Dossier : Climat   
    La recherche française sur le climat
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  Rôle de l'océan  
   


L'océan Glacial Arctique
aux avant-postes du changement climatique global


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




















1 : Épaisseur de la banquise (haut), et son évolution (bas).

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2 : Principales structures topographiques et circulation de surface de l’Océan Arctique et des mers nordiques.

 

3 : Variation saisonnière de l'extension de la banquise en hémisphère Nord et en hémisphère Sud.

 

 

 

 

 

 

 
















4 : Variabilité interannuelle de l'Odden, presqu'île de glace.
































































































5 : Programme Océan Subpolaire Européen (ESOP-2), composante française.



6 : Schéma de circulation dans le détroit de Fram obtenu à partir d’un modèle inverse.



7 : Programme français ARCTEMIZ 88.



8 : Distribution des glaces de mer arctiques, le 27 mars 2000, obtenue à partir des cartes du coefficient de rétrodiffusion de SeaWinds.

 


Les faits

De récentes observations effectuées dans l'océan Glacial Arctique ont révélé une variabilité insoupçonnée de l'épaisseur des glaces de mer recouvrant cet océan, tout en confirmant l'existence de modifications importantes de sa structure hydrologique. L'évidence de tels changements s'est progressivement imposée à la communauté scientifique depuis une dizaine d'années, suite à l'exploration plus systématique de l'océan Arctique à partir des brises-glace de recherche ainsi qu'aux observations recueillies depuis les sous-marins nucléaires de l'US Navy mis à la disposition des scientifiques lors des opérations SCICEX (1993-99).

C'est ainsi que l'on a pu mettre en évidence un réchauffement important de la couche d'eau Atlantique qui s'écoule le long des talus continentaux situés au sud et à l'est du bassin Eurasien ainsi qu'une pénétration plus avant vers l'est dans le bassin de Makarov de cette eau chaude et salée.

Par ailleurs, l'accumulation, depuis la fin des années 70, de données radiométriques satellitales a permis de construire des séries temporelles de la couverture globale des glaces de mer polaires et de déceler une tendance faible mais significative à la diminution de l'étendue des glaces de mer arctiques, de l'ordre de 2 à 3 pour mille en moyenne par an. L'analyse récente des chercheurs de l'Université de Washington, révélant une épaisseur moyenne des glaces arctiques inférieure à 2 mètres dans la partie centrale du bassin arctique sur la période 1993-97, soit en diminution de 40 % par rapport aux valeurs établies dans les années 1958-76 sur le même domaine, fournit un indice clair de l'implication des glaces de mer dans le contexte plus large de la variabilité climatique en Arctique (figure 1). Avant de commenter les causes (probables) et les conséquences (incertaines) de ces observations surprenantes à plus d'un titre, il est nécessaire de les replacer dans leur contexte à la fois géographique et climatique.


La circulation de l’océan Arctique

Découvert par F. Nansen il y a plus d'un siècle, l'océan Arctique est un océan profond barré par une chaîne de montagnes qui s'étend des plateaux continentaux sibériens jusqu'au voisinage du Groenland en passant par le pôle nord géographique (figure 2). C'est la dorsale de Lomonosov qui s'élève à 2 km au-dessus de la plaine abyssale située en moyenne à 4 km de profondeur, et qui
divise l'Arctique en deux bassins principaux, le bassin Canadien et le bassin Eurasien. De nos jours, les glaces de mer de l'hémisphère Nord recouvrent en hiver environ 14 millions de km2 qui incluent la quasi-totalité de l'océan Glacial Arctique. En été, la moitié environ de ces glaces résistent à la fonte et survivent jusqu'à l'hiver suivant (figure 3). Leur épaisseur dépasse 3 m en moyenne et on les appelle les glaces pluriannuelles pour les distinguer des glaces jeunes de l'année, moins épaisses. Une partie de ces glaces (environ 2 000 à 3 000 km3) quitte chaque année l'océan Arctique par le détroit de Fram situé entre le Spitzberg et le Groenland et est entraînée vers le sud avec le courant froid d'eau polaire Est-Groenlandais. Par contraste, un courant chaud remontant vers le nord au large des côtes norvégiennes entraîne vers l'Arctique des eaux d'origine atlantique, d'une part via le détroit de Fram en longeant les côtes occidentales du Spitzberg, d'autre part entre la Terre François-Joseph et la Nouvelle Zemble, après avoir traversé le plateau continental peu profond de la mer de Barents (figure 2). Ces eaux chaudes et salées se déplacent sous les eaux polaires tout autour du bassin Eurasien en décrivant une vaste circulation cyclonique et, pour une grande part, retournent finalement vers le détroit de Fram en suivant les rides de Gakkel et de Lomonosov. La durée de ce périple est de l'ordre de la décennie. Un flux plus réduit d'eau Atlantique essentiellement issu de la mer de Barents pénètre au-delà de la ride de Lomonosov dans le bassin Canadien.


L’évolution récente

Ce sont ces masses d'eau d'origine atlantique que les chercheurs canadiens et américains ont trouvées récemment en abondance dans le bassin de Makarov et, au-delà, sur la ride de Mendeleyev. Des noyaux d'eau anormalement chaude (jusqu'à 1.7 °C) ont pu être identifiés au-dessus de la ride de Lomonosov tandis que le front thermique caractérisant l'avancée des eaux atlantiques du bassin Eurasien est maintenant installé de manière stable au-dessus de la ride de Mendeleyev. Parallèlement, des changements moins abrupts, mais tout aussi notables, ont été observés dans le bassin du Canada lors des explorations systématiques effectuées par les brises-glace canadiens au cours des deux dernières décennies. En particulier, il semble que le contenu thermique des couches intermédiaires de ce bassin ait augmenté sensiblement entre 1981 et 1996, probablement en réponse à une augmentation du flux d'eau atlantique de la mer de Barents. Si l'excès de chaleur ainsi emmagasiné devait être entièrement utilisé pour fondre la glace, 70 cm de glace pourrait alors avoir fondu de ce fait.


L’origine ?

L’interaction glace mer / océan
Quelle est l'origine de cet afflux d'eau chaude et salée ?
Y a-t-il une relation de cause à effet entre cette «invasion» d'eau Atlantique, chaude, et la diminution constatée de l'épaisseur des glaces de mer ? Quel peut-être en retour l'impact de cette diminution d'épaisseur sur les masses d'eau sous-jacentes ? En effet, qu'elles proviennent d'une réduction de la congélation hivernale ou d'un excès de fonte estivale, les variations d'épaisseur de la glace modifient les quantités de sel ou d'eau douce injectées à la surface de l'océan et, par là, la stratification océanique. L'impact des anomalies de salinité ainsi engendrées dépend néanmoins de leur répartition spatiale : lorsqu'elles se développent dans les sites de formation des eaux océaniques comme les gyres subpolaires ou les plateaux continentaux en bordure du pack, elles agissent sur le renouvellement de ces eaux et conditionnent donc fortement la circulation thermohaline globale.

Ces effets sont difficiles à évaluer à partir d'estimations
globales. Ainsi, par exemple, en aval du détroit de Fram, les anomalies très significatives de la distribution des glaces de mer dans la gyre du Groenland, dont la manisfestation essentielle est l'Odden (figure 4), trouvent pour une bonne part leur origine dans des processus locaux (advection par les courants océaniques, échanges de chaleur avec l'océan et l'atmosphère).

L’impact de l’atmosphère
Au-delà des mécanismes d'interaction entre la glace de mer et l'océan, on peut se demander quel est le rôle de l'atmosphère dans la variabilité des glaces observée en Arctique. Ainsi, on sait que les variations de l'épaisseur des glaces exportées par le détroit de Fram sont directement liées aux courants de dérive dominants, et donc au forçage dynamique de l'atmosphère. Plus généralement, de nombreuses études ont démontré un lien statistique très fort entre variabilité des glaces et variabilité des champs atmosphériques tels que la pression au niveau de la mer, qui modifient la dérive des glaces et la circulation océanique. De plus, la variabilité en Arctique ne peut être dissociée du changement climatique global. Rappelons que la réponse des modèles de prévision climatique à une augmentation du CO2 atmosphérique indique un réchauffement de la basse troposphère 5 fois plus marqué dans les hautes latitudes de l'hémisphère Nord qu'aux latitudes moyennes. Cette amplification du signal climatique est liée aux variations de la couverture de glace de mer via notamment le feedback de l'albédo. Par ailleurs, de nombreux signaux de la variabilité en Arctique sont fortement corrélés à la variabilité atmosphérique en Atlantique Nord, en particulier à la NAO (North Atlantic Oscillation). L'excellente corrélation, au cours des deux dernières décennies, entre l'indice de NAO et le flux de glace à travers le détroit de Fram ou le transport d'eau Atlantique en mer de Barents en sont des exemples frappants.

Le signal climatique ?
On peut aussi s'interroger sur la réalité du signal climatique révélé par les observations récentes en Arctique. Arctefact d'un sous-échantillonnage spatio-temporel ou tendance à long terme significative ? Réponse au réchauffement global ou variabilité naturelle basse-fréquence ?

Quoiqu'il en soit, si les observations révélées par les chercheurs de l'Université de Washington sont représentatives des caractéristiques moyennes de la couverture de glace en Arctique, passer de 3 m d'épaisseur moyenne de glace à moins de 2 m en l'espace de quelques décennies est un changement très important ; et d'autant plus que cette tendance globale semble se confirmer sur la période plus récente (1993-97) et que, plus localement dans la région du pôle et au nord du Groenland, on a aussi observé une nette diminution de l'épaisseur des glaces entre 1976 et 1987. Cette diminution d'épaisseur est associée d’une part à une modification de la nature des glaces arctiques (diminution de la proportion de glace pluriannuelle) et d’autre part à une tendance à la diminution de leur étendue. La cohérence de tous ces signaux climatiques suggère une origine globale commune.

Pourtant, il faut être prudent. Ainsi, l'analyse des données d'épaisseur de la banquise recueillies au printemps dans le bassin canadien et au pôle Nord sur la période 1977-90, indique une variabilité interannuelle très forte (de l'ordre du mètre) au regard de laquelle la tendance à long terme sur cette période se révèle non significative. Par ailleurs, on peut noter que les données des sous-marins américains utilisées pour établir les variations globales d'épaisseur de glace ne fournissent pas un échantillonage complet du bassin Arctique, excluant notamment les régions périphériques de la banquise situées au nord de l'archipel canadien et du Groenland, là où, précisément, se trouvent les glaces les plus épaisses de l'Arctique. Quant aux séries temporelles de données satellitales sur l'étendue des glaces, elles sont courtes et les signaux présentent également une grande variabilité spatiale et interannuelle. Ainsi, si l'on considère l'étendue des glaces couvrant exclusivement l'océan Glacial Arctique, on remarque une variabilité interannuelle particulièrement forte, associée de surcroît à une augmentation de leur étendue sur la période la plus récente (1990-96).

Quelle que soit l'amplitude et la nature de leur variabilité, il n'en demeure pas moins vrai que les glaces de mer arctiques se révèlent être un témoin important de l'évolution climatique de notre planète. Nous le savions déjà pour ce qui concerne les changements climatiques à long terme. Ce qui est plus nouveau, c'est le caractère rapide de la variabilité arctique révélé par les observations récentes des scientifiques... et aussi de touristes fortunés qui, régulièrement en été, tentent à bord de brises-glace d'aller marcher sur les glaces du pôle. Durant l'été 2 000, les passagers du brise-glace russe Yamal ont été fort surpris de trouver beaucoup d'eau libre dans la région du pôle même, ce qui a conduit quelques journalistes à écrire abusivement que la banquise avait disparu du pôle Nord. Une telle conclusion apparaît bien entendu hâtive si l'on sait que la banquise est un milieu en mouvement incessant, soumis à de fortes contraintes et offrant peu de résistance à la divergence ou au cisaillement. Les vastes ouvertures ainsi engendrées dans la glace, sous forme de chenaux ou de polynies caractérisés par une durée de vie très variable pouvant aller de quelques heures à la saison, sont avant tout les témoins de la variabilité naturelle du système.

Reste la question essentielle à laquelle les scientifiques tentent de trouver une réponse : les glaces de mer et, plus généralement, les hautes latitudes océaniques de l'hémisphère Nord, doivent-elles être considérées comme un indicateur passif ou comme des acteurs efficaces de la variabilité climatique globale ? A ce sujet, la possibilité d'un impact local de la glace de mer sur l'atmosphère a été récemment évoquée. Dans une analyse basée sur des données de réanalyses atmosphériques et d'étendue des glaces sur la période 1958-97, des chercheurs américains ont mis en évidence une augmentation de la fréquence des cyclones et une diminution de la pression au niveau de la mer liées à un retrait de la couverture des glaces de mer en Arctique.


La recherche française dans l'océan Arctique avec les Communautés Européennes

Au-delà d'une analyse globale, l'étude de certains processus régionaux se révèle cruciale pour comprendre les mécanismes mis en jeu dans la variabilité de l'océan Arctique. Ainsi, en mer du Groenland, la convection profonde, son interaction avec la glace et les échanges avec l'atmosphère, son impact sur la circulation thermohaline globale, sont autant de sujets au coeur des priorités de recherche de la communauté internationale et notamment des équipes françaises. Au cours de la décennie passée, les projets ESOP-1 et ESOP-2 (European Subpolar Ocean Programme), soutenus par les Communautés Européennes, nous ont permis de mettre en oeuvre un important programme d'observations en mer du Groenland, à partir de flotteurs lagrangiens, d'hydrologie et de traceurs, pour identifier les échelles spatio-temporelles de la dynamique mise en jeu (figure 5). Par ailleurs, l'intégration des données hydrologiques dans des modèles dynamiques diagnostiques a fourni une description détaillée de la circulation et des échanges de masses d'eau au travers du détroit de Fram (figure 6). On a pu notamment préciser le trajet complexe de l'eau Alantique dans son cheminement vers l'Arctique, en bon accord avec les observations de flotteurs disponibles (figure 7), et estimer les transports associés de masse, de chaleur et de sel pour déterminer les sources les plus importantes pour l'Océan Arctique.

En prolongement de ces études, le programme MAIA (Monitoring the Atlantic Inflow toward the Arctic) soutenu par la CEE dans le cadre du 5ème PCRD, s'attache à mesurer précisément le flux d'eau Atlantique au large des côtes de la Norvège et à estimer sa variabilité. En parallèle, la mise en oeuvre d'un modèle réaliste du secteur Arctique et Atlantique Nord subpolaire nous permet d'intégrer les informations recueillies pour mieux comprendre les interactions océan-glace-atmosphère dans ces régions.

Parallèlement, la participation d'une équipe française de l'IFREMER au projet IMSI (Integrated use of new Microwave Satellite data for improved Ice mapping) de la CEE a permis le développement d'algorithmes très efficaces pour reconstruire le signal rétrodiffusé par les glaces de mer et l'interprétation de ce signal en termes de types de glace (glace de première année, glace pluri-annuelle) (figure 8; contact : Robert Ezraty et Alain Cavanié). Des séries temporelles ont pu être reconstruites à partir des scattéromètres d'ERS, de NSCAT et, plus récemment de QuickSCAT. Les distributions de glace obtenues mettent en évidence la forte hétérogénéité spatiale des glaces de mer arctiques et, en conséquence, la difficulté d'échantillonner leur variabilité temporelle.


Contact :
Marie-Noêlle Houssais,
Jean-Claude Gascard
LODYC
4, place Jussieu
75 252 Paris cedex 05
mnh@lodyc.jussieu.fr




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