logo Essonne

Océans : les courants ralentissent !

Pourquoi le débit de certains courants océaniques, comme le Gulf Stream, s'est-il ralenti ? La perte de vigueur de ce courant chaud peut-elle entraîner une modification des températures, notamment en France ? Les scientifiques tentent de trouver des réponses à 500 mètres de profondeur, dans les squelettes des coraux sous-marins…

Vue d’un fond marin
Ces gorgones logent à 20 mètres de profondeur au large de Madagascar, au fond de l’Océan Indien. Cette espèce appartient à la même famille que les coraux, les Anthozoaires. La gorgone est formée d'un grand nombre d'animaux marins vivant en colonies, les polypes (invertébrés marins en forme de tube). Ils sont fixés à leur base sur un squelette appelé polypier.
© LABOUTE Pierre/IRD

Est-ce son opacité ? Son bleu profond ? Ses abysses ? Son mouvement perpétuel ? De Jules Verne à Debussy, l'océan est un puits d’inspiration sans fond. Pour les scientifiques, il représente aussi un objet d’études intarissable : évolution de la faune et de la flore, composition et mouvements des eaux, interactions avec l'atmosphère… Mais si certains chercheurs font aujourd'hui des sondages à 500 mètres de profondeur pour récupérer des squelettes de coraux sous-marins, c'est en fait pour étudier l'évolution des courants océaniques depuis 10 000 ans. Et c'est cette plongée en paléontologie océanographique qui pourrait leur permettre d'évaluer les changements climatiques à venir. Rien que ça !
Bien sûr, on sait déjà relativement bien caractériser les différents types de courants. On en distingue principalement deux : les courants de surface, mis en mouvement par les vents, et les courants thermohalins, régis par les différences de température et de salinité de l'eau, qui vont des profondeurs vers la surface puis replongent vers les profondeurs.
Souvent, les courants résultent de la combinaison de ces deux moteurs. Le Gulf Stream par exemple est poussé par les vents puis transporté dans le vaste mouvement de la circulation thermohaline.
En revanche, que sait-on des mouvements qui affectent ces courants ? Ont-ils toujours circulé avec la même vigueur sur le même parcours, et transporté les mêmes masses d'eau chaude ou d'eau froide d'un bout à l'autre de la planète ? Ce n'est qu'en 2005 que des chercheurs ont pu montrer que la branche du Gulf Stream circulant en face de l'Europe avait perdu 30% de son débit en 50 ans : de 20 millions de tonnes d'eau par seconde en 1957, ce débit est passé à 14 millions de tonnes par seconde en 2004 !* De telles variations en un laps de temps aussi court à l’échelle géologique posent de nombreuses questions : est-ce une évolution naturelle ou ce changement est-il dû à l'impact des activités humaines ? D'autres courants sont-ils concernés ? Voilà quelques-unes des questions auxquelles tentent de répondre les paléoclimatologues du Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (CEA-CNRS, à Gif-sur-Yvette), Norbert Frank et Dominique Blamart, ainsi que leur collègue Christophe Colin, de l’Université de Paris-Sud.
* Nature 1er décembre 2005.

01.La circulation invisible de l'océan

Carte de la circulation thermohalineLa circulation thermohaline est une boucle qui prend son origine dans l'Atlantique-Nord où les eaux froides, salées, denses et bien oxygénées plongent vers les profondeurs. Elles traversent l'Océan Indien, puis remontent vers le nord le long du Pacifique, pour refaire surface dans le Pacifique-Nord. Il faut environ 1000 ans pour que ces courants effectuent un aller-retour complet.
© COLIN Christophe/CNRS
L’océan cache dans ses entrailles un vaste courant invisible aux yeux des marins et des satellites. Ce sont de récentes recherches scientifiques qui ont permis de retracer le mouvement de ce courant appelé "circulation thermohaline". Il parcourt l’ensemble du globe. À ne pas confondre avec d’autres mouvements de l’océan comme les marées, induites par l’attraction combinée de la Lune et du Soleil sur la Terre, Ainsi, le Gulf Stream est l’un des maillons de cet immense courant thermohalin en forme de boucle. Sa circulation est amorcée et entretenue par une différence de densité - liée à la température et à la salinité - entre les masses d’eau des régions polaires et tropicales. Elle prend son origine dans l’Atlantique Nord (mer de Norvège) où les eaux, refroidies par les vents canadiens et dont la salinité est élevée du fait de la formation des icebergs (blocs de glace constitués d'eau douce), "plongent" sous les eaux plus chaudes et moins denses des régions tropicales. Ces eaux profondes traversent l’Atlantique jusqu’au Sud, alimentent au passage l’ensemble des océans et resurgissent en surface aux latitudes des océans Indien et Pacifique. Revenues en surface, les masses d’eau empruntent le chemin inverse et bouclent ainsi la circulation thermohaline (voir carte). Il faut plus de 1 000 ans pour qu'une molécule d'eau parcoure l’intégralité de cette boucle. En effet, sa traversée de l’océan est plus complexe que ne le représentent les cartes. Ainsi, tout en suivant la trajectoire linéaire de la circulation thermohaline, les molécules d’eau effectuent aussi des détours en contournant les bassins océaniques (grandes cuvettes dans le plancher océanique).

En décembre 2005, pour la première fois, un affaiblissement de la circulation thermohaline a été chiffrée par une équipe britannique du National Oceanography Center (Centre Océanographique National) : une branche du Gulf Stream a vu son débit réduit de 30% au cours des cinquante dernières années. Ces résultats corroborent les conclusions tirées des modèles réalisés en 2001 par les climatologues du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat), dont les travaux font référence. Ils montrent à la fois le déclin de la circulation thermohaline depuis déjà quelques décennies et l’accentuation de ce phénomène au cours du XXIe siècle. Les modèles utilisés s’appuient notamment sur un constat : depuis 40 ans, la salinité de l’Atlantique Nord diminue. L’hypothèse généralement avancée pour expliquer cette observation est qu’au Nord l’eau de mer s’enrichit en eau douce. Deux facteurs, liés au réchauffement climatique, participent à cet enrichissement : d’une part, la fonte de la banquise et d’autre part, l’augmentation des précipitations dans cette zone de l’Atlantique Nord. Avec pour conséquence directe un affaiblissement, voire un arrêt de la "plongée" des masses d’eau du Nord, maintenant moins denses, sous les eaux plus chaudes des Tropiques. Progressivement, les eaux de l’Atlantique Nord sortiraient donc du cycle millénaire qui leur fait parcourir le globe. C’est l’un des scénarios que prédisaient les climatologues en 2001. Toujours à cause du réchauffement climatique, ils projetaient aussi une forte évaporation des eaux au niveau des Tropiques, provoquant une concentration en sel dans les eaux superficielles. Rendues plus denses, ces masses d’eau tropicales seraient alors un facteur supplémentaire de perturbation dans la circulation thermohaline.

02.Des courants au ralenti ?

Carte des températures sans la circulation thermohalineCette carte est un modèle qui montre les conséquences que pourrait avoir l’arrêt de la circulation thermohaline : une modification des températures de notre planète. Ainsi, la couleur bleu foncé signifie que la température dans une région précise du monde chuterait de 4 degrés Celsius.
© COLIN Christophe/CNRS
Pour les scientifiques, tout concourt à montrer que la circulation thermohaline tend à diminuer. Quelles pourraient être les conséquences de ce ralentissement ? Pour bien les cerner, il faut comprendre le rôle de la boucle thermohaline. Son intérêt est de redistribuer la chaleur solaire inégalement répartie à la surface de la Terre. Le mouvement des masses d’eau tempère à la fois les contrastes entre les régions polaires et tropicales et les écarts saisonniers sur une même région. L’océan peut stocker 1 200 fois plus de chaleur que l’atmosphère. Doté en plus d’une formidable inertie thermique (fait de se réchauffer ou se refroidir très lentement), il est le principal régulateur des variations climatiques. Sans la circulation thermohaline, les températures du globe seraient bien différentes (voir carte). Or, depuis quelques années, les climatologues constatent un réchauffement du climat. Ils ont mesuré une élévation de 0,6°C depuis le début de l’ère industrielle (1861) et prévoient une augmentation comprise entre 1,4°C pour les plus optimistes, et 5,8°C pour les plus pessimistes, d’ici 2100. De l’avis général des experts, cette augmentation est amplifiée par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (essentiellement le gaz carbonique et le méthane). Connaissant les interactions permanentes qui relient l’atmosphère à l’océan, par l’échange de chaleur ou de gaz, quelles sont les réactions de la circulation thermohaline face aux variations climatiques, et vice-versa ? Son ralentissement expliquerait-il les variations climatiques ? A contrario, ce ralentissement n’est-il pas plutôt induit par les variations climatiques ?

Il convient d'abord de confirmer ou d’infirmer le ralentissement de la boucle thermohaline. Pour quitter le domaine des hypothèses, Norbert Frank, Dominique Blamart et Christophe Colin, paléoclimatologues, ont décidé de mesurer certaines des transformations de l’océan depuis 200 ans et de les comparer à celles qui se produisent depuis 10 000 ans. Ils pourront ainsi déterminer si les changements de l’océan sont le fait d’oscillations naturelles ou d’influences anthropiques. "Il y a 10 000 ans, au début de l’Holocène, le climat était plutôt chaud et relativement stable. Une situation proche de la nôtre, sauf qu’entre 1800 et aujourd'hui cette situation a été modifiée par l’influence des émissions anthropiques. Si les évolutions de l’océan il y a 10 000 ans ne sont pas similaires à celles que nous mesurons depuis 200 ans, c’est que l’Homme n’aura pas seulement transformé la chimie de l’atmosphère, il aura aussi perturbé la circulation thermohaline", estime Christophe Colin. Ces informations, ils comptent les récupérer dans les coraux benthiques qui se situent à plus de 500 m sous l’eau. À l’instar des boîtes noires des avions, ces organismes vivants enregistrent les conditions environnementales dans lesquelles ils se développent. Des conditions (température, salinité, composition chimique de l’océan) grâce auxquelles on peut retracer certains mouvements de l’océan. Lorsqu’ils meurent, les exosquelettes des coraux tombent sur le plancher océanique et s’accumulent dans les sédiments marins. Des couches de corail fossile s’amoncellent ainsi les unes sur les autres depuis des centaines de milliers d’années. Il est donc nécessaire de réaliser des carottages des sédiments marins pour retrouver des coraux datant de l’Holocène. Plusieurs campagnes ont eu lieu, et notamment celle de Dominique Blamart, parti au large du Maroc à la recherche des coraux benthiques.

03.Retour sur 10 000 ans d'histoire océanique

Le carottage du corailPour reconstruire les climats du passé, les paléoclimatologues explorent ce qui dans l'environnement garde en mémoire des indices climatiques. Ainsi, les récifs coralliens ou les couches sédimentaires sont d'excellents "paléothermomètres". Grâce au carottage, plus on prélève profondément, plus il est possible de prélever des échantillons de sédiments anciens.
© FRANCK Norbert/CNRS
En 2004, Dominique Balmart et son équipe du Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), localisé à Gif-sur-Yvette, partent pour une mission dans l’Atlantique Nord-Est. Objectif : étudier des coraux benthiques ainsi que des sédiments environnants, comprendre leur genèse en relation avec la variabilité climatique et ses conséquences sur la circulation thermohaline. Navire : le Marion Dufresne. Travaux effectués : six carottages à 35 km au large du Maroc, entre Rabat et Tanger, par 300 à 700 m de fond. L’expédition ne dure que deux semaines mais c’est un vrai temps plein : "L’équipage travaille 24h/24, on doit se relayer en permanence pour que les carottages puissent se succéder sans qu’il y ait d’encombrement sur le pont". En effet, plusieurs équipes scientifiques de différents laboratoires cohabitent sur le bateau et chacune aide l’autre dans le déroulement de sa mission. Lorsque le tour est venu pour l’équipe du LSCE de faire ses carottes, Dominique Blamart devient l’intermédiaire entre le capitaine du bateau et les scientifiques présents.

"Nous commençons par faire un premier repérage en passant au-dessus du site afin d’obtenir un profil sismique. Le bateau stationne ensuite au-dessus du point de carottage. Cela n’est pas toujours évident car le GPS se trouve à l’avant du bateau tandis que le carottier est l’arrière, à 40 m de distance. Par chance, la mer était calme durant l’opération", remarque-t-il. Les techniciens du bateau descendent le câble du carottier à raison de un mètre par seconde. Lorsqu’il atteint le fond, la durée de carottage dépend de la dureté des sédiments. Pour cette expédition, il leur fallait compter six heures par carotte de 20 mètres de long. "Les coraux, constitués d’aragonite (variété cristalline de carbonate de calcium), sont extrêmement durs à perforer, on ne peut guère forer au-delà de 20 mètres", souligne-t-il. Remontées sur la coursive, les carottes sont désormais entre les mains expertes des chercheurs du LSCE. Il faut retirer le carottier, un long cylindre de métal puis couper la chemise de PVC qui entoure les sédiments et scier la carotte en plusieurs morceaux de 1m50. "Les gants sont obligatoires et nous devrions même porter des masques car ces carottes dégagent beaucoup de gaz toxiques". Il y a notamment du méthane et du disulfure d’hydrogène, issus de la décomposition de la matière organique. "Maux de têtes et nausées sont fréquents", assure-t-il.

"Si la mission est épuisante physiquement, c’est une telle excitation intellectuelle d’accéder à ces mines de renseignements qu’on ne peut pas s’empêcher de se précipiter dessus dès qu’elles émergent", s’enthousiasme Norbert Frank, un collègue du LSCE. C’est donc sur mer, de façon presque rudimentaire, que commencent les premières analyses. "Un petit laboratoire nous permet de spécifier les propriétés physiques ou sédimentologiques comme la couleur, la texture, la taille des carottes", indique Norbert Frank. "Le bateau devient une véritable usine dans laquelle on doit organiser, analyser, décrire, ranger,…". "De plus, précise Dominique Blamart, nous prélevons des échantillons pour les biologistes avec lesquels nous collaborons. C’est un exemple de services précieux que peuvent apporter des collaborations avec d’autres équipes", explique le responsable de la mission. En effet, les zones carottées sont des monts carbonatés (formés par l'accumulation de coraux), qui, pour les biologistes, représentent de véritables "cornes d’abondance" sur lesquelles plus de 1300 espèces vivantes prolifèrent. Pour l’équipe du LSCE, il faut surtout se concentrer sur le classement des carottes, afin de pourvoir exploiter les résultats ensuite. Ce qui consiste à identifier chaque morceau, afin de savoir de quelle carotte il provenait et à quelle position dans le prélèvement il se trouvait. Sachant que la partie profonde correspond au corail le plus ancien, et la partie se trouvant vers la surface au corail actuel. Descendre le long des 20 mètres de carotte revient à remonter le temps jusqu’à plus de 10 000 ans en arrière.

04.Le corail, boîte noire de l'océan.

Blanchiment du corailLe blanchiment correspond à la perte de la coloration des coraux laissant transparaître le squelette blanc. Il est consécutif à la perte des zooxanthelles, algues symbiotiques du corail.C’est elle qui donne aux coraux leurs couleurs rouge, blanche, noire, etc. Cette perte peut être une réaction naturelle face au stress, mais, le plus souvent, elle est déclenchée par une élévation de la température de la mer sur plusieurs semaines, une pollution chimique, etc.
© LABOUTE Pierre/IRD
De retour sur la terre ferme, les carottes sont envoyées vers la "carothèque", véritable bibliothèque où sont stockées les carottes. "Certaines ne sont pas utilisables pour des études à très haute résolution paléoclimatique, d’autres sont ratées, la plupart sont déjà analysées mais pourront servir ultérieurement si de nouvelles techniques d’analyses sont mises au point", témoigne Christophe Colin, chercheur au laboratoire des Interactions et Dynamique des Environnements de Surface (IDES) de l’Université de Paris-Sud. Ces analyses reposent avant tout sur la mesure précise des rapports isotopiques : ils permettront de caractériser les masses d’eau océaniques (température, origine,…) dans lesquelles baignait le corail étudié. En effet, lors de sa croissance, le corail incorpore dans son squelette des éléments contenus dans l’océan, carbone et oxygène bien sûr, mais aussi des éléments traces comme l’uranium, le thorium ou le néodyme. "En mesurant les rapports isotopiques du carbone (carbone13/carbone12) et de l’oxygène (oxygène18/oxygène16), puis en combinant ces résultats, il est possible de retrouver la température de la masse d’eau dans laquelle s’est formé le corail", explique Dominique Blamart. De même, en calculant le rapport uranium/thorium et en le combinant à l’activité du carbone 14, on peut extraire l’âge de la masse d’eau.
Enfin, les mouvements de l’océan sont mis en exergue par la mesure du rapport isotopique du néodyme. "Les roches de la Terre sont signées d'un rapport isotopique du néodyme (néodyme143/néodyme144) qui dépend de l'âge et de l'histoire géologique de la roche, explique Christophe Colin qui a mis au point avec Norbert Frank, en 2004, un protocole permettant de mesurer ce rapport. Par conséquent, les différentes roches ont, à la surface des continents, des rapports isotopiques très contrastés. Lorsqu'elles s'érodent et s'altèrent, les sédiments et le néodyme dissous dans l’eau de pluie qui ruisselle sont transportés par les fleuves jusqu'aux océans". Les roches terrestres sont une des sources principales de néodyme dissous dans les eaux océaniques. C'est pourquoi l'eau de mer possède la même signature isotopique de néodyme que les continents qu'elle borde. Le corail incorpore cet élément dans son squelette et enregistre ainsi la composition isotopique des eaux dans lequel il vit. En mesurant ce rapport dans le corail, on peut déterminer de quelles régions provenaient les masses d'eau dans lesquelles l'organisme s'est développé, et retracer ainsi les changements de la circulation océanique dans le passé. CQFD ! Les prospections sur la circulation globale de l’océan datant d’à peine dix ans, elles offrent encore aux paléoclimatologues la possibilité de développer de nouvelles techniques et d’élaborer des protocoles analytiques inédits. Dans le monde, deux laboratoires, celui de Gif-sur-Yvette et un laboratoire new-yorkais, éprouvent le protocole mis au point par Christophe Colin et Norbert Franck. "La publication de nos résultats est imminente. Ils nous indiquent qu’il existait déjà des variations dans la circulation de l’océan il y a 10 000 ans", révèle Christophe Colin. "Il faut maintenant que l’on découvre les variations de l’océan depuis 200 ans. Les techniques sont les mêmes, les carottes aussi, nous n’avons plus qu’à mesurer". Mais cela risque de prendre encore plusieurs années : le temps de réunir le budget et le personnel nécessaires.
En attendant, le compteur tourne, le climat change et l’océan … "Si la circulation de l’océan change dans le sens des simulations du GIEC, il se pourrait que l’océan perde son rôle de "régulateur" des variations climatiques et devienne au contraire un "amplificateur" de ces bouleversements".

Restez connecté

Suivez-nous : Page Facebook Page Twitter

Lettre d'information :

Vidéo

Cette vidéo nécessite le plug-in gratuit Flash 8.
Il semble que vous ne l'avez pas.
Cliquer ici pour le télécharger

Interview de Xavier Raepsaet - La propulsion nucléaire spatiale

Portraits d'experts

  • Romina Aron Badin, les primates au coeur
  • Jacques-Marie Bardintzeff, une vie consacrée aux volcans
  • Catherine Charlot-Valdieu :  Home sweet home
  • Didier Labille, l’astronomie en amateur professionnel