord, elle se retrouve dans le Pacifique nord entre 1 000 à 1 500 ans plus tard. Les transports de chaleur dans l'océan sont réalisés autant par les courants profonds que par les courants de surface.

Il nous faut donc étudier l'océan dans sa totalité, en surface comme au fond, et dans la durée. Comment s'y prendre ? Pour l'expérience WOCE, nous avions défini un programme d'observations hydrographiques. C'est le premier outil de l'océanographe, qui consiste à envoyer des navires en mer qu'on s'arrête tous les 15 à 30 km ; on déploie alors des engins au bout d'un treuil qui permettent de mesurer les caractéristiques de l'eau (température, salinité), jusqu'au fond. Chaque station prend quelques heures. Puis le navire fait route, s'arrête à nouveau pour effectuer une nouvelle station. Pour une campagne au travers de l'océan Pacifique sud, il faut deux mois. Ce premier outil de l'océanographie est indispensable. Par exemple, on peut ainsi cartographier les variations de salinité dans l'océan : dans les 1 000 premiers mètres, l'eau est très salée dans la zone équatoriale en surface parce que c'est une zone d'évaporation ; il y fait chaud, et l'eau s'évapore. En revanche, plus près des pôles, l'eau est moins salée, tout simplement parce qu'il pleut beaucoup, ce qui apporte de l'eau douce. L'eau douce est transférée par l'atmosphère de l'équateur vers les pôles. Bien sûr, il faut bien ramener de l'eau peu salée des pôles vers l'équateur ; ce sont les courants qui s'en chargent.

Cela ne suffit pas : à l'évidence, on ne peut pas observer l'océan dans la durée à l'aide de campagnes hydrographiques. La première idée consiste à équiper les navires marchands avec des sondes perdables et automatiques : ce sont des petits poissons à partir desquels une bobine de fil de cuivre se dévide pendant que le poisson tombe dans l'eau ; sur la tête du poisson, un capteur mesure la température de l'eau, tandis que la vitesse de chute fournit la profondeur. On largue chaque année des milliers de poissons de ce type. La carte des lignes ainsi équipées est relativement dense, mais encore insuffisamment. D'autre part, la température n'est qu'un des paramètres à observer. Enfin ces sondes ne marchent que pour les 800 premiers mètres d'eau.

On peut imaginer de laisser des instruments dans l'eau ; cela s'appelle des mouillages. Une gueuse est installée au fond de l'eau. Une ligne est tirée vers la surface par des flotteurs. Sur le câble, on accroche des instruments, par exemple des « courantomètres » qui mesurent la vitesse des courants dans l'eau. Un mouillage a une durée de l'ordre de 2 à 3 ans. Leur nombre des mouillages est assez faible. En réalité, le seul endroit où on a pu déployer une observation systématique de ce type est l'océan Pacifique tropical. Deux navires servent à relever cet ensemble de 80 mouillages et à le maintenir en l'état. L'enjeu en vaut la peine, parce que c'est la zone où se passe le phénomène El Niño, dont la prévision a un impact économique tel que cela rembourse largement le système d'observation.

Puisque ce sont les navires qui coûtent cher, il faut construire des engins qui fonctionnent tout seuls. La première idée a été de déployer des bouées à la surface de la mer que l'on positionne chaque jour par le système Argos. On trouve en permanence environ 2 000 bouées de ce type qui dérivent avec les courants. Elles ont une durée de vie de 4 à 5 ans. Encore une fois, l'échantillonnage est loin d'être complet.

On aimerait bien avoir la même chose en profondeur. Les océanographes ont inventé quelque chose d'extraordinaire : il s'agit de bouées que je vais appeler « yo-yo ». Ce sont des bouées dont on est capable de faire varier la densité grâce à une petite pompe qui transfère de l'huile d'un réservoir dans un autre, le deuxième réservoir pouvant se gonfler ou se contracter. La bouée ne change pas de poids mais de volume ; quand elle augmente de volume, elle diminue de densité et va se mettre à flotter, et vice versa. On sait ainsi contrôler la profondeur à laquelle va couler la bouée où elle va dériver avec les courants. On sait programmer la remontée de la bouée, qui va alors faire un profil de mesures dans l'eau, jusqu'à la surface ; elle va alors transmettre ses données par satellite. Puis elle recommence. Une telle bouée a une durée de vie d'environ 4 ans. Le projet que nous développons à l'échelle mondiale (il y a déjà 13 pays qui se sont engagés dans cette aventure) est d'en déployer 3 000 dans tout l'océan en 2003 et 2004.

A quoi peuvent ressembler les trajectoires de ces bouées ? C'est là qu'on découvre la complexité de l'océan. En effet, les courants de l'océan sont turbulents comme le sont les vents dans l'atmosphère. A un moment donné, en un lieu donné, le courant peut aller dans n'importe quelle direction, en surface comme en profondeur. On ne peut donc pas se contenter de faire des points d'observation de temps en temps : il nous faut, pour comprendre le climat, des observations denses permettant d'identifier et de filtrer les fluctuations aux plus petites distances dans l'espace et le temps.

On utilise pour cela les satellites. En effet, la grille d'observation d'un satellite consiste par exemple en un point de mesure tous les 7 km le long de son orbite, ce qui correspond à une mesure toutes les secondes. Une telle grille est remplie en quelques jours. En outre, un satellite fonctionne plusieurs années. Par exemple, le satellite TOPEX/POSEIDON a été lancé en 1992, et fonctionne toujours. Il sera relayé en 2001 par son petit frère, appelé JASON. Ce satellite est placé sur son orbite à 1 330 km d'altitude ; il embarque un radar qui mesure la distance à la surface de la mer avec une précision de 2 cm. Il faut en outre savoir où est le satellite sur son orbite : on calcule celle-ci par rapport au centre de la Terre à 3 cm près. Par différence entre ces 2 mesures, on est capable de calculer la hauteur de la mer par rapport au centre de la Terre. En moyennant les mesures, la précision est extrême. Pour en donner une idée, de 1992 jusqu'à l'an 2000 (soit environ 2 500 jours d'observation), on observe une variation de hauteur moyenne de la mer de 1,5 mm/an !

Voilà donc le deuxième outil, les satellites, grâce auxquels on mesure aujourd'hui en routine un très grand nombre de paramètres : les courants, mais aussi les marées, la température de la mer, le vent, l'étendue des glaces de mer, la répartition du plancton... L'avantage des satellites, c'est qu'on mesure ces paramètres en continu, globalement, de façon répétée et homogène.

On dispose enfin de la simulation numérique : aujourd'hui, on connaît suffisamment bien le fonctionnement de l'océan (c'est-à-dire les équations qui décrivent les courants) pour représenter l'état de l'océan sur ordinateur. On dispose de puissances de calcul suffisantes pour faire ces calculs au moins à l'échelle d'un océan comme l'Atlantique.

Les océanographes ont donc trois outils : les données in situ, les données satellites (les courants observés depuis l'espace), les modèles numériques. Ils ont donc la possibilité d'avoir trois estimations des transports par les courants, en particulier des transports de chaleur dans l'océan. Aujourd'hui, après l'expérience WOCE, les trois estimations sont convergentes, avec une erreur de 20 % à 30 %. Ils pensent donc aujourd'hui connaître suffisamment bien les courants et l'océan pour penser au futur.

Le futur, c'est de prévoir

Il faut prévoir l'état des courants demain pour savoir comment ils vont changer, que ce soit pour les applications économiques, ou pour l'étude du climat de demain s'il y a un réchauffement climatique. Pour ce faire, il faut un outil et une nouvelle logique de travail. Il faut en effet une représentation des courants, c'est-à-dire des modèles numériques parce que c'est le seul outil qui permette de faire des prévisions. Simplement, le modèle numérique ne sera jamais complètement réaliste parce que l'océan est chaotique, et que les courants sont imprévisibles au delà d'une certaine échéance. Par conséquent, il faut sans cesse des observations pour caler l'état du modèle, comme on le fait dans la prévision météo. L'outil pour caler l'état du modèle s'appelle « l'assimilation de données » : cela veut dire que le modèle numérique assimile l'information des observations. Celle-ci est un calcul lourd, à peu près dix fois plus lourd que le modèle numérique lui-même ; il faut donc pour cela des ordinateurs de la prochaine génération.

À partir de là, le modèle devient réaliste et permet de faire la prévision des courants. Cette prévision n'est pas intéressante en soi : ce que veut le client, c'est quelque chose d'utile pour lui. Le militaire veut un champ de propagation acoustique pour détecter son sous-marin ; la marine marchande veut une carte de courants pour savoir où elle doit faire sa route ; l'aménageur veut savoir où il peut vider sa barge pleine des déchets, pour éviter de polluer une frayère ou les côtes.... Donc, il faut transformer cette prévision des courants en information utilisable par les utilisateurs.

Aujourd'hui, on sait faire des prévisions de l'évolution de la température lors d'un phénomène El Niño à des échéances de trois à six mois. La situation de 1997-98 a d'ailleurs été correctement prévue. Notez qu'il y a une grande différence entre la prévision météorologique et la prévision du climat. Dans ce dernier cas, on ne cherche pas nécessairement à savoir s'il y aura une anomalie à tel endroit de l'océan près de telle île, mais plutôt à savoir si, dans l'ensemble, il fera plus chaud ou plus froid. C'est donc une prévision statistique qui est faite : on fait pour cela beaucoup de simulations et on étudie la moyenne statistique des réalisations.

On sait également prévoir les courants océaniques à l'échelle du mois. Ainsi, à Toulouse, le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine fournit des prévisions du champ de courants dans l'Atlantique nord-est. Ces prévisions sont fournies aux navires océanographiques ou aux militaires. On commence alors à envisager des applications pratiques. Par exemple, une société de services vend des anomalies de courants aux pêcheurs, lesquels s'en servent pour mieux savoir où aller pêcher en particulier dans le détroit du Mozambique - il ne s'agit pas de pêcher plus mais de pêcher à moindre frais en allant directement là où il doit y avoir des thons.

Nous sommes donc aujourd'hui en train de construire les outils de la prévision océanique. Tous les techniques sont maîtrisées, mais il faut les transformer en une réalité concrète, utilisable par tous. Il nous faut donc devenir opérationnel. Et c'est ce à quoi nous travaillons.