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FAQ - Océan

Quelles sont les variations actuelles du niveau de la mer ? Observations et causes.

Alix Lombard et Bruno Voituriez - février 2007.


Compte tenu des concentrations humaines dans les régions côtières et dans les îles l’élévation probable du niveau de la mer est un véritable défi pour ce siècle en raison du changement climatique que l’on sait maintenant inéluctable même si l’on peut encore espérer en limiter l’ampleur par des politiques mondiales appropriées.


Les causes des variations du niveau moyen des océans

Ce qui détermine d’abord le niveau de l’océan c’est évidemment la masse d’eau qu’il contient exactement comme la quantité d’eau dans une casserole. C’est ensuite sa température moyenne qui détermine son degré de dilatation c’est à dire son volume. Les variations du niveau des océans dépendent donc de celles de sa température et des quantités d’eau qu’il échange avec les autres réservoirs d’eau de la planète : les glaciers, les calottes polaires(Groenland, Antarctique) et les eaux continentales(rivières, lacs, etc…). L’augmentation planétaire en cours et à venir de la température de la Terre ne peut qu’induire une élévation de ce niveau puisqu’elle échauffe l’océan et fait fondre glaciers et calottes polaires. D’où la nécessité de la détecter et d’en suivre l’évolution de manière à en évaluer l’ampleur à venir. Détecter c'est-à-dire mesurer : il n’ y a pas d’autres sources de connaissance. Ce fut le travail d’Alix Lombard d’analyser toutes les mesures directes et indirectes de variations du niveau de l’océan pour en évaluer l’importance, en analyser les causes et la répartition géographique.

 

La mesure directe des variations du niveau de la mer.

La marégraphie
La manifestation la plus visible de variations du niveau de la mer, c’est la marée. D’où les marégraphes installés dans les ports qui permettent d’établir les «annuaires des marées» indispensables à la navigation côtière. On peut filtrer et éliminer le signal de la marée pour accéder au niveau moyen de la mer. En le moyennant pour éliminer les variations thermiques saisonnières on peut suivre les variations du niveau de la mer d’une année à l’autre, en un point. C’est à partir de ces mesures marégraphiques à travers le monde que l’on a pu faire une première évaluation de l’élévation du niveau de la mer au cours du 20ème siècle jusqu’à l’avènement des mesures satellitaires en 1992 : environ 17 cm soit en moyenne à peu près 1,7 mm/an. La répartition spatiale des marégraphes n’est pas idéale et même s’il y en a dans des îles la couverture mondiale est très faible. De plus liés à la terre ils en suivent les éventuels mouvements verticaux qui faussent la mesure.

 

L’altimétrie satellitaire.
La mesure directe depuis l’espace permet :

  1. la continuité dans le temps : le satellite revient régulièrement sur sa trace, 

  2. la couverture de la totalité de l’océan et 

  3. une mesure absolue par rapport à un géoïde (surface équipotentielle) de référence auquel toutes les mesures sont rapportées. 

On dispose ainsi en tout temps et en tout lieu de mesures absolues des variations du niveau de l’océan. Le principe en est simple si la réalisation ne l’est pas et si les corrections sont nombreuses pour extraire du signal la précieuse mesure du niveau de la mer. Il s’agit d’un radar embarqué sur un satellite qui envoie à la verticale une impulsion dont le temps de trajet aller et retour satellite-ocean-satellite dépend de la distance du satellite à la surface de l’océan. Pour peu que l’on connaisse avec précision l’orbite du satellite on en déduit tout le long de la trace du satellite les variations du niveau de la surface des océans par rapport au géoïde de référence. Les mesures précises (à mieux que 1 cm) ont commencé avec le satellite Topex/Poseidon qui, lancé en août 1992, est resté opérationnel jusqu’en janvier 2006. La suite a été prise par Jason 1 lancé en décembre 2001 et l’on espère que Jason2 sera lancé à temps pour qu’il n’y ait pas d’interruption des mesures lorsque Jason1 arrivera au terme de sa mission. Les mesures de Topex/Poseidon et Jason1 ont permis de mettre en évidence une augmentation de la vitesse de l’élévation du niveau moyen des océans : elle a été de 3,3 mm/an entre 1993 et 2006. Autre résultat remarquable : les observations par satellite ont révélé pour la première fois que le niveau de la mer ne monte pas de manière uniforme.

 

L’évaluation des causes.

L’expansion thermique des océans.
Il n’existe malheureusement pas de capteurs satellitaires permettant de sonder les couches internes océaniques et d’en mesurer la température ; les satellites ne donnent accès qu’à la température de surface. Ce sont néanmoins les systèmes satellitaires qui ont permis de s’affranchir des navires et de déployer dans tout l’océan des systèmes de mesure in situ autonomes : mouillages fixes ou systèmes dérivant localisés par satellite qui transmettent les données qu’il récoltent par satellite également. Ainsi dans le cadre du programme Argo ce sont actuellement environ 2800 systèmes dérivants qui sont déployés dans tout l’océan entre 2000 et 3000 mètres de profondeur et qui, tous les dix jours, montent en mesurant la température et la salinité de toute la colonne d’eau jusqu’à la surface où ils sont localisés et transmettent les données recueillies. Ils replongent ensuite à leur niveau d’immersion jusqu’à la prochaine excursion vers la surface. Les mesures des variations thermiques de l’océan se font ainsi, espère-t-on, de plus en plus précises. Entre 1955 et 2003 la vitesse de l’élévation moyenne du niveau de la mer due à l’expansion thermique a été évaluée à 0,4 mm/an avec une très forte accélération en fin de période puisqu’elle a été de 1,5 mm/an entre 1993 et 2003. Soit la moitié de la vitesse mesurée pour la même période par l’altimétrie satellitaire.

 

Les «transferts de masse».
Une première manière de les évaluer est de faire simplement la différence entre les variations mesurées du niveau de la mer et celles attribuées à l’expansion thermique.

 

Ainsi entre 1955 et 2003 l’apport d’eau douce à l’océan correspondrait à :
1,8 (élévation du niveau de l’océan) - 0.4(expansion thermique) = 1,4 mm/an 
et entre 1993 et 2003 à
3,1 (élévation du niveau de l’océan) - 1,5(expansion thermique) = 1,6 mm/an


Autrement dit une contribution a peu près constante d’environ 1,5 mm/an.
Il serait désinvolte et peu scientifique de s’en tenir à cela. Grâce aux mesures et observations directes «in situ» et aux instruments aéroportés et satellitaires (radars, altimètres) on a pu faire des «bilans» des glaciers et des calottes polaires qui aboutissent aux évaluations suivantes de la contribution des glaces continentales à l’élévation du niveau de la mer pour la période 1993- 2006 :


Glaciers de montagne.... 0,8  mm/an
Groenland..................... 0,3  mm/an
Antarctique……………... 0,1  mm/an
Total…………………….. 1,2  mm/an au lieu des 1,6 déduits du bilan précédent pour à peu près la même période.


La différence est suffisamment grande pour que l’on s’interroge sur ses causes ce qui oblige à une analyse critique des données et de leur traitement et/ou la recherche du chaînon manquant. 

On doit s’interroger sur les données de température de l’océan : l’échantillonnage spatial est très hétérogène et l’on ne considère, faute de mesures suffisantes en profondeur, que les 700 premiers mètres. On ne prend pas non plus en compte les variations de la salinité dont l’influence sur le volume d’eau n’est peut-être pas négligeable. On apprécie mal, faute de longues séries de mesures et de méthodes de validation éprouvées les incertitudes sur les évaluations des glaciers et calottes polaires. Enfin chaînon manquant possible : la variation de la masse des eaux continentales(fleuves, lacs, nappes souterraines, neige, humidité des sols etc...) ignorées.


Nouveaux instruments de mesure : nouveaux progrès, nouvelles difficultés.

Les variations et déplacements de masse sur Terre se traduisent par des variations du champ de gravité. A l’inverse, des modifications du champ de gravité on peut déduire les mouvements de masse sur Terre. C’est l’objectif de la mission satellitaire Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) lancée en mars 2002. Elle est constituée de deux satellites identiques lancés sur la même orbite et qui se suivent à environ 200Km de distance. Des variations relatives, l’un par rapport à l’autre, de leur trajectoire on peut déduire les variations du champ de gravité et donc des masses survolées. Cela vaut pour l’océan, cela vaut pour les calottes glaciaires cela vaut aussi pour les eaux continentales. 

Les eaux continentales
C’est une nouveauté : avec Grace on obtient pour la première fois une évaluation des variations du stock d’eau sur les continents. Résultat une perte correspondant à une vitesse d’élévation du niveau de la mer de 0,2 mm/an de 2003 à 2006 qui pourrait combler une partie de l’écart noté au paragraphe précédent.

Les calottes polaires.

Entre 2002 et 2006 le Groenland a perdu l’équivalent de 0,38 mm/an à comparer aux 0,3 mm/an précédents entre 1993 et 2006. Accroissement réel du taux de diminution de la calotte groenlandaise ou simplement une meilleure évaluation qu’avec les méthodes précédentes ? Nul ne peut encore répondre : la période de mesures avec Grace est trop courte pour une réelle inter comparaison des méthodes d’évaluation.
Pour l’Antarctique et pour la même période 2002- 2006 on trouve l’équivalent de 0,18 mm/an contre 0,1 mm/an sur la période 1993-2006 avec les mêmes interrogations sur la signification de l’augmentation ainsi constatée que pour le Groenland.

L’océan lui-même.
Les mesures de Grace concluent à un accroissement de la masse océanique correspondant à une élévation du niveau de l’océan de 1,3 mm/an entre 2002 et 2006. 

Chiffre à comparer à la somme des contributions : 

Eaux continentales (0,2) + Calottes polaires (0,56) + glaciers( ?). 

Grace ne permet pas d’estimer la composante due aux glaciers que l’on peut alors calculer par différence : 

1,3 - (0,2+0,56) = 0,54. 

Valeur plus faible que celle donnée ci-dessus (0,8) pour la période 1993-2006. 

 

D’où à nouveau la question angoissante : diminution réelle ou incertitude sur les mesures ? A laquelle là aussi on ne pourra répondre que si l’on dispose de mesures sur des périodes suffisamment longues pour les inter comparer et les valider.

 

Par différence encore entre les variations du niveau de la mer mesurées par les satellites Topex/Poseidon et Jason1 (3,3 mm/an entre 1993 et 2006, 3,1 mm/an entre 2002 et 2006) et la valeur déduite de la variation de la masse océanique donnée par Grace (1,3 mm/an entre 2002 et 2006) on calcule l’élévation du niveau de la mer due à l’expansion thermique pour la période 2002-2006 : 1,8 mm/an. Valeur que l’on s’empresse de comparer à celle calculée à partir des mesures de température océanique pour constater hélas que rien ne va plus car l’évolution des températures indiquent cette fois un refroidissement des couches de surface depuis 2003 donc une diminution de la composante stérique bien loin des +1,8 mm/an !
Cent fois sur les données remettez votre ouvrage analysez et réanalysez sans cesse et vous finirez par trouver l’erreur. Tel est le dur labeur de qui veut comprendre l’évolution de notre planète. Il n’y a pas à ce jour d’explication acquise à cette importante et très surprenante divergence observée mais il y a une piste : la montée en puissance du programme Argo (cf supra) qui a introduit un nouvel instrument de mesure et transformé radicalement l’échantillonnage des températures des couches superficielles de l’océan. 

Le déploiement des flotteurs Argo a démarré lentement en 2000 et n’a cessé de s’accélérer ensuite. Actuellement on compte environ 2800 flotteurs opérationnels dans tout l’océan. Il en résulte que les régions océaniques qui étaient sous échantillonnées auparavant (l’océan austral par exemple) l’ont été progressivement de mieux en mieux au cours de la période 2000-2006. La décroissance observée du contenu thermique depuis 2003 pourrait n’être que le réajustement progressif au fur et à mesure du déploiement des flotteurs Argo du contenu thermique vers une valeur plus exacte que celle calculée avant le démarrage du programme Argo. Pas un changement dans l’évolution de l’expansion thermique , simplement une meilleure évaluation de celle-ci. Il peut y avoir aussi des problèmes de correction et de dérive instrumentale des flotteurs que l’on ne pourra réellement tester que lorsque l’on pourra faire une comparaison avec les données traditionnelles ce qui peut prendre du temps car à la différence des données Argo qui sont disponibles en temps réel, elles ne sont accessibles que longtemps après leur collecte.

 

Les différences géographiques du taux de variation du niveau de la mer.

La comparaison de l’océan avec une bassine contenant plus ou moins d’eau plus ou moins chaude a ses limites. L’océan n’est pas statique : il a une dynamique et les courants océaniques nés des interactions et échanges entre l’océan et l’atmosphère se traduisent par des variations du niveau de la mer. Plus un courant est intense et plus il lui correspondra une pente de la surface de la mer importante. Ainsi dans le Gulf Stream a-t-on observé des dénivellations de 1mètre sur 100 km !. L’objet premier des satellites Topex/Poseidon et Jason 1 est justement de déduire les courants océaniques et leurs variations des mesures du niveau de la mer. Si l’on a observé entre 1993 et 2006 un taux moyen de 3,3 mm/an il a été proche de 20 mm/an dans le Pacifique intertropical ouest et à l’inverse de -10 mm/an dans le Pacifique est. Cela reflète les variations des grandes circulations océaniques associées aux variations du système climatique dominées par le couplage entre océan et atmosphère. Il peut s’agir d’oscillations climatiques pseudo périodiques comme El Niño ou la PDO(Pacific Decadal Oscillation) dans l’océan Pacifique et la NAO(North Atlantic Oscillation) dans l’Atlantique. Il peut s’agir aussi de tendances à long terme dues au changement climatique mais que nous ne sommes pas encore en mesure de discriminer faute, une fois encore, de disposer de mesures sur des périodes suffisamment longues.

Conclusions


Les observations et les mesures sont à la source de notre connaissance du système Terre. Elles recèlent un trésor : c’est par elles que nous pouvons réduire nos incertitudes sur son fonctionnement et son évolution future. Encore faut-il pouvoir en disposer sur des temps suffisamment longs imposés par les échelles caractéristiques de sa variabilité et non des échéances électorales.  

Les enjeux climatiques valent bien maintenant ceux de la météorologie et pourtant alors qu’il existe des systèmes d’observations météorologiques dont la pérennité est garantie aux niveaux national et international les systèmes d’observation climatique (des glaces et des océans évoqués ici par exemple) fonctionnent au coup par coup. Rien ne garantit qu’il y aura continuité des mesures d’altimétrie après Jason 2 ; Grace prévu pour cinq ans peut ne pas avoir de successeur en dépit de ses résultats spectaculaires ; la poursuite du programme Argo est suspendue aux crédits de laboratoires de recherche et non d’agences opérationnelles. 

 

D’où ces conseils :

De La Fontaine aux chercheurs face à leurs « champs » de données :

Travaillez, prenez de la peine :
C'est le fonds qui manque le moins.

………………………………………………
Creusez, fouillez, bêchez ; ne laissez nulle place
Où la main ne passe et repasse.

De Lemierre aux décideurs face à leur «horizon» électoral :

Croire tout découvert est une erreur profonde ; c'est prendre l'horizon pour les bornes du monde.