Les premières observations et l'aube de l'étude systématique

Bien avant l'existence du terme « océanographie », les marins avaient accumulé des connaissances empiriques sur les courants de surface. Les navigateurs polynésiens anciens utilisaient leur compréhension des courants océaniques et des houles pour voyager dans le vaste Pacifique, tandis que les commerçants arabes et les explorateurs vikings ont noté des changements saisonniers dans les mouvements maritimes.Ces premières observations étaient pratiques, non théoriques, elles permettaient le commerce, l'exploration et la survie.

Une des premières contributions majeures provenait de Benjamin Franklin, qui, en tant que sous-maître général des postes des colonies britanniques, se frustrait de la présence de navires de courrier qui avançaient vers l'ouest. En 1769, Franklin, aidé de son cousin Timothy Folger, un baleinier de Nantucket, créa le premier tableau connu du Gulf Stream. Cette carte montrait le chemin du courant chaud du golfe du Mexique jusqu'à la côte américaine et à travers l'Atlantique. Bien que brut selon des normes modernes, Franklin , le tableau était un document historique, il démontrait qu'un courant puissant et cohérent pouvait être cartographié et prédit. Un siècle plus tard, l'officier de la marine américaine Matthew Fontaine Maury[ compilait des milliers de journaux de navires pour produire son Historique actuel et ventile , qui a transformé la marine mondiale et jeté les bases de l

À la fin du XVIIIe siècle, le développement du thermomètre a permis de mesurer la température de façon plus précise à la profondeur. Des scientifiques comme James Rennell ont commencé à relier les courants de surface à la température et à la salinité, en posant les bases d'une circulation par densité.

La naissance de l'océanographie dynamique

Au début du XXe siècle, l'océanographie avait mûri d'une science descriptive à une science dynamique. L'océanographe norvégien Harald Sverdrup a développé la théorie des courants océaniques à vent, montrant comment l'équilibre entre la contrainte éolienne et l'effet Coriolis produit des gyrèses à grande échelle. Son manuel de 1942 Les océans sont devenus la bible d'une génération de chercheurs, synthétisant toutes les connaissances connues de la physique, de la chimie et de la biologie océaniques. Peu après, l'océanographe américain Henry Stommel a fourni une explication théorique pour expliquer pourquoi les courants limitrophes occidentaux (comme le Gulf Stream) sont si intenses, un concept maintenant connu sous le nom Stommel=s western intensification theory the humanity to the knowledge for the courant océanique.

La percée la plus profonde du XXe siècle a cependant été la reconnaissance de la circulation thermohaline, une boucle profonde et lente, entraînée par des différences de densité d'eau causées par la température (thermo) et la salinité (haline). Dans les années 1980 et 1990, les océanographes ont synthétisé des décennies d'observations provenant de navires, de bouées et de données satellite précoces pour conceptualiser ce système comme «une courroie transporteuse mondiale».

Les courants océaniques et la machine climatique

Le Gulf Stream[ et son extension, la dérive de l'Atlantique Nord, transportent des eaux tropicales chaudes vers des latitudes élevées. Cela augmente les températures hivernales en Europe de l'Ouest jusqu'à 10 °C (18 °F) par rapport à des latitudes semblables au Canada ou en Sibérie. De même, le Kuroshio Current réchauffe le Japon et la côte Pacifique de l'Amérique du Nord, tandis que le Humboldt (Pérou) Current au large de l'Amérique du Sud apporte de l'eau froide et riche en nutriments qui soutient la plus grande pêche au monde.

Le plus puissant signal climatique à court terme lié aux courants océaniques est peut-être le cycle El Niño–Oscillation australe (ENSO). Lors d'un événement El Niño, les vents commerciaux est-ouest s'affaiblissent, permettant à l'eau chaude de se replier vers le Pacifique central et est. Cela perturbe le modèle normal de remontée de l'eau – où les eaux froides et riches en nutriments se multiplient par des changements massifs dans les conditions météorologiques mondiales : inondations au Pérou et en Californie, sécheresses en Indonésie et en Australie et modification des modèles de mousson en Inde. La phase complémentaire de La Niña apporte les conditions opposées, provoquant souvent une élévation accrue des températures de surface de la mer plus froide que la moyenne dans le Pacifique est. L'ENSO est maintenant prédite des mois à des saisons à l'avance à l'aide de modèles océan-atmosphère couplés, mais ces prévisions dépendent de la compréhension de la dynamique du courant océanique à l'équateur.

La circulation méridiene de l'Atlantique (CAM)

Les données recueillies par le Paleoclimate montrent que l'AMOC a ralenti de façon spectaculaire, voire s'est arrêté dans le passé, surtout au cours de la période des plus jeunes sécheresses, ce qui a provoqué un refroidissement brutal dans la région de l'Atlantique Nord. Aujourd'hui, les scientifiques craignent que les changements climatiques causés par l'homme—notamment l'apport en eau douce provenant de la fonte de la glace du Groenland— puissent affaiblir l'AMOC, ce qui pourrait entraîner une cascade d'effets climatiques: refroidissement de l'Europe, élévation du niveau de la mer le long de la côte Est des États-Unis, et perturbations des ceintures de pluie tropicales.

Les courants océaniques et le cycle mondial du carbone

Les courants océaniques ne redistribuent pas seulement la chaleur, ils jouent également un rôle central dans le cycle mondial du carbone. L'océan absorbe environ le quart du dioxyde de carbone émis par les activités humaines, et les courants déterminent la rapidité avec laquelle ce CO2 est absorbé et où il est stocké. Les eaux froides et profondes de l'Atlantique Nord et de l'océan Austral sont des puits majeurs pour le CO2 atmosphérique parce que l'eau froide peut contenir plus de gaz dissous.

Parallèlement, la pompe biologique repose sur les courants océaniques pour alimenter le phytoplancton en éléments nutritifs, qui photosynthèse et exportation du carbone organique à la profondeur. Les courants ascendants, comme ceux qui se trouvent le long des côtes ouest des continents, apportent à la surface des eaux riches en éléments nutritifs, alimentant d'énormes proliférations de phytoplancton qui tirent du CO2. Lorsque ces organismes meurent, leurs restes s'enfoncent, transportant du carbone vers l'océan profond. L'efficacité de cette pompe est très sensible aux changements de circulation. Par exemple, un affaiblissement de la COAM pourrait réduire la formation d'eaux profondes dans l'Atlantique Nord, ce qui réduirait la capacité de l'océan à absorber et stocker le CO2.

Dans les régions où les courants chauds se déversent sur les sédiments froids, contenant du méthane et des hydrates, comme le long de la pente continentale de l'océan Arctique, la déstabilisation des clatrates de méthane pourrait libérer de grandes quantités de ce puissant gaz à effet de serre. Comprendre l'interaction entre le transport thermique par le courant et la stabilité de l'hydrate de méthane est une frontière de recherche urgente, d'autant plus que le réchauffement s'accélère dans les régions polaires.

Les révolutions technologiques dans l'étude actuelle

Dans les années 1970, l'altimétrie des satellites,pioné par des missions comme TOPEX/Poseidon et poursuivi par Jason-3 et Sentinel-6, a permis aux scientifiques de mesurer la hauteur de la surface de la mer avec une précision de centimètre. Parce que les courants ont une signature en hauteur de la surface de la mer (par l'équilibre géostrophique), ces satellites fournissent une carte globale des courants de surface tous les jours. En parallèle, le programme Argo (initié en 2000) déploie des milliers de flotteurs de profil autonomes qui dérivent avec les courants et mesurent la température, la salinité et la pression jusqu'à 2 000 mètres.

Les réseaux de stations radar HF le long des côtes de l'Amérique du Nord, de l'Europe et de l'Australie fournissent maintenant des cartes horaires des courants de surface utilisés pour la recherche et le sauvetage, le suivi des proliférations d'algues nuisibles et la surveillance des déversements de pétrole. Les planeurs sous-marins – véhicules autonomes à flottabilité qui peuvent patrouiller pendant des mois – sont de plus en plus utilisés pour mesurer les courants dans les eaux éloignées et couvertes de glace. Par exemple, le projet Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling (SOCCOM) déploie des planeurs équipés de capteurs biogéochimiques autour de l'Antarctique, révélant comment les tourbillons et les fronts influencent l'absorption de carbone.

Ces réseaux d'observation alimentent des modèles climatiques de pointe, comme ceux utilisés par le Laboratoire géophysique de dynamique des fluides de la NOAA et le Bureau Met du Royaume-Uni. Les modèles modernes résolvent des tourbillons mésométriques, qui transportent de dizaines à des centaines de kilomètres de travers, qui transportent une grande partie de l'énergie cinétique de l'océan et jouent un rôle clé dans la redistribution de la chaleur et du carbone. Les modèles peuvent maintenant simuler l'évolution des courants océaniques au cours des siècles, permettant aux chercheurs de tester des scénarios de réchauffement futur et de fonte de la glace.

Principaux défis et questions ouvertes

Malgré ces progrès, de grands défis demeurent en ce qui concerne la compréhension et la prévision du comportement des courants océaniques sous un climat changeant.

  • La stabilité de la circulation méridiene de l'Atlantique (AMOC)[: Le réchauffement anthropique poussera-t-il l'AMOC à passer un point de basculement? Des réseaux d'observation (comme le projet RAPID-MOCHA à 26,5°N) fournissent des données en temps réel, mais les modèles ne sont pas d'accord sur le moment et l'ampleur d'un ralentissement.
  • Paramètreage d'Eddy dans les modèles: Bien que les modèles puissent résoudre les tourbillons à l'échelle mondiale, les limites de calcul nécessitent toujours des approximations à l'échelle du sous-réseau. L'amélioration de ces paramétrisations est essentielle pour des projections précises à long terme.
  • Interaction avec le cycle du carbone[: Les courants océaniques fixent la vitesse à laquelle l'océan absorbe le CO2 anthropique. Le soulèvement provoqué par le vent amène à la surface des eaux profondes riches en carbone, ce qui affecte l'échange de gaz air-mer.
  • Effets régionaux des changements actuels: Par exemple, si l'océan Indien traverse les changements du Pacifique, la dynamique de la mousson sur l'Inde et l'Afrique de l'Est pourrait être modifiée, affectant des milliards de personnes.
  • Accélération de l'élévation du niveau de la mer[: Les courants océaniques redistribuent la masse; un ralentissement du Gulf Stream a déjà été impliqué dans une élévation accrue du niveau de la mer le long de la côte Est des États-Unis. Comprendre ces empreintes digitales régionales est essentiel pour l'adaptation des côtes.
  • L'océan profond sous les calottes glaciaires: Des courants profonds chauds fondent les dessous des plateaux glaciaires de l'Antarctique depuis le bas, accélérant la perte de glace et augmentant le niveau de la mer.

La collaboration internationale reste l'épine dorsale de la recherche sur les courants océaniques. Des programmes comme le Programme mondial de recherche sur le climat=Le projet CLIVAR coordonne les observations et la modélisation à travers le monde. L'extension du réseau Argo dans les océans profonds (Deep Argo) et dans les régions couvertes de glace (par des planeurs autonomes) promet de fournir des données encore plus complètes dans les années à venir.

Conclusion : La frontière critique

L'étude des courants océaniques est passée du livre de bord du charpentier et du tableau des baleines à une discipline intégrant la télémétrie par satellite, les flotteurs autonomes, les supercalculateurs et la collaboration mondiale. Chaque époque a apporté une appréciation plus profonde du rôle de l'océan dans la formation du climat terrestre, du pouls lent du convoyeur thermohaline aux fluctuations d'année en année de l'ENSO.

Les plus grands progrès au cours des prochaines décennies découleront probablement de la fusion de systèmes d'observation soutenus avec des modèles de nouvelle génération qui peuvent simuler l'océan à la résolution de divers tourbillons. En même temps, les registres paléopéanographiques – carottes de sédiments, isotopes coralliens, carottes de glace – continueront de nous montrer ce que le système terrestre est capable de faire. L'arc historique est clair : chaque amélioration de notre capacité à mesurer et à modéliser les courants océaniques nous rapproche d'une compréhension fiable du système climatique dans son ensemble. L'urgence du changement climatique garantit que ce travail demeure l'une des entreprises scientifiques les plus critiques de notre temps.