Recherche en océanographie :

Influence des courants marins sur le climat

N.M.M. Rittemard

( english version )

Ce thème de recherche concerne les aspects fondamentaux de l'influence des écoulements marins sur le climat. Ce travail se fait au sein de l'équipe mécanique  en collaboration avec le Professeur Henk Dijkstra, Directeur du laboratoire IMAU  (Institute for Marine and Atmospheric Research Utrecht) aux Pays-Bas. Actuellement, une publication est parue et deux publications sont en cours de préparation.

Objectifs et applications :

Ce travail concerne les aspects fondamentaux des circulations océaniques à grande échelle et pilotées par la contrainte de cisaillement de vent à l'interface atmosphère-océan. Les techniques de la théorie des systèmes dynamiques sont utilisées afin de déterminer les états stationnaires des courants marins et leur variabilité dans l'espace des paramètres : le nombre d'Ekman Ek, le nombre de Rossby e, le nombre de Froude F et le coefficient de contrainte de vent a.

Les écoulements marins à grande échelle et à masse volumique variable sont modélisés et simulés numériquement. Nous utilisons principalement un modèle "shallow-water 1.5 layer" équivalent barotropique mis au point avec H.A. Dijkstra. La géographie des continents, la topographie des fonds des océans et la contrainte de cisaillement de vent imposée à l'interface atmosphère/océan sont des données réalistes issues soit des mesures expérimentales dans le cas des simulations actuelles soit de données reconstruites en utilisant des modèles pour les calculs en paléo-océanographie dans lesquels je me suis investie récemment.

 Le code de calcul est basé sur une discrétisation spatiale de type différences finies. On calcule les solutions stationnaires par une méthode de Newton avec continuation qui permet de suivre les branches de solution avec des points limites. On étudie la stabilité de ces branches de solutions stationnaires en calculant les éléments propres de la matrice jacobienne.
 

Grâce à cette méthodologie, j'étudie :
- les courants marins en paléo-océanographie
- la variabilité et l'influence globale de l'A.C.C. sur la dynamique du système des courants marins à l'échelle de l'hémisphère sud et à l'échelle de la Terre.

Les moyens de calcul :

Sans moyens de calcul, pas de simulations possibles!

Je remercie particulièrement les deux centres de calculs qui ont mis à notre disposition les moyens qui ont permis d'obtenir les résultats résumés ci-après dans cette page web :

• Centre de calcul SARA, Amsterdam, Pays-Bas : moyen de calcul utilisés pour la recherche en paléo-océanographie et  l'Antartic Cicumpolar Current jusqu'à présent.

• Centre de calcul IDRIS, Orsay, France : moyens de calcul qui seront utilisés pour poursuivre les recherches sur l'Antarctic Circumpolar Current.

Les Moyens de visualisation :

Les figures ci-après dans cette page web ont été réalisée avec le logiciel IDL.
 

Etude de L'influence des courants marins sur le climat :
    application à la paléo-océanographie

Nous nous intéressons à la modélisation des courants marins à différentes périodes de la préhistoire, notamment le Cretacé  (Voir Fig. 1).

Bien qu'il s'agisse de modélisation, ce type d'étude intéresse les paléo-océanographes, les paléobiologistes, les sédimentologistes. En effet, l'appui des résultats obtenus par modélisation peut permettre d'apporter des éléments de réponse quant à l'existence de certains courants marins et donc de leur influence sur le climat, de propagation des espèces, des sédiments, etc.

Actuellement, une publication est  parue [ I ] au journal Earth & Planetary Sciences Letters.  Elle concerne le problème de l'existence d'un Tethys Circumglobal Current (TCC) pendant de  Cretacé supérieur (Campanien 80 ma). En utilisant un modèle d'océan supposé surestimer de façon très importante le débit d'un éventuel TCC, un relativement faible TCC est trouvé pour  la paléogéographie utilisée. Un indice global d'écoulement circum-équatorial est introduit comme mesure de l'importance du TCC. Cet indice est basé sur les débits volumiques au travers de sections méridionales de la partie équatoriale du domaine de calcul. L'impact des changements de la paléogéographie sur le TCC est considéré en calculant les écoulements stationnaires pour différentes formes de l'Eurasie.  Les résultats concernant l'extention de l'Eurasie telle qu'un TCC important permettent de penser qu'un TCC piloté par la contrainte de vent à l'interface air/océan  n'a pas existé durant le Campanien.

Pour plus de détails : [version pdf de I]
 

This work was supported by the Netherlands Organization for Scientific Research (NWO) under a PIONIER grant to HD.
We thank  R.M. DeConto (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado) for providing  the Campanian continental geometry and  the wind stress fields through  D. Pollard (Earth System Science Center, Pennsylvania State University).
We thank E.C. Brady (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado) for providing the bathymetry.
All computations were performed on the Origin 3800 at the Academic Computing Centre (SARA), Amsterdam, the Netherlands  within the project SC029.
We thank use of these computing facilities was sponsored by the National Computing Facilities Foundation with financial support from NWO.
 

Etude de L'influence des courants marins sur le climat :
    application à l'Antarctic Circumpolar Current (A.C.C.)

La région circumpolaire autour de l'Antarctique entre 56 et 62 S est la seule région océanique non-limitée dans la direction longitudinale. Le A.C.C. présente donc la particularité d'être le seul courant marin de type jet annulaire constamment accéléré par la contrainte de cisaillement des vents d'ouest caractéristiques de cette région du globe. La dynamique du A.C.C. est une composante essentielle de l'étude du climat. En effet, le A.C.C. constitue l'une des principaux réservoirs d'eau froide de la planète et que de par sa nature de jet annulaire, le A.C.C. est impliqué dans la redistribution des propriétés physiques entre les trois océans : Atlantique, Pacifique et Indien.
 

 Une publication est actuellement en préparation pour le journal d'océanographie physique (JPO) présentant une partie des principaux résultats obtenus [ II ]:

- l'étude de l'évolution du transport du ACC dans l'espace des paramètres et en particulier du nombre d'Ekman. Le transport est une mesure importante de la redistribution inter-bassins océaniques des propriétés physiques et permet de qualifier l'impact du ACC et de sa variabilité sur le climat.

- L'étude de l'influence de la prise en compte de la topographie du fond des océans sur le transport du ACC. Les résultats sont comparés aux résultats d'un modèle de canal zonal idéal. Dans les deux cas la conservation de la vorticité explique l'influence de la prise en compte de la topographie.

- L'étude de l'interaction du ACC sur le système des courants marins dans les bassins océaniques adjacents par la détermination du gradient zonal de pression barotropique causé par la présence des continents et son influence sur les circulation à grande échelle dans les bassins océaniques directement au nord du ACC.

 Par ailleurs, l'étude de la variabilité du ACC a révélé la possibilité d'un état multi-équilibre correspondant à l'existence de deux états de base. Le deuxième état de base correspond à un transport global autour de l'Antarctique moins important que l'état de base principal. Il est aussi caractérisé par une modification locale de l'écoulement dans la région du Drake passage entre l'Antarctique et l'Amérique du sud qui influence directement les courants à proximité de la côte sud est de l'Amérique du sud. Ces résultats ont fait l'objet d'une présentation au séminaire du groupe océanographie de l'IMAU le 18 décembre 1998.
 

Bibliographie

[Brady1998]
E.C. Brady,  R.M. DeConto, S.L. Thompson,
Deep water formation and poleward heat transport in the warm climate extreme of the Cretaceous (80 Ma),
Geophys. Res. Letters, 25, (1998) 4205--4208.
 

[Hay1999]
W.W. Hay,  R.M. DeConto, C.N. Wold, K.M. Wilson, S. Voigt, M. Schultz,
A. Wold-Rossby, W.C. Dullo, A.B. Ronov, A.N. Balukhovsky, E. Söding
Alternative global Cretaceous paleogeography,
in : E. Barrera and C.C. Johnson, eds.,
Evolution  of the Cretaceous Ocean-Climate system,
(The Geological Society of America, special paper 332, 1999), 1 - 48.
 

[Trenberth1989]
K.E. Trenberth, J.G.  Olson,  W.G. Large,
A global ocean wind stress climatology based on {ECMWF} analyses.
Technical report, National Center for Atmospheric Research, Boulder,  CO, U.S.A, 1989.