La couche de mélange océanique

Introduction

L’atmosphère et l’océan communiquent entre eux au travers de leurs couches limites, couches où la turbulence est prédominante, et dont les profondeurs sont fortement conditionnées par les échanges air-mer (Wang et al, 2004). Dans l’océan superficiel, la turbulence se développe en réponse aux échanges d’énergie, de masse ou de quantité de mouvement à travers l’interface air-mer, et l’océan superficiel est la plupart du temps verticalement homogène en température, salinité et densité jusqu’à une certaine profondeur : c’est la couche de mélange (ML). Cette couche mélangée océanique est primordiale dans l’étude du système climatique puisqu’elle est la véritable responsable de l’effet tampon entre l’atmosphère et l’océan plus profond. Cet effet tampon provient de la très grande capacité thermique de l’océan comparativement à celle de l’atmosphère quatre fois plus faible. L’épaisseur ou profondeur de la couche mélangée océanique (MLD) détermine le contenu thermique de la couche océanique qui interagit directement avec l’atmosphère. La valeur de cette profondeur varie fortement dans le temps et l’espace, entre 10m dans les zones équatoriales, et jusqu’à 400m dans les régions de hautes latitudes en hiver (Fig.2.1), voire plus dans les régions de convection. Dans les bassins équatoriaux Est, et en particulier en Atlantique, les caractéristiques de la ML sont très spécifiques. La ML y est particulièrement peu profonde (Fig.2.2), entre 10 et 30m dans l’Est, ainsi que la thermocline, environ 60m à l’Est (Fig.2.2). La proximité de ces deux couches induit une forte interaction entre elles. La ML est le lieu de processus complexes, relevant à la fois de la dynamique tridimensionnelle (via les échanges avec la thermocline, les instabilités, les cisaillements entre les courants, la convection penchée ou encore les cellules de Langmuir), et de la thermodynamique unidimensionnelle (via les échanges avec l’atmosphère).  Fig.2.1 : climatologie de profondeur de couche de mélange (en m) dans l’océan Atlantique issue de la climatologie de De Boyer Montégut et al, (2004), en janvier (à gauche) et en juillet (à droite). Fig.2.2 Etat moyen de la température TAOSTA (Vauclair et du Penhoat, 2001) le long l’équateur. Sont superposées en noir les profondeurs de la thermocline (TAOSTA) et de la couche de mélange (De Boyer Montégut et al, 2004). 

La couche de mélange océanique 

Définition de la couche de mélange En réalité, la couche de mélange est rarement parfaitement mélangée mais contraste fortement avec la thermocline où les gradients verticaux sont importants. La caractérisation de la profondeur ne fait pas l’unanimité, et même si certains critères sont plus utilisés que d’autres, il n’y a pas de véritable consensus. De plus, l’amalgame est souvent fait entre les couches de mélange définies d’un point de vue dynamique ou d’un point de vue thermodynamique. En effet, on peut considérer la couche de mélange ou bien comme la couche de maximum de mélange turbulent et sa profondeur coïnciderait avec la turbocline, ou bien comme une couche homogène en température, salinité, et/ou densité (Fig.2.3). La définition de cette profondeur est importante dans la mesure où, selon les critères choisis, les profondeurs déterminées peuvent significativement différer selon le critère choisi. Par exemple dans la partie centrale du bassin Atlantique équatorial (Fig.2.3), la profondeur de la ML est de 27m avec un critère dynamique où l’on considère la profondeur (turbocline) à laquelle le coefficient de diffusion verticale atteint une certaine valeur minimum (5 cm/s² dans le modèle CLIPPER), mais de 22m dans le cas d’un critère thermodynamique où la profondeur (MLD) est déterminée par un seuil en densité (0.05 kg/m³ dans le modèle CLIPPER). Le plus souvent, en raison de la difficulté de mesurer la turbulence et du manque de données de salinité, le critère choisi pour définir la profondeur de la ML est fondé sur la température, avec une valeur seuil comprise entre 1°C et 0.2°C, c’est-à-dire que la MLD est définie comme la profondeur à laquelle la température est égale à la température de surface moins cette valeur seuil. II.2- Définition de la couche de mélange 42 Fig.2.3 profils verticaux moyens de la température (noir), salinité (rouge), densité (vert) et coefficient de mélange turbulent (bleu) à 23°W-0°N (modèle CLIPPER). Sont représentés les profondeurs de la couche de mélange (trait noir) et de la turbocline (trait noir pointillé). Dans le tableau 2.1, les différents critères, avec leurs valeurs seuil, sont répertoriés. On voit que cette valeur est très différente selon les études et varie entre 0.1 et 1°C pour les critères en température et entre 0.01 et .125 kg.m-3 pour les critères en densité. Sprintall and Roemmich (1999) ont examiné « à la main » des milliers de profils pour choisir leur critère et Brainerd and Gregg (1995) ont étudié la ML en utilisant des profils de microstructure ; ils peuvent ainsi estimer la longueur d’échelle de la turbulence et le taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente. Dans le travail de Kara et al (2000), la valeur seuil optimale, 0.8°C, a été déduite grâce à des comparaisons statistiques entre des observations et la climatologie de Levitus (1982). Récemment, de Boyer Montégut et al (2004) ont montré que la valeur 0.2°C était la mieux adaptée à l’échelle globale pour suivre la base de la couche de mélange aux échelles de temps saisonnières à interannuelles, en particulier pour représenter les périodes de restratification en fin d’hiver. Dans cette thèse où sont principalement utilisées des sorties de modèle et où l’on s’intéresse particulièrement à la température de la ML, la MLD est définie grâce à un critère en densité.