Dossier : Climat   
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Salinité de surface de l'océan Atlantique nord


Extrait de la Lettre n°12 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)
































1 : Schéma de la circulation moyenne de surface de l’Atlantique nord.











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2 : Trajectoire suivie lors de l’échantillonnage en 2000.































3 : Variation de la salinité (en psu) de surface sur la ligne entre Terre-Neuve et l’Islande de 1994 à 2000.





4 : variations de la température de surface et de la salinité de surface.

 


La salinité des eaux de surface, en particulier en Atlantique nord, contribue de façon importante à la circulation océanique, qui, elle, influence fortement le climat. Les prévisions d'une diminution de l'intensité de la circulation méridienne sous l'effet de l'augmentation anthropique de gaz à effet de serre relancent la nécessité de bien comprendre le moteur de cette salinité. L’état actuel des mesures ainsi qu’un historique est présenté ci-dessous.

L’océan Atlantique et les autres océans

La circulation de l'océan Atlantique se différencie principalement de celle des autres océans par la présence d'un apport important d'eau tropicale vers les hautes latitudes de l'Atlantique nord. Ces eaux s'y refroidissent sous l'effet des échanges de chaleur avec l'atmosphère, puis, pour une bonne part, plongent et s’écoulent vers le sud. Cette circulation méridienne est rendue possible parce que les eaux de surface de l'Atlantique nord sont en général, à température égale, plus salées que celles du Pacifique nord (et à quelles exceptions près, que celles de l'océan austral) et donc, étant plus denses aux très hautes latitudes, elles sont la source principale de formation des eaux profondes des océans. Ce qui est la cause ultime de cette dissymétrie entre océans Atlantique et Pacifique reste un sujet de recherche, mais de fortes suspicions renforcées par des exercices de modélisation portent sur les bilans hydriques des différents bassins. Bien comprendre ce bilan hydrique n'est pas juste une affaire de météorologues, mais met en cause le système couplé océan-atmosphère (glaces) dans son ensemble.

L’importance du bilan hydrique
Bien que les eaux de surface de l'Atlantique nord, à température égale, soient en général plus salées que celles des autres régions du globe, elles sont aussi soumises à un excès de précipitations au delà d'environ 45°N et d'apports d'eau douce en provenance de l'Arctique qui s'écoulent le long du Groenland et des côtes du Labrador, parfois sous forme de glace de mer jusqu'à des latitudes assez basses (occasionnellement jusqu'à 42°N au large des grands bancs de Terre-Neuve). Ces apports d'eau douce en provenance de l'Arctique, de même peut-être que le flux d'eau salé en provenance des tropiques (figure 1), semblent présenter d'importantes variations interannuelles. On a souvent suggéré que des apports exceptionnels d'eau douce de l'Arctique pourraient réduire la formation d'eau profonde et la circulation thermohaline (en particulier, pour le site de formation en mer du Labrador, qui semble avoir été fortement affecté par l'invasion d'eau douce à la fin des années 1960). Il est aussi probable que le bilan hydrique net sur l'ensemble de l'Atlantique contribue à la salinité des eaux qui atteignent les hautes latitudes de l'Atlantique nord. Ce bilan d'échange d'eau douce entre océan-atmosphère et continents est fort probablement dépendant des grands modes de variabilité tropicale, en particulier, d'ENSO. La salinité des régions tropicales et subtropicales de l'Atlantique nord présente aussi une importante variabilité décennale qui pourrait être associée aux modes de déplacement de la zone de convergence intertropicale.

Question d’actualité
Les questions associées à la salinité des eaux de surface sont redevenues d'actualité, à la suite de prévisions d'une diminution de l'intensité de la circulation méridienne sous l'effet de l'augmentation anthropique de gaz à effet de serre. Dans certains modèles l'augmentation de température des eaux du Gulf Stream, et donc la diminution induite sur la densité des eaux de surface, est suffisante pour réduire très fortement la circulation méridienne ce qui a pour effet d'amener un refroidissement et un rafraîchissement des eaux de l'Atlantique nord aux hautes latitudes. Dans d'autres, cet effet est moins prononcé, du fait en partie de changements dans le bilan hydrique de l'Atlantique, mais aussi des régimes de vent (augmentation des vents d'ouest sur le secteur Atlantique nord vers 50-60°N).


Historique des mesures de salinité de surface

Une approche traditionnelle pour suivre les caractéristiques des eaux de surface, a été de faire des mesures de salinité de surface à partir de navires de commerce ou lors d'expéditions scientifiques. Le suivi systématique de la salinité de surface a été initié dans les années 1890 afin d'appréhender l'évolution de l'apport d'eau subtropicale dans l'Atlantique nord-est et en particulier vers la Scandinavie (Pederson, Dickson, Knudsen...). La motivation était d'ailleurs tant d’ordre climatique que liée à l’intérêt des pêcheries. Après un enthousiasme initial lié à la nouveauté des mesures et l'obtention de nombreuses données de bonne peu après 1900, les programmes ont subi le contrecoup d'une certaine lassitude, associée à la relative faiblesse des signaux observés (M. Knudsen, 1905). Il n'en reste pas moins que des programmes systématiques d'échantillonnage utilisant des navires de commerce sont restés en place sous l'égide d'ICES jusque vers 1960, en particulier dans le gyre subpolaire et dans l'Atlantique nord-est. Malheureusement, l'Atlantique ouest a été beaucoup plus irrégulièrement échantillonné par ces programmes. De plus, les méthodes d'analyse ou de conservation des échantillons ont souvent fortement laissé à désirer, résultant en des erreurs parfois importantes. En 1948, des sites fixes de l'Atlantique nord ont été occupés par des navires d'observations météorologiques (OWS), qui ont souvent effectué des mesures de salinité de surface sous l'égide d'ICES, sauf dans l'Atlantique ouest. Ces navires ont été progressivement retirés dans les années 1970 et 1980, et seul le site de «Mike» par 66°N/2°E est encore en service.

Indépendamment de ces efforts, l'ORSTOM (devenue récemment l'IRD) a recueilli depuis 1977 des observations de salinité de surface à partir de navires de commerce entre des ports d'Europe (surtout Le Havre) et différentes destinations d'Afrique ou d'Amérique du sud (www.brest.ird.fr/sss/salinit1.html). Ce réseau a été principalement sous la responsabilité du centre IRD de Brest, à l'exception de certains navires qui font le tour du monde en passant par la France et l’Amérique du nord et qui sont sous la responsabilité du centre IRD de Nouméa (Nouvelle-Calédonie). Les observations ont été principalement faites à partir de prélèvements en bouteilles, mais depuis 1996 des thermosalinographes permettent un enregistrement en continu de la température et de la salinité. En parallèle, aux USA, les agences NMFS, puis la NOAA, ont mis en oeuvre la collecte observations de surface, d'abord au voisinage des côtes nord américaines, puis depuis 1993, en équipant plusieurs navires de commerce de thermosalinographes (en particulier, l'Oleander faisant route entre New York et les Bermudes). Les observations de ces deux organismes forment la plus grande part des mesures de surface recueillies dans l'Atlantique nord et tropical depuis la fin des années 1970, mais laissaient de coté le gyre subpolaire de l'Atlantique nord. L'échantillonnage a repris dans cette région grâce à une collaboration entre LDEO (New York), LEGOS (Toulouse), NOAA et IRD (soutient financier du PNEDC et IFRTP), à partir de deux lignes de navigation, l'une entre Islande et Terre-Neuve, depuis l'été 1993, et l'autre entre Danemark et la côte ouest du Groënland, depuis l'été 1997 (figure 2). L'instrumentation de base en est un thermosalinographe, mais des prélèvements sont collectés régulièrement pour en permettre la calibration (tous les 3 mois par un observateur entre Islande et Terre-Neuve, par l'équipage entre le Danemark et le Groenland).

Les difficultés
Faire en sorte que les observations soient de bonne qualité requière un effort important. En effet, les thermosalinographes non nettoyés peuvent présenter des dérives importantes, les circuits d'arrivée d'eau peuvent être fermés ou les pompes qui les alimentent ne pas être en bon état. A cela, ajoutons que les positions sont données par un GPS qui peut aussi être en panne. Tout ceci requière des interventions régulières, mais quelques fois l'éloignement de ports où les navires appareillent rendent une action directe impossible. La plus grande difficulté que nous ayons rencontrée a été associée aux changements fréquents de navires sur la ligne Islande Terre-Neuve, où nous en sommes au quatrième navire en 7 ans. Sachant qu'il faut environ 6 mois à chaque fois pour que les systèmes soient installés et opérationnels, cela représente une perte importante de données.


Variabilité de la surface du gyre sub-polaire

Les résultats sont illustrés sous la forme de séries temporelles, dont nous présentons deux exemples correspondant aux deux lignes de navigation, après avoir retiré un cycle saisonnier moyen (figure 3). L'échantillonnage a été suffisant pour appréhender la contribution de la salinité de surface aux variations de densité des eaux du gyre subpolaire, et doit aussi rendre compte de déplacements interannuels de fronts océaniques ou de changements de la circulation, qui peuvent aussi être visualisés à partir des observations altimétriques satellitales. On constate ainsi au nord de 55°N sur la ligne Terre-Neuve à Islande (est de la mer d'Irminger) une augmentation importante de la salinité à partir de la fin 1996. Cette augmentation semble s'être arrêtée en fin 1998-1999 et on serait depuis cette date dans une phase de décroissance. Les observations de l'autre ligne confirment ces tendances en mer d'Irminger (ouest de 30°W), mais suggèrent des différences avec les eaux plus chaudes de l'est du gyre subpolaire à 60°N, où le maximum est plutôt en 1997 avec des valeurs plutôt plus faibles depuis. Ces observations de thermosalinographes sont cependant bien trop courtes pour que l'on puisse conclure, en particulier dans l'est du gyre subpolaire où les variations observées sont faibles.

Des séries plus longues peuvent être construites, mais avec une précision moindre (figure 4). Elles illustrent la variabilité basse-fréquence, montrant qu’une forte baisse de salinité s'est produite vers la fin des années 1960s dans tout le gyre subpolaire, confirmée par les observations de subsurface.


Futur du réseau d'observations de surface

Les données de surface proviennent de navires de recherche et de navires de ravitaillement des instituts polaires, d'instruments remorqués, de mouillage et, éventuellement, de bouées dérivantes. Elles nous parviennent en général sans validation (instruments non calibrés, souvent sous une version disponible en temps réel). Ceci peut rendre l'homogénisation et la validation du jeu de données particulièrement difficile. Dans la mesure où les observations deviendront plus nombreuses, une validation partielle pourra se faire par intercomparaison. Ceci dépend de la mise à disposition des données. Celle-ci était principalement faite en temps quasi-réel par la NOAA (à AOML, Miami), mais ce service n'est plus reconnu officiellement et tend à ne fonctionner que partiellement. L'IRD met en place actuellement un système de transmission différent, payant, mais qui semble assez fiable (par Standart-C Inmarsat ou en associant les données à celles des données météo transmises par la station Batos). A terme, ce service pourrait remplacer celui de la NOAA, en tout cas au niveau français (bateaux équipés par l'IRD), où ces données seraient alors recueillies par le centre Coriolis (voir «Le projet Coriolis...») de même que celles des navires de recherche français (www.ifremer.fr/coriolis/).

L’intérêt des profils verticaux
On doit cependant se poser la question de l'intérêt des observations de surface dans un contexte plus général d'observations in situ, et en particulier avec la possibilité prochaine d'obtenir des profils verticaux en nombre important à partir de flotteurs profilants (projet ARGO, dont la mise en oeuvre débute dans l'Atlantique nord cette année). L'avantage d'avoir des profils verticaux est que l'on peut estimer l'échelle verticale des signaux détectés en surface. Cette échelle est importante pour appréhender ce que peut être l'énergie potentielle associée à la stratification haline, et donc l’impact de la salinité sur le mélange vertical.

On a pu tester en quelques sites de l'Atlantique nord l'échelle verticale des signaux de surface. Elle s'avère être grande en hiver, mais parfois être peu importante dans les autres saisons (et probablement assez variable d'une année à l'autre). C'est sûrement aussi vrai dans les régions des tropiques soumises à des précipitations intenses. Dans le gyre subpolaire, une expérience test des flotteurs profilants a donné lieu à de nombreux déploiements de ces flotteurs de l'été 1996 au printemps 1997. Une partie de ces données a été mise à notre disposition, qui nous a permis de tester l'usage des données de ces flotteurs pour retracer la salinité à 5 mètres environ de la surface, telle qu'elle est mesurée par un thermosalinographe. Les résultats sont encourageants, mais les comparaisons directes de données des flotteurs et de TSG suggérent des différences importantes (écart-type de 0.08 psu), qui, pour une part, proviennent des erreurs des instruments, mais qui, pour une part importante, résultent de la variabilité spatiale de la salinité de surface à petite échelle. Cette variabilité à petite échelle a été estimée en plusieurs régions extra-tropicales à partir de données de thermosalinographes.

La variabilité
Ces estimations montrent des variations notables de salinité aux latitudes tempérées ou élevées dès 4 km de distance, même en excluant les régions de fronts les plus intenses. L'écart-type de cette variabilité varie fortement avec la distance jusqu'à des séparations de 30 km. Dans le gyre subpolaire, elle atteind à cette distance près de 0.04 psu (l'équivalent en température étant de 0.2°C) et semble plus grande au cours de l'été et automne qu'en cours d'hiver ou de printemps. Des résultats voisins ont été trouvés dans l'autre région testée vers 35°-45°N/20°W (au voisinage du site de l'expérience POMME)), mais il reste à les vérifier sur d'autres régions de l'Atlantique.

Ceci suggère qu'il faut maintenir les observations de salinité par thermosalinographes des réseaux actuels, le temps que les suivis par flotteurs prévus dans ARGO se mettent en place, et que l'on puisse juger plus objectivement des erreurs d'échantillonnage. Les données seront aussi utiles par la suite pour la calibration des mesures de salinité obtenues à partir de satellites (projet SMOS, par exemple).


Les communautés concernées par ces mesures

L'utilisation des navires de commerce a aussi d'autres demandeurs intéressés à une simultanéité avec des mesures de température et de salinité. D'une part, une communauté de biologistes faisant principalement des mesures de plancton par Continuous Plankton Recorder (l'instrument mis en oeuvre par le SAHFOS, Plymouth, UK) et la NOAA réalise parfois des mesures de température et de salinité depuis 1994), d'autre part, une communauté intéressée au carbone et autres sels nutritifs des eaux de surface, ainsi qu'aux échanges de gas carbonique entre océan et atmosphère. Ce dernier usage de navires de commerce (ou de navires de recherche et de ravitaillement des bases arctiques ou antarctiques) a été souvent mis en oeuvre depuis une quinzaine d'années, et ne devrait pas connaître de baisse de faveur dans un futur proche au vue des besoins exprimées par les projets futurs destinés à mieux comprendre l'absorption de carbone par l'océan.


Contact :
Gilles Reverdin
LEGOS, UMR 5566
(CNRS, CNES, IRD, Univ. P. Sabatier)
14, Av. E. Belin - 31400 Toulouse
gilles.reverdin@cnes.fr




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