Océanographie (N°3 : Février 2005)

dossier
page 20 Paul Sabatier - Le magazine scientifique - numéro 3
Mieux connaître les océans
pour prévoir l’avenir
de la planète
L’océanographie
La prévision des conditions de mer a toujours
consisté un enjeu majeur pour la pêche,
les installations portuaires, le transport,
la géopolitique et la maîtrise des mers. Aujourd’hui,
il faut y ajouter l’exploitation géologique des mers
(pétrole, gaz, graviers,…) et le tourisme. Ce dernier
est d’ores et déjà la principale ressource économique
de la mer, dans un monde où près de la moitié
de la population vit à moins de 100 km des côtes.
Par ailleurs, le réservoir océanique subit les grands
changements globaux induits par l’homme :
réchauffement climatique, élévation du niveau
de la mer, pollution, acidification, redistribution
et disparition des espèces marines, aménagement
du littoral.
Des mers et des côtes plus sûres
Le défi est de prévoir, à l’échelle de quelques heures
à semaines, les courants, l’état de la banquise,
les hauteurs des vagues, le niveau de la mer.
Les exemples récents du tsunami de décembre 2004
en Asie, ou des tempêtes de 1999 noyant la
centrale nucléaire de Blaye et dispersant le mazout
du Prestige, illustrent la nécessité de prévision
fiable actualisée en temps réel par les données
atmosphériques et sismologiques.
Ainsi sont nés l’idée des centres d’Océanographie
Opérationnelle utilisant les forçages
météorologiques et l’assimilation de données
océanographiques, ou des centres de prévision des
tsunamis. Toutefois, ces centres ne couvrent pas
encore l’ensemble des bassins du globe, ni les zones
côtières.
L’océan, grand régulateur
du climat
L’océan joue un rôle majeur dans la variabilité du
climat et de son changement. Ainsi les grands
événements climatiques du type El-Niño, induisant
1 à 2 fois par décennie des sécheresses et des
inondations, sont liés à l’invasion vers l’Est d’eaux
chaudes dans le Pacifique Equatorial. Aujourd’hui,
les épisodes El-Niño peuvent être prévus 3 mois
à l’avance. Mais, à long terme sa fréquence et son
intensité restent une énigme. Il en va de même
de la variabilité de l’Atlantique Nord qui pilote
le climat Européen.
À plus grande échelle (le siècle), par son inertie,
l’océan est un puissant régulateur du réchauffement
climatique et de l’absorption par solubilité de gaz
à effet de serre comme le CO2. Toutefois, une plus
forte pression anthropique pourrait entraîner
une modification significative de la circulation
océanique. L’étude des climats anciens joue
une place de choix pour comprendre d’autres types
de climat terrestre.
Ecosystèmes en pleine évolution
Depuis 1900, les stocks de poissons ont été divisés
par dix, et les 100 premiers mètres de l’océan sont
exploités à plus de 85 % (50 % à 1 000 m).
C’est en zone littorale que la pression est la plus
forte, là où l’aquaculture se développe.
10 000 ans après l’agriculture, l’exploitation
des mers passe ainsi de la cueillette à l’élevage.
Outre la perte de biodiversité, une nouvelle menace
est à l’œuvre: le changement global avec ses
conséquences sur l’ensemble de la chaîne
d’alimentaire (réchauffement, stratification
bloquant les nutritifs en profondeur, acidification
liée à l’augmentation du CO2, pollutions apportées
par les rivières…). Seule l’émergence d’approches
résolument interdisciplinaires permettra
d’appréhender les synergies de ces perturbations.
L’océanographie est une discipline relativement ancienne qui a connu un essor
important au début du XXesiècle avec l’exploration des profondeurs
et par l’exploitation systématique des ressources marines.
À l’aube du XXIe,cette science est en pleine révolution suite à l’arrivée
des observations satellitaires et des simulations numériques. Le rôle de l’océan
dans le système climatique est au centre des études en cours.
Contact :
monfray[email protected]
L’océanographie
>>> Patrick MONFRAY, Directeur de recherches CNRS,
Directeur du Laboratoire d’Etudes Géophysiques et
Océanographie Spatiale (LEGOS,UMR
CNES/CNRS/IRD/UPS)
>>> vers une approche intégrée de l’océanographie
(illustration MERCATOR-OCEAN)

dOSSIER
L’océanographie
La recherche en océanographie à l’UPS se décline
suivant 6axes majeurs, dans deux laboratoires :
le Laboratoire d’Etudes en Géophysique et
Océanographie Spatiales (LEGOS, UMR
CNES/CNRS/IRD/UPS) et le Laboratoire
d’Aérologie (UMR CNRS/UPS).
L’observation s’appuie tout d’abord sur les avancées
considérables effectuées en altimétrie satellitaire,
permettant de suivre au centimètre près, voire
mieux, l’évolution du niveau de la mer depuis
l’espace. Ces données sont validées et complétées
par les mesures in situ en surface ou en profondeur.
Dans ce cadre, nos équipes ont la responsabilité de
trois Services d’Observations permanents (CTOH,
ROSAME et SSS). Conjointement, la modélisation
de la dynamique de l’océan est développée pour
tenter de comprendre les mécanismes de
prévisibilité de la variabilité du climat,
particulièrement en zone tropicale en coopération
avec l’IRD. La prévision de l’impact que peuvent
avoir ces variations climatiques au niveau d’une
région (un des maillons faibles de la prévision) est
un volet très actif développé au sein du Pôle de
Modélisation Côtièrede l’Observatoire Midi-
Pyrénées de l’UPS. Le point fort de cette dernière
approche est de combiner systématiquement
simulations et observations par des méthodes
d’assimilation sophistiquées. Enfin l’introduction
progressive de la géochimie et de la biologie
marine dans ce contexte est menée en s’appuyant
sur les avancées de la physique océanique.
Les articles qui suivent illustrent les différentes
pièces du puzzle développées à l’UPS en partenariat
avec le CNES, MétéoFrance, le GIP-Mercator et les
entreprises toulousaines CLS et NOVELTIS.
Désormais, ils montrent à quel point Toulouse la
terrestre est devenue un centre européen essentiel
en océanographie grâce à la synergie entre
recherche fondamentale et recherche finalisée. Le
renforcement de cette stratégie au sein du nouveau
Pôle « Terre Vivante et Espace » doit déboucher sur
l’aide à la décision des politiques concernant la
gestion de l’environnement marin, s’inscrivant dans
la dynamique européenne GMES « Global
Monitoring of Environment and Security ».
Le potentiel Toulousain
Pourquoi un pôle en océanographie à Toulouse ? Cela peut paraître incongru à 150 km
des côtes. Mais à regarder de plus près, pas tant que cela…
Car,les deux piliers de la révolution actuelle,l’observation satellitaire et la prévision
météorologique/climatique,sont deux domaines dans lesquels la ville rose
se distingue avec l’implantation du CNES et de Météo-France.
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>>> Carte mondiale de la propagation de l’onde
de marée lunaire (en heures).
Comment devenir océanographe ?
L’Université Paul Sabatier propose une filière de formation bien adaptée
au métier d’océanographe.C’est la Mention « Sciences de l’Atmosphère et
Océanographie »du Master Sciences de l’Univers. Cette Mention permet
d’accéder en 2eannée à une spécialité Recherche « Océan, Atmosphère et
Surfaces Continentales » ou à une spécialité professionnelle « Techniques
Spatiales et Instrumentation ». Un doctorat préparé dans le cadre de l’Ecole
Doctorale SDUEE (Sciences de l’Univers, de l’Environnement et de l’Espace)
permet de compléter le cycle de formation.
Contact :
monfray[email protected]
>>> IN MEMORIAM
On ne peut pas parler de la
recherche océanographique à
Toulouse sans rappeler le rôle de
Christian LE PROVOST,DR CNRS,
Directeur du LEGOS de 1997 à
2002, qui nous a quitté le 29
février 2004.
Parmi les océanographes les plus
brillants de sa génération, son
expertise en océanographie
physique,en particulier
la modélisation des marées, était
reconnue mondialement dans la
communauté scientifique.Il a
été un acteur majeur dans
le développement de l’altimétrie
depuis 25 ans et il a contribué
d’une manière exceptionnelle
aux projets de satellites
Topex/Poséïdon et Jason.
Un Colloque International
en son honneur,réunissant
les plus prestigieux
océanographes mondiaux
aura lieu les 10 et 11 mars 2005
à Toulouse.
(http://www.legi.hmg.inpg.fr)

dOSSIER
page 22 Paul Sabatier - Le magazine scientifique - numéro 3
Lors d’un El Niño, les alizés faiblissent le long de
l’équateur alors que la pression atmosphérique
augmente à Darwin (Australie) et diminue à Tahiti.
L’affaiblissement des alizés permet aux eaux
chaudes généralement confinées sur le Pacifique
ouest de se déplacer vers l’est. Le processus induit
par le vent qui, habituellement fait remonter à la
surface des eaux froides le long de l’équateur et des
côtes américaines, est fortement réduit, entraînant
ainsi une élévation de la température à la surface
de l’océan. Ces eaux froides remontées à la surface
sont riches en nutriments et permettent une forte
productivité biologique. L’arrêt de ce mécanisme
affecte l’écosystème marin. Les changements des
circulations océaniques et atmosphériques
entraînent des évènements climatiques extrêmes
(sécheresses, inondations, tempêtes) qui affectent les
économies des nombreux pays.
El Niño est la phase chaude d’une oscillation,
appelée ENSO (El Niño Southern Oscillation) la
phase froide étant appelée La Niña, caractérisée par
des alizés plus soutenus et des températures plus
froides de l’océan Pacifique tropical.
Des réseaux d’observations incluent des
marégraphes côtiers et insulaires, des bouées
dérivantes et ancrées, des mesures à partir des
navires de commerce et de recherche. Nous
participons à ces réseaux à partir de notre
implantation à Nouméa (cf. le réseau SSS). Les
satellites fournissent une couverture globale des
conditions atmosphériques et océaniques de surface.
Nous analysons leurs observations sur le site
toulousain et développons des modèles numériques
du système océan-atmosphère pour mieux
comprendre et prévoir les évènements El Niño, et
pour étudier l’impact d’ENSO sur la variabilité de
l’Atlantique tropical.
Le réchauffement climatique
perturbe-t-il El Niño ?
La succession d’événements El Niño et La Niña est
un mode naturel d’oscillation. Cependant, il reste
beaucoup de questions à résoudre avant de réussir
une prévision fiable des déclenchements des
événements chauds, de leur déroulement et du
passage à la phase froide. Par exemple, l’état El
Niño prolongé du Pacifique équatorial entre les
années 1991-95 et la forte amplitude de
l’événement 1997-98 ne sont pas complètement
élucidés. De plus, l’interaction entre le
réchauffement global et le cycle d’ENSO est
suggérée, mais la longueur des séries d’observations
ne permet pas d’établir si les récents changements
sont liés ou non à la variabilité naturelle
(modulation décennale). Les équipes du LEGOS, via
les observations in situ et satellitales et via la
modélisation numérique, s’impliquent dans la
recherche des mécanismes des évènements et de leur
variabilité décennale.
El Niño est l’anomalie climatique la plus spectaculaire de notre planète.
Elle se manifeste par un réchauffement de l’océan Pacifique tropical en particulier
dans l’est du bassin, et un changement de la circulation atmosphérique.
Elle est liée à l’Oscillation australe,un va-et-vient de la pression atmosphérique
de surface mesurable entre les deux extrémités du bassin Pacifique.
El Niño : un coup de chaleur
dans le Pacifique.
L’océanographie
>>> Yves DU PENHOAT,
DR IRD au LEGOS
>>> Mise à l’eau, à partir d’un navire de recherche,
de la sonde permettant de mesurer en fonction
de la profondeur,la température, la salinité,
la vitesse du courant, et de prélever des échantillons d’eau à
l’aide des bouteilles à prélèvement.
Contact :
yv[email protected]
Contact : Thierry Delcroix,
DR IRD au LEGOS
([e-mail])
La salinité
de surface,
un indicateur
à suivre
Avec la température,
la salinité des océans est
un des premiers responsables
des transports de chaleur
dans l’Océan. Un transport
qui joue un rôle essentiel
sur le climat. En dépit de nos
bonnes connaissances des
variations de température,
les variations de salinité
demeurent très peu
documentées en raison des
difficultés de réaliser des
d’observations in situ.
Pour répondre à ce déficit,
le LEGOS a mis en place le
Service d’Observation SSS
(Surveillance de la Salinité
de Surface), avec pour
objectif, d’acquérir,de valider
et de mettre à disposition
des observations in situ
de salinité. Ces dernières sont
recueillies automatiquement
à partir de navires
marchands (équipés
de thermosalinographes)
et transmises en temps réel
vers des centres
opérationnels de prévision.

1,8 mm par an : voici la hausse moyenne depuis
près d’un siècle. Mais le mouvement s’accélère.
Depuis le début des années 1990, les satellites
altimétriques, en particulier Topex-Poseidon,
surveillent en permanence les variations du niveau
de la mer, avec une précision remarquable et une
couverture globale. Ces nouvelles observations,
analysées par des chercheurs du LEGOS, montrent
que depuis 1993, le niveau moyen global de la mer
s’est élevé de près de 3 mm par an, valeur
significativement supérieure de celle mesurée par
les marégraphes au cours du XXe siècle. Mais cette
vitesse d’élévation est loin d’être uniforme : dans
certaines régions, la mer a monté (jusqu’à trois
centimètres par an), dans d’autres, elle a baissé.
L’océan chauffe
et les glaces fondent…
Quels sont les phénomènes responsables
des variations actuelles du niveau moyen global
de la mer ?On peut les ranger en deux catégories :
1) les changements du volume des océans résultant de
variations de la densité de l’eau de mer (température
et salinité) 2) les échanges avec les autres réservoirs
(atmosphère, réservoirs d’eaux continentales, glaciers
de montagne, calottes polaires).
Quelle est la part respective de tous ces facteurs
à la hausse observée du niveau de la mer ?
Grâce à de nouvelles données publiées récemment
sur les variations de température de l’océan au cours
des 50 dernières années, et sur les bilans de masse
des glaciers de montagne et des calottes polaires,
les chercheurs du LEGOS arrivent à présent à
expliquer de façon assez satisfaisante les valeurs
observées.
Pour la période 1950-2000, le réchauffement
des océans explique 0.5 mm sur les 1.8 mm par an
de hausse observée (soit 25 %). La fonte des glaciers
de montagne, du Groenland et de l’Antarctique
contribue, quant à elle, pour environ 1 mm par an.
D’où un total de l’ordre de 1.5 mm par an pour
les contributions climatiques.
Qu’en est-il pour les années récentes ?Alors que
l’apport d’eau à l’océan venant de la fonte des glaces
continentales est sensiblement identique à
l’estimation des dernières décennies, les chercheurs du
LEGOS estiment que la contribution de l’expansion
thermique (due au réchauffement de l’océan) a triplé
(1.6 mm par pour la période 1993-2003, soit une
contribution de 60 %). La somme de ces
contributions (environ 2.6 mm par an pour
la dernière décennie) est donc très proche des
observations de Topex/Poseidon (3 mm par an).
Remarquons néanmoins que l’expansion thermique
de l’océan joue à présent un rôle dominant,
en comparaison des périodes antérieures.
Les modèles d’évolution du climat prédisent que la
hausse du niveau de la mer se poursuivra au cours
des prochains siècles (voir figure). Les prévisions
indiquent en outre que l’élévation ne sera pas
uniforme. La mer montera plus vite dans certaines
régions que dans d’autres. Cependant, il subsiste
encore d’importants désaccords entre les modèles et
donc une grande incertitude quant aux régions les
plus menacées. La surveillance des océans depuis
l’espace et la mise en place de réseaux in situ et de
mesures de paramètres climatiques est d’importance
cruciale pour mieux comprendre le système climatique
et améliorer les modèles d’évolution future.
Quand le réchauffement climatique
fait monter le niveau des océans
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dOSSIER
Les observations géologiques et archéologiques l’attestent: au cours des derniers
millénaires, le niveau de la mer a peu varié (pas plus de 0.1 mm par an globalement).
Or,depuis près d’un siècle,les enregistrements marégraphiques témoignent
d’une hausse significative. Le coupable présumé: le réchauffement climatique.
>>> Anny CAZENAVE,
Chercheur CNES,au LEGOS.
>>> Evolution passée (depuis 1000 ans) et future (jusqu’en
2600) du niveau moyen global de la mer.La courbe est basée
sur des observations jusqu’en 2000, sur des prédictions de
modèle ensuite.Les courbes rouges encadrant la prédiction
pour le futur représentent l’incertitude associée.
Contact :
anny.cazenav[email protected]
Mesurer la hauteur des
eaux au centimètre près
Depuis 1989, le Centre
Topographique des Océans
et de l’Hydrosphère (CTOH)
est un Service d’Observation
national dédié à l’altimétrie
satellitaire, placé sous la
responsabilité du LEGOS/OMP.
L’altimétrie mesure avec
une précision centimétrique
le niveau de la mer,mais aussi
les niveaux des lacs et des
rivières, la topographie des
calottes polaires, etc. Le CTOH
développe et maintient
des bases de données
altimétriques des plusieurs
missions (Topex/Poseidon,
Jason, ERS,ENVISAT, Geosat
Follow-on) pour les
applications scientifiques.
En outre, et c’est ce qui fait
son originalité, il développe
et valide des algorithmes
pour traiter les données,
ainsi que leur distribution.
Notre objectif principal est
d’aider les scientifiques dans
leur utilisation des données
altimétriques pour les études
concernant les océans (haute
mer et côtes) et l’hydrosphère
continentale (lacs, rivières,
cryosphère), éléments
fondamentaux du climat.
Contact : Rosemary Morrow,
physicien-adjoint au LEGOS.
[e-mail]
L’océanographie

page 24 Paul Sabatier - Le magazine scientifique - numéro 3
dOSSIER
Chaque zone côtière est unique, façonnée par de
multiples paramètres : courants induits par le vent,
marée, courants de densité liés aux apports d’eau
douce par les fleuves. Ces processus physiques et
leur variabilité dans le temps (depuis la journée,
échelle de temps d’une tempête ou d’une crue, au
cycle saisonnier) conditionnent fortement les cycles
biologiques. Un fort coup de vent peut, suivant la
période à laquelle il intervient, causer des
dommages importants à certaines espèces par la
dispersion des larves hors des zones propices à leur
développement. Une crue entraîne avec elle des
grandes quantités d’éléments, par exemple des eaux
usées ou des engrais agricoles qui fertilisent la zone
côtière pouvant conduire à la prolifération d’algues
envahissantes.
La compréhension du fonctionnement physique de
la zone côtière et la modélisation réaliste du niveau
de la mer, des courants marins et des propriétés
(température et salinité) de ses eaux est au cœur des
objectifs scientifiques du Pôle d’Océanographie
Côtière de l’Observatoire Midi-Pyrénées (POC),
constitué de chercheurs, ingénieurs et doctorants du
Laboratoire d’Aérologie (UMR CNRS/UPS) et du
LEGOS (UMR CNES/CNRS/IRD/UPS) qui ont mis
en commun leurs compétences en modélisation
numérique, en assimilation de données et en
observations satellitales. Dans le cadre d’un
programme Européen, le POC a mis au point un
prototype de modèle de prévision de la circulation
océanique en Méditerranée Nord-Occidentale. Ce
modèle numérique tridimensionnel est alimenté par
les prévisions météorologiques qui forcent le modèle
en surface et par un modèle océanique du bassin
Méditerranéen qui fournit les conditions aux limites
latérales. Après un exercice de prévision
hebdomadaire d’une durée de 6 mois, les résultats
seront confrontés aux observations des satellites et
aux différentes données in situ obtenues au cours
d’expériences scientifiques ou par des navires
commerciaux. Les modèles du POC sont couplés avec
des modèles biologiques et de transport sédimentaire
(coopérations avec des laboratoires de Marseille,
Perpignan et Banyuls) pour comprendre le devenir
de la matière continentale et la réponse des
écosystèmes à la variabilité naturelle et au
changement climatique.
Les terribles événements de cette fin d’année 2004 ont montré la grande fragilité
des populations côtières face à des phénomènes naturels dévastateurs. Les activités
humaines - la pêche,le tourisme,les pollutions accidentelles, l’exploitation des
ressources naturelles mais également la déforestation des bassins versants
et la construction de barrages - mettent en péril les écosystèmes naturels et
la biodiversité des plateaux continentaux dont la richesse est sans commune mesure
avec celle des grandes profondeurs.
L’Océanographie côtière
L’océanographie
>>> Claude ESTOURNEL, DR CNRS au Laboratoire
d’Aérologie (UMR CNRS/UPS).
>>> Température de surface de la mer prévue pour
le 18 janvier 2005 dans le cadre du projet européen
d’océanographie opérationnelle MFSTEP.Le modèle de
prévision est développé par le POC. La chaîne opérationnelle
est développée par la société Noveltis
>>> Courant de marée (en cm/s) associée à l’onde de marée
semi-diurne (modèle MOG2D du POC, thèse de T. Letellier)
ROSAME
ROSAME est un réseau
de surveillance
marégraphique du niveau
de la mer,sous la
responsabilité du LEGOS.
Ce service d’observation
fonctionne depuis 1993 et
a été labellisé par l’INSU
en 1997. Il est constitué de
4 stations marégraphiques
côtières localisées dans
l’Océan Austral (Kerguelen,
Crozet et Saint-Paul) et
sur l’Antarctique à Dumont
d’Urville.Les données
de ces 4 stations sont
transmises en temps
quasi-réel aux banques
de données mondiales de
niveau de la mer.
Ce réseau d’observation
a pour vocation de suivre
et d’étudier les variations
de niveau marin dans
cette région hostile de
l’océan où les données
sont quasi-inexistantes et
les systèmes d’observation
très difficiles à maintenir.
Contact :
[e-mail]
Contact : Laurent Testut,
Physicien-adjoint au LEGOS.
[e-mail]