Dossier Océanographie opérationnelle

Mars 2005 - Mise à jour Avril 2010

L'émergence de l'océanographie opérationnelle

Inspiré d'un article publié par Raymond Zaharia dans  le Bulletin de la SFPT (Société française de photogrammétrie et télédétection) Ier semestre 1999.

Mars 2005 - Dernière mise à jour : Avril 2010

I - Qu'est-ce que l'océanographie opérationnelle?

II - Importance de l'Océan

III - La relation entre la circulation générale des océans et le climat
IV - Quelques enjeux de l'océanographie opérationnelle

I - Qu'est-ce que l'océanographie opérationnelle ?

L’océanographie opérationnelle se propose d’établir un système d’observations et de simulations numériques pour suivre et prévoir en continu le devenir de l’océan, comme la météorologie le fait quotidiennement pour la prévision du temps à l’attention du grand public et des professionnels. L’observation et la simulation de l’océan en temps réel rend possible la livraison régulière de bulletins océaniques comparables aux bulletins météorologiques mais à des échéances plus longues, de l’ordre de quelques semaines.

L’océanographie opérationnelle repose sur trois piliers :

• des mesures in situ de l’océan dans ses trois dimensions, réalisées par des navires ou des systèmes autonomes fixes ou dérivants,

• des mesures, à partir de plates-formes spatiales, de la topographie dynamique de la surface, mais aussi de la température de cette surface, du vent et d’autres paramètres qui doivent être observés en continu dans l’espace et le temps,

• des simulations de l’océan par des modèles numériques capables d’assimiler ces données pour obtenir l’image la plus réaliste possible de l’état de l’océan et prévoir son évolution.
   

Mercator Océan , expérience française d'océanographie opérationnelle est désormais capable de prédire   "l'Océan qu'il fera" : 

"Toulouse, mercredi 17 janvier 2001, matin. Les océanographes de l'équipe Mercator émettent leur premier bulletin de prévision océanique ; ils décrivent avec 15 jours d'avance l'état de l'Atlantique Nord et Tropical dans toutes ses dimensions : courants, température et salinité, en surface comme en profondeur. Il cartographient la position et l'intensité des grands courants transatlantiques comme le Gulf Stream, celles des anticyclones et dépressions océaniques qui en perturbent le cours, mesurent au nord la plongée dans les abysses des eaux de surface froides et salées, ou dans les tropiques le chassé-croisé des courants et contre-courants équatoriaux. Un océan d'hiver dans tous ses états comme on ne l'avait jamais vu..."

Cela parait simple, pourquoi ne l'a-t-on pas fait plus tôt? En réalité, cela implique une connaissance très approfondie du domaine océanique, la mise en œuvre de technologies de pointe pour  la mesure permanente des paramètres physiques de la mer et le développement de modèles numériques. 

La connaissance de ces paramètres physiques par les mesures satellitaires et les mesures in-situ, combinée avec des modèles de description de l'Océan de plus en plus sophistiqués permet aujourd'hui de cartographier l'Océan et de faire des prévisions en trois dimensions. 

C'est cette "approche intégrée" comprenant  mesures  et outils numériques, qui a  ouvert la voie de l'océanographie opérationnelle, avec tout l'enjeu des applications que l'on connaît dès maintenant (voir paragraphe IV ci-après).

Pour en savoir plus :

• Les modèles numériques

• L'observation de l'Océan depuis l'espace

• L'observation de l'Océan depuis l'Océan (mesures In-Situ)

• Article de Pierre Bahurel : "L'Océan qu'il fera"

II - Importance de l'Océan

"Des golfes clairs à la planète bleue"...

Les Océans possèdent trois propriétés essentielles dans leur relation le climat : capacité de stockage, d’échange avec l’atmosphère et de transport par les courants. Ces trois fonctions ne sont pas indépendantes mais liées par des lois de conservation : Echange = Stockage + transport, qui s’adressent à tous les constituants de l’océan : masse (eau), énergie (chaleur), corps chimiques divers dont CO₂ ou C…. Mais ces fonctions sont encore très mal évaluées et nécessitent des observations nombreuses et continues pour les prendre en compte dans la dynamique de l’atmosphère et du climat. D’où la nécessité de systèmes d’observations opérationnels.

Le Stockage
L’océan est avant tout un gigantesque réservoir, d’eau, de corps chimiques divers, dont le carbone, et de chaleur. L’océan stocke 97% de l’eau contenue à la surface de la Terre. Les 3% restant alimentent les fleuves, les lacs, les glaciers et les nappes souterraines. L’eau de l’atmosphère, par comparaison, avec ses 0,001%, représenterait une couche de seulement 0,3 centimètre d’eau si elle était répartie sur la surface de la Terre. L’océan est ainsi le réservoir où s’alimente le cycle de l’eau.
L’océan est aussi le principal réservoir de carbone dans le cycle planétaire de cet élément essentiel à la vie et maintenant lourdement impliqué dans l’évolution du climat. Si l’atmosphère contient environ 800 Giga tonne (Gt, l’unité légale est le Péta gramme ou Pg qui vaut 10 ¹⁵ grammes. Cependant on utilise plus couramment le Giga tonne, ou Gt, qui vaut aussi un Péta gramme.) de carbone , l’océan en contient 40 000 Gt, soit cinquante fois plus. Par ailleurs la biosphère continentale (forêts, prairies, animaux…) en contient également 800 Gt ce qui fait de l’océan le milieu à la fois le plus central et le plus déterminant dans la dynamique de cet élément. Ce gigantesque réservoir océanique de Carbone est en communication directe avec les autres réservoirs actifs que sont l’atmosphère et la biosphère continentale. Mais il est aussi en relation avec les réservoirs inertes que sont les sédiments accumulés dans les fonds océaniques qui deviendront, à l’échelle de millions d’années, des formations géologiques carbonatées.
Enfin l’océan est le milieu qui stocke le plus d’énergie solaire sous forme de chaleur. On estime que 70% du flux radiatif solaire entrant dans le système Terre (atmosphère, océan, continents,…) est absorbé et stocké dans les couches supérieures des régions océaniques tropicales. Cette grande capacité de stockage de l’énergie thermique de l’océan est liée à sa masse ( 300 fois celle de l’atmosphère) et à la chaleur spécifique de l’eau de mer (4 fois plus élevée que celle de l’air) qui conduit à une capacité thermique globale de l’océan plus de 1 200 fois supérieure à celle de l’atmosphère. C’est l’océan, qui en restituant une grande partie de cette énergie à l’atmosphère, principalement par le transfert de chaleur latente associé à l’évaporation, lui fournit l’essentiel de l’énergie nécessaire à sa dynamique.

L’échange avec l’atmosphère
Le plancher de l'atmosphère est en contact pour environ 71 % de sa surface avec l'océan et échange avec lui en permanence les constituants précités : eau, chaleur, et donc énergie ; mais aussi de la quantité de mouvement entre les vents et les courants qui est aussi une énergie ainsi que différents corps chimiques dont le CO₂ qui joue un rôle très important dans le climat.

En ce qui concerne l’eau l’océan restitue en moyenne par évaporation (E) un mètre d’eau par an à l’atmosphère qui est ainsi nourrie en vapeur d’eau ; c’est une quantité de laquelle il faut retrancher 80 cm de précipitations (P) locales pour aboutir à un bilan net : E-P négatif pour l’océan, d’environ 20 cm que l’atmosphère redistribue par précipitation sur les continents et qui retourne dans l’océan par les fleuves.

Le bilan net de l’échange d’énergie à la surface air-mer, qui s’exprime en Watts par mètres carrés (W.m^{- 2}), est très variable d’un point à l’autre de l’océan mondial. Il varie surtout en fonction de la latitude avec un puits de chaleur océanique dans les tropiques (en moyenne de 75 à 100 W.m^{- 2}), et au contraire une perte dans les hautes latitudes. Les échanges thermiques entre l’océan et l’atmosphère
sont les plus intenses au voisinage des grands courants océaniques de bords ouest comme le Gulf Stream, courant chaud arrivant dans des régions de hautes latitudes, telles que la mer du Labrador, où l’air est froid et sec, restitue une énorme quantité de chaleur à l’atmosphère (entre 250 et 300 W.m^{- 2} ), principalement sous forme de chaleur latente associée à une intense évaporation. La variabilité dans le temps de ces échanges est un élément déterminant de la variabilité climatique. Le bilan net d’énergie échangé à l’interface air-mer est la somme algébrique de quatre termes : le flux radiatif solaire incident qui apporte en moyenne 170 W.m^{- 2} dont -10 W.m^{- 2} sont réfléchi à la surface, le flux radiatif rétro-diffusé dans l’infrarouge - 60 W.m^{- 2}, la chaleur latente d’évaporation -80 W.m^{- 2}, la chaleur sensible - 20 W.m^{- 2}.

L’océan échange également avec l’atmosphère d’énormes quantités de CO₂. L’océan régule le CO₂ atmosphérique d’origine anthropique, estimé en 2007 par le GIEC à 7 Gt par an, en le réabsorbant en partie par des processus physiques et biologiques.
En effet cette somme des émissions de 7 Gt par an ne correspond pas à l’augmentation constatée de cet élément dans l’atmosphère qui n’est que de 4,1 Gt par an. On en a conclut que la différence, soit 2,9 Gt, a migré vers d’autres réservoirs et l’on estime que l’océan en a réabsorbés 2,2 Gt. L’océan est donc, de très loin, le premier milieu qui régule en partie les émissions de carbone dans l’atmosphère par l’activité humaine. Ce rôle de puits de carbone de l’océan est imputable à deux phénomènes essentiels : Un « pompage physique » susceptible d’absorber le CO₂ par solubilité en fonction de la pression partielle de ce gaz à l’interface atmosphère-océan dépendante de la température. Un «pompage biologique» par la vie marine dont le premier étage est la production de phytoplancton entraînant à sa suite une chaîne du vivant qui au final dépose au fond des bassins sédimentaires océaniques des coquilles et des formations carbonatés.
L’océan n’est pas un puits uniforme de carbone. Les océans arctique et antarctique absorbent beaucoup de CO₂. Au contraire, les régions tropicales sont des «zones sources» à cause de leur température de surface élevée. Le puits des hautes latitudes a 2 causes principales : D’une part ce sont des régions à faible gradient vertical de densité, ce qui favorise une plongée des eaux de surface par convection dans les profondeurs disséminant ainsi rapidement le CO₂ sur toute la colonne d’eau. La « pompe physique » fonctionne bien. D’autre part, ces régions sont très productives biologiquement et consomment beaucoup de CO₂ pour activer la photosynthèse du phytoplancton très abondant dans leurs eaux de surface. La « pompe biologique » fonctionne également à plein.

Le transport
L’océan est susceptible de transporter d’énormes quantités d’énergie sur de très grandes distances par les courants océaniques. Cette fonction de transport de chaleur de l’océan, qui contribue à l’équilibre énergétique de la planète, n’a été quantifiée que récemment, dans les années 1970, lorsque les calculateurs permirent de compiler toutes les observations météorologiques et océanographiques accumulées depuis plus d’un siècle. On s’est alors aperçu que l’océan contribuait presque autant que l’atmosphère au transport énergétique méridien de chaleur (de l’ordre de 2 Péta W) des basses latitudes, où cette énergie est accumulée, vers les hautes latitudes où au contraire elle est restituée à l’espace. Le transport océanique s’opère par les courants dont l’ensemble constitue la circulation générale océanique.
Mais les Océans fluctuent à toutes les échelles de temps et d’espace, de quelques heures à quelques centaines d’années, de quelques kilomètres à quelques milliers de kilomètres, affectant ainsi à des degrés divers l’environnement terrestre. 

Ce spectre de variabilité est essentiel car il confère à l'Océan "une mémoire" à long terme, à la différence de l'atmosphère qui "oublie tout" en 15 jours. 

Le transport opéré par la circulation générale de l'océan, associé à sa grande capacité de stockage et à ses échanges permanents à l’interface avec l'atmosphère, s'effectue à des vitesses très inférieures à celle du transport atmosphérique par les vents. Alors que la durée de vie maximale des perturbations atmosphériques est de l’ordre de trois semaines, les perturbations océaniques peuvent se maintenir et marquer les masses d’eaux en surface pendant plusieurs mois, et jusqu’à plusieurs siècles dans les profondeurs. C’est ce qui donne à l’océan une aussi grande importance dans le climat, sa variabilité et son changement à long terme.
 

III - La relation entre la circulation générale des océans et le climat
 

Dans cette circulation générale des océans, les "grands courants de bord Ouest", comme le Gulf-Stream sur l’Atlantique nord ou le Kuroshio sur le nord Pacifique jouent un rôle prépondérant dans le transport de chaleur méridien. Ces courants naissent sous l'influence combinée de la rotation terrestre, des vents, et des flux de chaleur à l’interface Océan-atmosphère. Ils contribuent au caractère turbulent de l'Océan, car ils engendrent eux-mêmes des tourbillons d’environ 100 km de diamètre véhiculant des énergies importantes.

Le Gulf-Stream transporte ainsi une 'énergie de l'équateur vers le pôle, de l’ordre de 2.10¹⁵ W soit 2 Péta W, l'équivalent de ce que fournirait environ un million de centrales électriques de 1000 MW chacune.  

Cette circulation contribue au transfert de la chaleur depuis les tropiques vers les pôles.
Le principal moteur de la circulation thermohaline se trouve ainsi dans l'Atlantique Nord. L'une des questions que se posent à son sujet certains experts du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental d'Etude du Climat), est de savoir si le réchauffement climatique lié à l'excès de gaz à effet de serre pouvait perturber la circulation générale des océans au point de la pourrait le ralentir, voire même le la bloquer. [1]
 

L’Océan connaît également des variations à l’échelle de la saison, liées aux variations d’intensité des vents et au refroidissement ou au réchauffement solaire des eaux aux différentes saisons. Il existe un lien direct entre saisons océaniques et saisons atmosphériques avec toutefois un décalage en temps de quelques 3 mois, du au délai de réaction des masses d’eau océaniques aux changements atmosphériques (c’est ainsi que l’été “océanique” a lieu pendant l’automne). 

C’est ainsi que de telles anomalies sont également observées sur les autres bassins océaniques. 
Le couplage océan-atmosphère qui fait intervenir des dynamiques et des échelles différentes atteint ici toute sa complexité.
Ces quelques exemples illustrent toute la difficulté de bien appréhender le milieu océanique, son interaction avec l’atmosphère (et avec les terres émergées) et donc ses conséquences sur le climat. 

Pour en savoir plus, voir :

L'Océan en mouvement Ifremer

Le Gulf Stream 

Jason oceanobs gulf_stream
Jason Oceanobs climat
 

IV -Quelques enjeux de l'océanographie opérationnelle

Les analyses et prévisions tridimensionnelles systématiques de l'Océan présentent un intérêt incontestable pour bon nombre de secteurs, cette liste n'est pas exhaustive : 

• La connaissance de l'état de l'Océan à 3-4 semaines (bulletins de situation), au profit de la navigation commerciale, des plates-formes offshore, des flottes de pêche, ainsi que des forces navales.
  
  

   

   

   

  L’exemple du programme Mercator est tout à fait révélateur. Des prévisions de la circulation tridimensionnelle de l’Atlantique  sont ainsi fournies plus de deux semaines en avance.      

Voir les produits Mercator en images, exemple 

L’observation et la prévision à l'aide de modèles couplés océan-atmosphère d'événements climatiques “anormaux” comme celles fournies en 1997 (NOAA aux Etats Unis, et CEPMMT [2] en Europe), sur l’évolution du El Niño, le plus intense de la période récente. De tels événements inter-annuels ont également été observés et modélisés sur l’Atlantique.

• La prévision météo-océanique en zone côtière (érosion, implantation d'ouvrages, dispersion de pollutions, permanentes ou accidentelles). Les Centres de Météorologie, (Météo France, et le CEPMMT à Reading en particulier), développent à cet effet des systèmes opérationnels de prévision d’état de mer et de courantométrie intégrant les mesures altimétriques et les autres mesures disponibles.

• Le suivi des variations du niveau moyen des mers depuis bientôt treize ans:  permettent d'évaluer différents modèles d’évolution à long terme du climat, pour tenter de donner des réponses aux questions de fond que sont le rythme du réchauffement, le rôle des rejets de gaz carbonique, et le rôle régulateur de l’Océan. L'indispensable étalonnage de cette précieuse série temporelle est possible grâce à un réseau de marégraphes triés en fonction de la qualité de mesure et de la possibilité d'un rattachement géodésique.

Et d'autres applications encore, pour en savoir plus, voir : 

Mercator Océan , applications

La convection profonde en Atlantique Nord vue par Mercator, janvier 2005

Références :
[1] JC Duplessy: "Quand l'Océan se fache", Editions ODILE JACOB. Retour
[2] Pascale Delecluse :La Recherche, N°307 Mars 1998. Retour

Quelques organismes présents dans le domaine :

MERCATOR Océan

IFREMER   Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer 

NOAA National Oceanic Atmospheric Administration

JAMSTEC Japan Agency for Marine-Earth Science and TEChnology 

Voir aussi video ESA/CNES/Ariane Espace sur l'Observation des Océans