Texte mis en forme par Marianne Wojcik - Académie de Nancy-Metz

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LES MOUVEMENTS OCÉANIQUES, LEURS CAUSES,
LEURS CONSÉQUENCES SUR L'ENVIRONNEMENT
Conférence de Madame Bach Lien Hua,
océanographe, professeur à l'université de Paris VI
retransmise en visio-conférence au CRDP de Nancy le 10 mai 2000 lors de la journée académique
des Sciences de la Vie et de la Terre.
Texte mis en forme par Marianne Wojcik
Les planches couleur auxquelles il est fait référence dans le texte sont visibles sur le site SVT-Lorraine
http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/svt/ressourc/mediathe/Iconothe/conferenc.htm
Plan de l'exposé
Introduction
I - Les lois régissant les mouvements des océans
1. Deuxième Loi de Newton
2. Équation du mouvement en océanographie
3. Équilibre géostrophique
4. Courant géostrophique
II - La circulation de surface est induite par le vent
1. Tension du vent en moyenne annuelle à la surface de la mer
2. Les courants de surface
3. Boucle giratoire anticyclonique
4. Comment l’action du vent pénètre-t-elle jusqu’à 800 m de profondeur ?
4a) Transport frictionnel forcé par un vent anticyclonique
4b) Transport frictionnel dû au vent en présence de rotation
4c) Bosse en surface et enfoncement de l’interface inférieure de la boucle giratoire
anticyclonique
4d) Circulation giratoire géostrophique en profondeur dans le même sens que le vent
5. Les eaux de surface sont agitées de turbulences
5a) Température de surface de l’océan observée par satellite
5b) Variabilité de la topographie de la surface de la mer par altimétrie satellitaire
(Topex-Poseidon)
5c) Boucles giratoires sur l'ensemble des océans du globe
5d) Contre courant de surface à l’équateur
III - La Circulation profonde est forcée par les contrastes de température et de salinité
1. L'océan, « machine thermique »
2. Distribution verticale de température
3. Moteur de la circulation thermohaline
4. Vision simplifiée de la circulation thermohaline
5. Circulation thermohaline et climat
IV - Quelques méthodes de mesure pour étudier la circulation océanique
1. Les espèces chimiques, traceurs de la circulation profonde
2. Instruments de mesures des courants océaniques
Exemple d'un flotteur de subsurface de type MARVOR/PROVOR
Conclusion

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Introduction
Les océans représentent :
— 70 % de la surface du globe
— environ 97 % de l'eau disponible sur Terre
— une profondeur moyenne de 3800 mètres
— couche très mince comparée au rayon de la Terre (1/1700)
— 300 fois la masse de l'atmosphère
— 1200 fois la capacité de stockage de chaleur de l'atmosphère.
L'océan est en mouvement perpétuel
Quatre facteurs se conjuguent pour déplacer l'eau des océans :
— la rotation de la Terre
— le vent
— la chaleur du soleil
— l'attraction de la lune (qui ne sera pas traitée ici).
Leur influence combinée crée divers mouvements fortement influencés par la stratification
du fluide et l’existence de frontières méridiennes.
On peut distinguer
— des vagues et marées (non traité ici)
— des tourbillons (non traité ici)
— des courants de surface (1)
— des courants profonds (2)
I - LES LOIS RÉGISSANT LES MOUVEMENTS DES OCÉANS
1. Deuxième Loi de Newton
F = ma
(force = masse x accélération)
La 2ème loi de Newton exprime que l’accélération d’une particule est reliée à la somme des
forces qui s’exercent sur la particule d’eau.
Cette loi permet d’expliquer les grands traits de la circulation moyenne de l’océan. Différentes
forces s'exercent :
les forces internes au fluide,
–
la force de pression
(plus précisément celle qui est reliée aux différences de pression
entre deux points de l’espace, on parle de gradient de pression),
–
la force de Coriolis
qui existe à cause de la rotation de la Terre ;
des forces externes,
– la force de gravité ;
et des forces de friction,
– la tension frictionnelle exercée par le vent à la surface de la mer,
– les forces dissipatives de frottement contre une paroi solide telle que les frontières des
bassins et le fond de l’océan.

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2. Équation du mouvement en océanographie
L’équation du mouvement exprime que l’accélération de la particule d’eau dépend de la résultante,
par unité de masse, des forces en présence : la force de pression, la force de Coriolis, la force de
friction et la force liée à la gravité.
–
la force de pression
est dirigée des hautes pressions vers les basses pressions (nous y
reviendrons dans la suite) ;
–
la force de Coriolis
liée à la rotation de la Terre s’exerce perpendiculairement au mouvement et
est dirigée sur la droite du mouvement dans l’hémisphère Nord ;
–
les effets de friction
ne sont importants que près des frontières latérales, de la surface et le
fond de l’océan ;
–
la gravité
ne s’exerce que dans la direction verticale et ne peut pas accélérer les courants
horizontalement. Elle ne joue un rôle important que pour les mouvements verticaux, par exemple
lors des phénomènes de convection.
Dans cet exposé nous allons surtout nous intéresser aux courants horizontaux. Le fait que l’océan
soit une couche de fluide très mince implique une très forte asymétrie entre les ordres de
grandeur des vitesses horizontales et verticales, presque partout pour la circulation moyenne
océanique, on observe que les vitesses horizontales sont de 500 à 1000 fois plus fortes que les
vitesses verticales.
Force de pression
La figure 1 schématise la nature de la force reliée aux différences de pression entre deux points
de l’espace.
On est dans le cas où la surface de la mer n’est pas horizontale mais présente une pente telle que
les points A et B sont situés à des endroits tels que la hauteur de la colonne d’eau est plus grande
en B qu’en A.

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La pression à un endroit donné est simplement proportionnelle au poids de la colonne d’eau qui
surmonte ce point, on a donc en B une plus haute pression qu’en A. La force de pression tend à
accélérer la particule d’eau de B vers A, c'est-à-dire est dirigée des hautes vers les basses
pressions.
3. Équilibre géostrophique
Lorsque l’on s’intéresse à la circulation moyenne de l’océan aux grandes échelles, par exemple aux
mouvements en moyenne annuelle, on peut considérer que l’océan se trouve en équilibre, c'est-à-
dire que les courants ne sont pas accélérés et sont au contraire permanents, c'est-à-dire constants
dans le temps.
L’accélération étant nulle, il faut donc que les forces en présence s’annihilent mutuellement.
La plus grande partie de l’intérieur de l’océan n’est assujetti à aucune force frictionnelle, ceci est
vérifié dès que l’on est à plus de 100 m en dessous de la surface de la mer ou à plus de 100 m au-
dessus du fond de l’océan. Il faut aussi être à plus de 100 km de toute frontière latérale solide, on
peut alors négliger la force de friction dès que l’on ne se trouve pas dans une couche limite de
frontière, quelle qu’elle soit la nature de cette frontière.
Dans ce qui suit je m’intéresserai surtout aux vitesses horizontales, et la force de gravité qui est
dirigée le long de la verticale n’intervient donc pas.
On se retrouve seulement avec deux forces en présence, la force de gradient de pression et
la force de Coriolis. C’est l’équilibre entre ces deux forces qui correspond à l’équilibre
géostrophique, qui est valide seulement à l’intérieur de l’océan, lorsque l’on s’intéresse aux
mouvements horizontaux.
4. Courant géostrophique (figure 2)

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Ce qui caractérise le courant géostrophique est qu’il est en chaque point parallèle
aux isobares (c'est-à-dire aux lignes d’égale pression).
La figure rappelle la situation considérée précédemment, où on a une pente de la
surface de la mer telle que les hautes pressions sont à droite et les basses
pressions sont à gauche. Le courant géostrophique est dirigé vers l’écran, c'est-à-
dire qu’il est en chaque point parallèle aux iso lignes d’égale hauteur d’eau et il est
donc parallèle aux isobares.
Si on regarde maintenant le système en vue de dessus, la force de pression
(tension du vent) qui va des hautes vers les basses pressions est dirigée de la
droite vers la gauche.
Le courant géostrophique (transport frictionnel) est sur sa droite et lui est perpendiculaire.
De telle sorte que la force de Coriolis, qui est nécessairement sur la droite du courant et
perpendiculaire au courant, est juste égale et opposée à la force de pression. On a donc bien
annihilation exacte des deux forces en présence, la force de pression et la force de Coriolis.
Si la Terre ne tournait pas le courant serait aligné avec la force de pression. C’est parce qu’elle
tourne que le courant géostrophique est perpendiculaire aux forces de pression et parallèle aux
isobares.
II - LA CIRCULATION DE SURFACE EST INDUITE PAR LE VENT
1. Tension du vent en moyenne annuelle à la surface de la mer
La figure (
cf. document 1, planche couleur
) montre les grandes structures du champ de vents en
moyenne annuelle. Elles sont régies par une alternance de basses et hautes pressions selon la
latitude, de sorte :
– qu'aux basses latitudes les vents alizés (venant de l'est) prédominent,
– que les latitudes tempérées sont le siège de vents d'ouest,
– et qu’aux latitudes sub-polaires on a à nouveau des vents d’est.
La direction du vent est telle qu’il tourne dans le sens des aiguilles d’une montre autour des hautes
pressions si l’on s’intéresse à l’hémisphère Nord.
Les flèches en rouge correspondent aux vents moyens les plus forts, et notamment on peut
remarquer dans l’hémisphère Sud la ceinture des "50èmes rugissants".
La géométrie du champ de vent joue un rôle fondamental pour la circulation océanique de surface.
2. Les courants de surface
La carte des courants moyens de surface (
cf. document 2, planche couleur
) révèle que dans les
régions de hautes pressions atmosphériques le courant est dans le même sens que le vent, avec des
courants portant vers l’est aux latitudes moyennes et des courants vers l’ouest sous le système des
Alizés. Il en est de même sous les basses pressions atmosphériques des régions sub-polaires : le
courant est dirigé dans le même sens que le vent.
Les bassins océaniques étant fermés à l’Est et à l’Ouest par des frontières méridiennes, il en
résulte un système de circulations giratoires des masses d’eau de surface, aussi bien dans les
régions subtropicales (boucles rouges) que sub-polaires (boucles marron). Par exemple dans
l’Atlantique Nord, la boucle giratoire anticyclonique (dans le sens des aiguilles d’une montre) est
celle dont la branche Ouest correspond au Gulf-Stream. Son analogue dans le Pacifique Nord est
celle dont la branche Ouest correspond au Kuroshio.