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Lemilieumarin:propriétésphysiques

L'océanographiephysique,c'est l'étudedesmouvementsdans lesocéans,à toutes leséchelles,descourantsocéaniques,jusqu'auxvaguesenpassantparlescourantscôtiersetlescourantsdemarée.

Page1/9-Lemilieumarin:propriétésphysiquesL'océanographie, c'est l'étude scientifique des océans. Cette discipline a la particularité d'être àcheval surplusieursdomaines,ondistingueeneffet l'océanographiephysique,biologique, chimiqueetgéologique,maisonretrouvesouventdesinteractionstrèsfortesentrecesdifférentsdomaines.

L'océanographiephysique,c'est l'étudedesmouvementsdans lesocéans,à toutes leséchelles,descourantsocéaniques,jusqu'auxvaguesenpassantparlescourantscôtiersetlescourantsdemarée.Celaenglobel'étudedeladistributiondechaleurdanslesocéansetl'étudedesinteractionsocéanatmosphère,soitentantquemoteursdesdifférentsmouvements,soitpourdéterminerlerôlejouéparl'océandansleclimatdelaterre:

géographie(parexempleprofondeurdecertainsseuils,particularitéd'unchampdeventetdesesvariationssaisonnières)propriétésphysiquesdel'eaudemeretdistributiondecespropriétés(température,salinitédéterminentladensitéetleursvariationsoccasionnentdesmouvementsverticaux)

dynamiquedesfluides(relationentremouvementdesocéansetactionsmécaniques)

Page2/9-IntroductionLaplanèteTerreenchiffre

Laterrealaformed'unsphéroïdec'estàdired'unesphèreaplatieauxpôlesetrenfléeàl'équateur.Cesdéformationsliéesàlarotationsontfaiblesetlaformedelaterreesttrèsvoisinedecelled'unesphère.Lesdimensionsdelaterresontlessuivantes:

22/09/2004-ParOlivierLeCalvé,Océanographe




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rayonéquatorial:6378kmrayonpolaire:6357kmsurface:510millionsdekm²

volume:1083milliardsdekm3

Répartitiondesterresetdesmers

Lasurfacedelaterreestoccupéeà71%pardesocéans.Ilya2,45foisplusdemerquedeterre.Larépartitiondesterresetdesmersestinégaleetsingulière.Cetterépartitionestantidopale,l'océanglacialarctiques'oppose au continent antarctique et lamasse continentale Eurasie+Afrique s'oppose à l'océan Pacifique. En fait,toute saillie qui émerge au dessus de la surface des océans a 19 chances sur 20 d'avoir un creux pour pointdiamétralementopposé.

Hémisphèrecontinental(47°30'N3°30'W)

Lesmassesterrestressontengrandepartieconcentréesdansl'hémisphèrenord.Hémisphèrenord:61%demer,hémisphèresud:81%demer. Cettedisparitédanslarépartitiondevientencoreplusévidentesil'onplacelaTerresurunaxeNSpassantparl'OuestdelaFranceversl'embouchuredelaVilaineetleSudEstdelaNouvelle-Zélande.Onaalorsunhémisphèrecontinentalquicomprend80%delamasseterrestreglobale




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Hémisphèremaritime(47°30'S176°30'E)

Leshauteursdelasurfaceterrestresontcomprisesentreunealtitudede8848m(Everest)etuneprofondeurde11022m(fossedeMarianaauNord-Ouestdel'océanPacifique).

Laprofondeurmoyennedesocéansestd'environ3800m.L'altitudemoyennedesterresémergéesestde840m.

Distributiondesterresetdesmers

Ladistributiondesterresetdesmersàdifférentesélévationsestprésentéesurunecourbeditehypsographique(figure2.4)




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Structuredesbassinsocéaniques

Onidentifieàpartirdescontinents4zones:

Structuredesfondsocéaniques

Lerivage:bandedeterrelelongdescôtesquiasubil'effetdesocéans;leniveaudelameravariéd'environ100mdanslepassé,suivantlesfluctuationsduclimat(fontedesglaciersetdilatationthermiquedesocéans).Lesplagessontdélimitéesparlesniveauxdeshautesetbassesmers.

Leplateaucontinental:ils'étendaudelàdurivageavecunepentevoisinede1pour500,jusqu'àlazonedepentedélimitéeparunecassuretrèsnette.Lesdimensionsmoyennessont:65kmdelarge,200mdeprofondeur.Leplateaucontinentalpeutêtreinexistantenzonedemontagne(Andes)oubeaucoupplusimportant(600à800kmsurlazonesibériennedubassinpolaire).C'estlazoned'activitéhumaineetc'estlàquelaviesous-marineestlaplusdéveloppée.

Le talus continental : pente plus accentuée que celleduplateaucontinental (3à6%).Se raccordeauxgrandesprofondeursdubassinocéanique(200à4000m).Leplateauetletalusconstituentlesoclecontinental.C'estletraitleplusimportantdureliefduglobe(3500dehauteurmoyenneet350000kmdelong).Ilmarqueladiscontinuitéentrelacroûtecontinentaleetlacroûteocéanique.

Lesgrandsfonds:relativementréguliers,d'uneprofondeurcompriseentre3000et6000m,ilsreprésentent76%delasurfacedesocéans.Latopographieestvariéeavecdesplaines,desmontagnesetdesvalléescommesurlasurfaceterrestre.

Certainsreliefsmajeurssontàsignaler:

-Lesystèmededorsaleséparanttousesocéansenbassins,cereliefs'élèvede1000à3000maudessusdufondetpeutatteindre400kmdelarge. Ilestséparéensonmilieuparunriftde20à50kmdelarge(profondeur1000à3000mparrapportàladorsale.

-De véritables montagnes individuelles sont dispersées sur les grandsfondsocéaniques. Certainesémergentdonnantnaissanceàdesîles.

Lesplusgrandesprofondeurssontatteintesdansdesfossesocéaniques.Ilyena26danstoutl'océan:

-3dansl'Atlantique,-1dansl'OcéanIndien,-22danslePacifique.

Page3/9-L'eaupureL'eaudanstoussesétats:




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Moléculed'eau

L'océan est une mince pellicule à la surface de la terre. Il aurait une importance géophysiquesecondaires'iln'étaitconstituéd'eauàl'étatliquide.C'estlagrandeparticularitédenotreplanète.

Soussestroisétatsl'eaulibreserépartiedelafaçonsuivante:

97%danslesocéans~3%eauterrestresuperficielle:coursd'eau,lac,glacier,islandis0,001%vapeurd'eaudansl'atmosphère

Lamassetotaleestconstante.Sontprovisoirementfixées,lesmoléculesquientredanslaconstitutiondesroches(lesrochesrenfermentenmoyenne1à2%d'eau).

L'eaudemerestconstituéede96,5%d'eaupureet3,5%d'autressubstancescommelessels, lesgazdissous, lessubstancesorganiquesetdesparticulessolides.Sespropriétésphysiquessontprincipalementduesaux96,5%d'eaupure.

Structuredelamoléculed'eau:

L'eau, si on la compare à d'autres corps de composition analogue, possède des caractéristiquesanormales.Considéronslescorpsdontlesmoléculessontconstituéesdedeuxatomesd'hydrogèneetd'unélémentdugroupe16delatablepériodique(colonnedontfaitpartiel'oxygène).Lestempératuresdefusionetd'ébullitiondecescorpsformentunesérierégulière(àcausedesforcesd'attractiondeVanderWallsquiaugmenteenmêmetempsquelamassemoléculaire).L'eaufaitexceptionàcetterègle,commelemontreletableausuivant.

Laparticularitédel'eauprovientdesastructuremoléculaire.Dansunemoléculed'eau,unatomed'oxygèneestliéàdeuxatomesd'hydrogènepardesliaisonsdecovalencemettantenjeuundoubletd'électrons.L'angleO-H-Oestvoisinde105°.Lamoléculeestélectriquementneutremaisestpolarisée.Eneffet,ladensitéd'électronsestplusgrandeprèsdunoyaud'oxygènequeprèsdesnoyauxd'hydrogène.

Fig.3.2Liaisonhydrogène




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Lorsquedeuxmoléculesd'eausontenprésence,ellesonttendanceàs'unirparune liaisonélectrostatiqueentreunnoyaud'hydrogènechargépositivementet lenuageélectroniqueentourant lenoyaud'oxygène.Cette liaison dite"liaisonhydrogène"atendanceàréaliserl'alignementH-O-H(figure3.2).

Fig.3.3:Assemblagedesmoléculesd'eau

A 20°C les molécules d'eau s'assemblent en moyenne par 6 (figure 3.3). Cet assemblage de molécule justifie lechangementdepropriétédel'eau,quisecomportecommeunpolymère.




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Fig.3.4:Structuredelaglace

Danslaglace,touteslesmoléculesd'eausontliéesetformentunestructuretétraédriqueassezlâche(figure3.4).Lafusiondelaglaceentraîneuntassementdesmolécules.

Lesdifférentespropriétésoriginalesdel'eaudécoulentdelapolarisationdelamoléculed'eauetdel'existencedelaliaisonhydrogène.

Lesprincipalesconséquencesdelastructuredelamoléculed'eausontlessuivantes:

L'eauestleseulcomposénaturelquiexistesousles3étatsdanslesconditionsrencontréesàlasurfacedelaterre.L'étatliquideétantleplusfréquent.Lechangementd'étatsefaitenrompantdesliaisonshydrogène.Pourcelailfautfourniruneénergieimportante,cequiexpliquelesvaleursélevéesdechaleurslatentesdefusionetdevaporisationdel'eau.

L'eau a une constante diélectrique élevée. L'eau est le milieu naturel où le plus grand nombre desubstances (minérales, organiques, à l'état gazeux, liquides ou solides) peuvent se dissoudre etentrerenréaction.Laconductivitéélectriquedel'eaupureestrelativementfaible,maiscelledel'eaudemerestàmi-cheminentrecelledel'eaupureetducuivre.A20°C,larésistancedel'eaudemersaléeà3,5%surunedistancede1,3kmestéquivalenteàcelled'1mmd'eaupure.

Fig.3.5:Structuresdel'eau

La congélation de l'eau s'accompagne d'une augmentation de volume d'environ 10%. Ceci est dû à la structuretétraédriquede la glace, qui n'est pas lemoyen lemoins encombrantpour empiler desmolécules (figure3.5). Lesconséquencesgéophysiquessontimportantes:




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Fig.3.5:Structuresdel'eau

Laglaceflotte.C'estimportantpourlaviedansleslacs.Laglaceresteensurfaceetagitcommeunisolant,empêchantl'eaudegelerdelasurfacejusqu'aufond.

Ladensitédel'eauliquidediminuerapidementlorsqu'ons'approchedupointdecongélation.L'augmentationdevolumequienrésulteestlacausedel'éclatementdesroches.

Latempératuredecongélationdécroîtaveclapression.Enconséquence,lafusionalieuàlabasedesglaciers,cequifaciliteleurdéplacement.

Laliaisonhydrogènedisparaîtlorsquelapressionaugmente,laglacedevientalorsplastique.C'estpourquoilesglacesdel'Antarctiqueetdel'Arctiques'écoulentverslamer,créantdesicebergsàleursextrémités.Sanscemécanisme,toutel'eauduglobefiniraitdanslesrégionspolaires.

L'eauestpeucompressible (comme tous les liquides).Maissi l'eauétaitrigoureusement incompressible, leniveau de la surface des océans serait plus élevé de 30m. De plus le coefficient de compressibilité présente uneanomalie,ildiminuequandlatempératures'élèveetpasseparunminimumauxenvironde50°C.

Latensionsuperficielleestlaplusélevéedetouslesliquides .C'estimportantpourlaformationdesgouttesd'eauetdesvaguelettes.

Pour finir on peut noter que les propriétés physiques de la plupart des liquides varient uniformément avec latempérature.Al'opposéelaplupartdespropriétésdel'eaudemerprésententunminimumàunetempératuredonnée(sauflacéléritédusonquipasseparunmaximumà74°C).Quelquesexemplespourlesquelsondonnelatempératurecorrespondantauminimum:

solubilitédel'oxygène:80°C




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volumespécifique:4°C

chaleurspécifique:34°C

solubilitédel'hydrogène:37°C

compressibilité:44°C

vitessedelalumière:-1°C

Vitesseduson:maxià74°C

Page4/9-LasalinitéLanotiondesalinité

C'est le caractère essentiel de l'eau de mer. L'océan contient en moyenne 35 grammes de sel parkilogrammed'eaudemer. Sionconsidère levolumetotalde l'océan(1370millionsdekm3)celareprésente48millionsdemilliardsdetonnesdesel,soit95tonnesparm²sur leglobeentier,ou320tonnesparm²sur lespartiesémergées.

La présence de sel dans l'eau modifie certaines propriétés (densité, compressibilité, point decongélation, températuredumaximumdedensité).D'autres (viscosité,absorptionde la lumière)nesontpasinfluencéesdemanièresignificative.Enfincertainessontessentiellementdéterminéesparlaquantitédeseldansl'eau(conductivité,pressionosmotique).

Lechloruredesodium(NaCl)n'estqu'undestrèsnombreuxselscomposantlasolution.Onadécelédansl'eaudemer60 des 92 corps simples existant à l'état naturel. Certains n'ont peut-être pas encore étés découverts, car ilsexisteraiententropfaiblequantité.Eneffetcertainscorpsnesontdécelablesqu'aprèsavoirétéconcentréspardesorganismesmarinsayantunpouvoirdeconcentrationde103à107,citonsparexemplelecobalt(homardsetmoules),lenickel(certainsmollusques),leplomb(cendresd'organismesmarins).

Ondonnedansletableausuivantlesprincipauxcomposantsd'uneeaudemerdesalinité35:




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LePHdecettesolutionestvoisinde8,2(légèrementalcalin).Lesgazdissoussontconstituésà64%d'azoteet34%d'oxygène.Lesconcentrationsdiminuentquandlatempératureetlasalinitéaugmentent.LaproportiondeCO2est60plusfortedanslamerquedansl'air(1,8%aulieude0,03%).L'océanapparaîtdonccommeunrégulateurdelateneurenCO2del'atmosphère.

Unaspect importantde l'eaudemerestquesi laconcentrationtotaledesselsdissousvarieenfonctiondu lieu,laproportiondescomposants lesplus importantsresteàpeuprèsconstante.Celatendàprouverquesurune échelle de temps géologique, les océans ont été bien mélangés, c'est à dire que malgré les circulationsparticulièresàchaqueocéan,l'eaucirculeentrelesdifférentsocéans.

Maislaconcentrationtotalepeutvarierd'unendroitàl'autreetd'uneprofondeuràl'autre.Ilexistedesprocessuscontinuspourconcentreretdissoudre l'eaudemerencertainesrégions.Cesontcesprocessusquinousintéressent.

Définitionsdelasalinité

Iln'existepasunemaisplusieursdéfinitionsde lasalinité :unedéfinitionpurementthéoriqueetplusieursdéfinitionspratiques,liéesauxméthodesdemesure.

Définitionthéorique:Lasalinitéestlaquantitétotaledesrésidussolides(engrammes)contenudans1kgd'eaudemer,quandtouslescarbonatesontététransformésenoxydes,lebromeetl'ioderemplacéparlechloreetquetoutelamatièreorganiqueaétéoxydée.

Ilest trèsdifficiled'estimer lasalinitéparanalysechimiquedirecte(séchageetpeséedurésidusolide),carcertainscorpsprésents,notamment leschlorures, s'échappentaucoursdudernier stadedeséchage.Onutilise le faitque,dansl'eaudemer,lesproportionsrelativesdesprincipauxconstituantssontpratiquementconstantes.Ledosagedel'und'entreeuxestdoncsusceptiblededonnerlateneurdetouslesautres,ainsiquelasalinité.Lesionschlore,bromeetiodepeuventaisémentêtredosés,avecprécision,partitrageaunitrated'argent.

Larelationentrelasalinitéetlachlorinitéaétédéfinieen1902àpartirdenombreusesmesuresdelaboratoiressurdeséchantillonsprovenantdetouteslesmersduglobe.Lachlorinitéétantlaquantité(eng/kg)d'ionschlore,bromeetiodequitouttroissontprécipitéslorsdutitrageaunitrated'argent.

S=0,03+1,805ClSsalinité,Clchlorinité.

Uninconvénientmajeurestquecetteformuledonneunesalinitéde0,03pourunechloriniténulle.L'UNESCOadoncproposéen1969unenouvelleformuledéfinissantcequ'onappellelasalinitéabsolue:

S=1,80655Cl

Cesdéfinitionsontétérevuesquanddenouvellestechniquespermettantdedéterminerlasalinitéàpartirdemesuredeconductivité,températureetpression,furentdéveloppées.Depuis1978l'échellepratiquedesalinitédéfinie




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lasalinitéentermederapportdeconductivité:

Lasalinitépratique(symboleS),d'unéchantillond'eaudemer,estdéfinieenfonctiondurapportKdelaconductivitéélectriquedecetéchantillond'eaudemerà15°Cetàlapressionatmosphériquenormale,etdecelled'unesolutiondechloruredepotassiumdans laquelle la fractionenmassedeKCl est0,0324356, à lamême températureetmêmepression.UnevaleurdeKégaleà1correspondpardéfinitionàunesalinitépratiqueégaleà35.

Laformulecorrespondanteest:

S=0,0080-0,1692K1/2+25,3853K+14,0941K3/2-7,0261K2+2,7081K5/2

Onpeuttrouverquelquesdifférencesentretoutescesdéfinitions,maisellessontengénéralnégligeables.Parcontredans le cas où la composition de l'eau de mer n'est pas "standard", (par exemple à proximité des fleuves) seulel'analysechimique(séchageetpesée)donneunrésultatvalable.

Unité:Depuisl'introductiondel'échellepratiquedesalinité,lasalinitén'estplusdéfiniecommeunrapportdemasseet s'exprime sans unité (comme par exemple le PH). On trouve encore dans la littérature des valeurs de salinitéexpriméeseno/oooueng/kgouencoreenpsu(practicalsalinityunit).

Page5/9-LaglacedanslamerOn distingue deux types de glace : les icebergs, constitués d'eau douce, résultent de l'écoulementdesglacierspolairesvers lamer. Lesbanquisessontproduitespar lacongélationde lasurfacede lamer.Cesdernièresjouentunrôleimportantdanslebilanthermiquedelaplanète.

Iceberg

La température du maximum de densité de l'eau pure est supérieure à celle de son point decongélation. Mais la présence de sels abaisse ces deux températures. A partir d'une salinité de 24,7 latempératuredumaximumdedensitéestinférieureàcelledupointdecongélation(figure3.8).




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Figure3.8:Maximumdedensitéenfonctiondelasalinité.Lescourbesgraduéesde0à30représententladensité.

Lasalinitédesocéansestdel'ordrede35.Lerefroidissementdel'eaudemers'accompagnedoncd'uneaugmentationde densité jusqu'au changement d'état, contrairement au refroidissement de l'eau douce. Ceci explique en partiepourquoilaglaceseformeplusfacilementsurunlacqu'enmer.Surunlac,leseauxlesplusfroidesrestentensurfaceetvontdoncgelerdèsquelatempératuredevientnégative.Enmerleseauxrefroidiesensurface"plongent"etsontremplacéespardel'eaupluschaude.Pourcréerunebanquiseilfautdoncunrefroidissementbrutal.

Le changement d'état s'accompagne d'une dilatation, la glace estmoins dense que l'eau et que la congélation vaséparerl'eaupuredessels.Avantd'enétudierlesconséquences,voyonscequedonneenlaboratoirelacongélationd'unecuvetted'eaudemeràS=35lorsqu'onabaisseprogressivementlatempérature:

à-1,91°Capparitiondupremiercristaldeglace(eaupure)cequiaccroîtlasalinitédel'eauenvironnante.Pourvoirapparaîtreundeuxièmecristalilfautdoncdiminuerlatempérature.Lorsquelatempératurediminueonadeplusenplusdeglacedansunesaumuredeplusenplusdense.à-8,2°Ccristallisationdusulfatedesoude.à-23°Ccristallisationduchloruredesodium.

Alafindel'expérienceonobtient:

Enmerlesconditionsnesontpasaussiidéales:

lasurfaceestagitée(vagues)latempératurenes'abaissepasdefaçonrégulièreetcontinuelefroidn'agitquesurlasurface.




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Laglacequiseformeaucoursdeshiversarctiqueetantarctiquesedistinguedoncdelaglacecrééeenlaboratoire.Laglaceresteensurfacealorsquelasaumures'enfoncepourêtreremplacéepardel'eaupluschaudeetmoinssalée.Ilsecréeuneeautrèsdense(trèssaléeettrèsfroide)quivas'enfoncertrèsprofondément.Lorsquelaglaceatteintuneépaisseurde2à3m,elleformeunécranprotecteurquiisolel'océan.

Cetteglaceestinhomogène,sousl'actiondesvaguesetdesoscillationsdetempérature,ellevarenfermerdespochesd'airetdespochesdesaumureoudesel.Ellevaensuitevieillir, être lavéepar laneigeetdevenirdeplusenplusdense.Onobtientdesglacesdedensitésvariables(0,86à0,92)etdecompositionsvariables(salinitéde0à10),richesensulfates.

Lafontedelaglacedonnenaissanceàdeseauxdesurfacespeusaléesetfroides(richesensulfates).

Page6/9-LalumièredanslamerLes longueurs d'onde de la lumière visible vont de 0,4 mm (violet) à 0,7 mm (rouge), la correspondance entrefréquencesetcouleursestdonnéeapproximativementdansletableausuivant:

Figure3.9:Evolutionduspectredelalumièrenaturelledansl'atmosphèreetdansl'eau(danslecasd'uneeautrèsclaire)

Lalumièreenprovenancedusoleilestatténuéeparl'atmosphèreavantd'atteindrelasurfacedel'eau(figure3.9);sousl'eauonconstatequel'atténuationestconsidérable,lesinfrarougessontabsorbésdanslepremiermètreetpeudelumièreatteintles100mètres.Audelàde1000mètresc'estlanuitnoire.

Comme dans tous les milieux deux phènomènes contribuent à l'atténuation de la lumière :L'absoption et ladiffusion.

L'absorptionetladiffusion

L'absoption de la lumière dans la mer c'estl'absorption de l'énergie des photons par transition deniveaud'énergiedesatomesetdesmoléculesconstituantsl'eaudemer. Lesdifférentesconcentrationsdeces constituants et les différents niveaux d'énergie excitables déterminent la façon dont les différentes longueursd'ondecomposantlespectredelalumièresontabsorbées.Dufaitdelagrandevariétédesconstituantsdel'eaudemer, l'analysethéoriquede l'interactionentre la lumièreetchacundecesconstituantsestpratiquement impossible.Celanousconduitàneconsidérerquelesconstituantspourlesquelsuneffetsurlespectred'absorptionaétémisenévidenceexpérimentalement.




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Le premier constituant de l'eau de mer c'est l'eau ! L'eau pure est pour la lumière un milieu très absorbant, enparticulierpourlesinfrarouges.Ausecondrang,dupointdevuedel'absorptionontrouvelessubstancesorganiquesensuspension.Parcontre,laplupartdessubstancescomposantleselmarinontpeud'effetsurl'absorptiondelalumièredansl'eau.Iln'yapratiquementpasdedifférenceentrelespectred'absorptiond'uneeaudemertrèsclaireetceluidel'eaudistillée.

Ladiffusiondelalumièreestunphénomènephysiquequel'onrencontrelorsquedesinhomogénéitésoptiquesdumilieuprovoquentdeschangementsaléatoiresde ladirectiondesrayons lumineux.Celaest dûpar exemple à la présencedeparticules en suspension oudeparticules constituées demolécules d'eaudedensitédifférentedumilieuenvironnant.Pourlesgrossesparticulesladiffusionestlerésultatdelaréflexion,réfractionet diffraction par de telles particules. Lorsque les dimensions des particules sont inférieures à la longueur d'ondeconsidérée, commec'est fréquemment le caspour l'eaudemer, l'optiquegéométriquene suffitplusàexpliquer ladiffusionetilfautfaireappelàlathéoriedesondesélectromagnétiques

L'atténuation de la lumière sous l'eau est essentiellement due à l'absorption, la diffusion ayant unemoindre importance. Cette atténuation est fonction de la longueur d'onde et des caractéristiques physiques etchimiquesdel'eaudemer.Cettepropriétéoptiqueapparentedel'eaudemerpermetdelacaractériseretdonnedesinformationssurladensité,lesconcentrationsdesmatièresensuspensionetlaproductivitébiologique.

Pourunéclairementnatureldelamerparlesoleil,l'intensitélumineuseàunelongueurd'ondedonnéevarieenfonctiondelaprofondeursuivantlaloi:

Figure3.10:Evolutionducoefficientd'atténuationenfonctiondelalongueurd'ondeeténergierelative(100%àlasurface)pouruneeauclaireetpouruneeautroublericheenmatièresorganiques

Lafigure3.10 représente l'évolutionducoefficentd'atténuationverticalede l'eaudemeren fonctionde la longueurd'onde.




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Figure3.10:Evolutionducoefficientd'atténuationenfonctiondelalongueurd'ondeeténergierelative(100%àlasurface)pouruneeauclaireetpouruneeautroublericheenmatièresorganiques.Onobserveuneatténuationbeaucoupplusimportantepourleseauxcotièresrichesensuspensionsd'origineorganique.Dansl'eauclaire

l'atténuationestminimalepourlacouleurbleue,alorsquedansl'eautroubleelleestminimalepourlescouleursverteetjaune

Lescouleursdelamer

La couleur de la mer s'étend du bleu au vert. Le bleu indigo caractérise les mers tropicales etéquatoriales,lorsqu'ilyapeudeproductionbiologique.Adeslatitudesplusgrandes,lamerestbleu-vertvoirvertedanslesrégionspolaires.Leseauxcôtièressontengénéralverdâtres.

Il y a deux facteurs contribuant à la couleur bleu de l'océan aux faibles latitudes, lorsqu'il y a peu de productionbiologique.Eneauprofonde,lorsquel'onregardesousl'eau,lalumièrequel'onvoitestcellediffuséeparlesmoléculesd'eau. La diffusion étant plus importante pour les petites longueurs d'onde (bleu) que pour les grandes longueursd'onde,l'eauparaitbleue.Depluslescomposantesrougesetjaunesdelalumièresolairesontabsorbéesenquelquesmètres,laseulecomposantesusceptibled'êtrediffuséeestdonclebleu.

Danslesrégionsoùlaproductivitébiologiqueestimportante,lachlorophyllecontenuedanslephytoplanctonabsorbelacomposantebleueetlalumièresedécaleverslevert.

Lamervuedel'espace




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Figure3.11:pourcentagedelumièreémiseparlescouchessupérieuresdel'océanenfonctiondelalongueurd'onde(engrasleslongueursd'ondesobservéesparlesatelliteNimbus-7delaNASA)-(A)océanclair(faibleconcentrationdephytoplancton)-(B)concentrationmodéréedephytoplanctonenpleinemer-(C)zonecôtièrecontenantdessédiments

etduphytoplancton

La mesure de la lumière émise par l'océan (réflexion et rétrodiffusion) à certaines longueurs d'onde donne desinformationsquantitativessur la teneurenélémentsorganiquesetautresmatériauxensuspensiondescouchesdesurface.L'interprétationdecesmesuresapportedesrésultatsimportantspourl'étudedelaphotosynthèseetdoncducycle du carbone, sur l'interaction du vent et des courants avec la biologie de l'océan ainsi que sur l'influence del'activitéhumainesurl'environnementocéanique.

Figure3.12:intensitédelalumièrerétrodiffuséeenMéditerranée.Noterlafaibleactivitébiologiqueencomparaisonaveclacôteatlantique(source:GoddardSpaceFlightCenter)

Page7/9-LesondanslamerLesonsepropagebiensousl'eau

Lesonetlalumièreontdescomportementstrèsdifférents,bienquetoutdeuxpuissentêtreconsidéréscommedesondes.Lalumière,composéed'énergieélectromagnétique,sepropagemieuxdanslevide,etengénéraldemoinsenmoins bien dans les milieux de densité croissante.Le son est constitué d'énergie acoustique due auxvibrationsdumilieuparcouru.Engénérallesonsepropagemieuxdanslessolidesetlesliquidesquedanslesgaz,etpasdutoutdanslevide.

Leslongueursd'ondecourammentrencontréesdansl'océans'étendentdumillimètreàenviron50mètres.Lavitessedusondansl'eauétantapproximativementégaleà1500m.s-1,celacorrespondàdesfréquencesde30Hzà1,5Mhz(lalimiteaudiblepourl'hommeestde20Khz).

Lesonsepropageparticulièrementbiensousl'eau,l'atténuationdueàl'absorptionetàladiffusionestbeaucoupplusfaiblequepour lesondesélectromagnétiques.Lesondesacoustiquesconstituent lemeilleurmoyendetransmissionsousl'eau.

La diffusion, due à la réflexion du son par les particules en suspension et les bulles d'air estpratiquementindépendantedelafréquence.L'absorptiondueàlaconversiond'énergieacoustiqueenchaleuret énergie chimique dépend par contre fortement de la fréquence. Aux hautes fréquences l'absorption estprincipalementdueàlaviscositédel'eau,alorsqu'auxbassesfréquences,elleestdueàlarelaxationdel'acideboriqueB(OH)3 et du sulfate de magnésium MgSO4. Le processus de relaxation consiste en l'absorption d'énergie parchangementdestructuremoléculaireaupassagede l'ondeacoustiqueetconduità ladissociationdesmoléculesethydratationdesions(figure3.13).




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Figure3.13:Absorptiondel'énergieacoustiqueàdifférentesfréquencesdansdel'eaudemerpourunetempératureetunepressionparticulière.Onmetenévidenceleseffetscumulésdelarelaxationdusulfatedemagnésiumetdel'acide

borique.

Lavitesseduson

Lavitessedepropagationdesondesacoustiquesestdonnéepar:

La vitesse du son peut être obtenue à partir de l'équation d'état de l'eau demer (IES 80), mais ilexistedenombreusesformulessimplifiées.Atitred'exempleondonnelaformulesuivante:

cvitessedusonenm.s-1,7températureen°C,Ssalinité,plapressionenPa.

Engénéralonconsidèrequelapressionesthydrostatique,cequipermetderemplacerdanslaformuleprécédentelederniertermepar0,016z(zlaprofondeurenm).

AT=0°C,S=35,z=0,ontrouvec=1449,2m.s-1Danscesconditions,lavitessedusonaugmented'environ:

4,5m.s-1par°C,1,3m.s-1parunitédesalinité,16m.s-1par1000m.




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Figure3.14:unexempledevariationdelavitessedusonenfonctiondelaprofondeurdansl'atlantique.Degaucheàdroite:1)température,2)salinité,3)influencedelatempérature,delasalinitéetdelapressionsurlavitesseduson

(référenceT=0°C,S=35,z=0),4)vitesseduson.Onnotelafaibleinfluencedesvariationsdesalinité,l'influencedelatempératuredanslacouchesupérieureetl'influencedelapressionenprofondeur.

Comme le montre la figure 3.14, dans les couches supérieures de l'océan la température variefortementetest lapremièrecausedevariationde lavitesseduson.Enprofondeurc'estlapression.Lesvariationsdelasalinité,généralementfaibles,ontpeud'effet.

La diminution de la température et l'augmentation de la pression avec la profondeur ont des effets inverses etconduisentgénéralementauprofilcaractéristiquedelavitessedusondelafigure3.14avecunminimumauvoisinagede1000m.

Propagationdesondesacoustiques

Figure3.15:propagationderayonsacoustiquesémisàpartird'unesourceà900mdeprofondeur.Enpointillés:rayonémisverslehaut(0à7°);entraitspleins:rayonsémisverslebas(2à12°).Agaucheleprofildevitesseduson

correspondant

Lorsqu'uneondeacoustiquesepropagedansl'eaudemer,elleestsoumiseàdemultiplesréfractionsaufuretàmesurequeladensitédel'eauvarie.Cesréfractionspeuventêtresmisesenévidenceensuivantun"rayon"émisdansunedirectionetconstammentperpendiculaireaufrontdel'onde.Unexempleestdonnéfigure3.15pour un profil de vitesse du son présentant un minimum à 900 m de profondeur dans un milieu homogènehorizontalement.Lerayonensepropageantestsystématiquementdéviéverslazonepourlaquellelavitessedusonestlaplusfaible.Onconstatedanscecasunphénomènedeguided'ondes,auvoisinageduminimum.




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Figure3.16:propagationdesrayonsacoustiquesauvoisinagedelasurfacedansunecouchedemélange.Notezl'existenced'unezoned'ombrejamaisatteinteparlesondesacoustiques

Danscertainscas,leprofildevitessedusonpeutprésenterunmaximumlocal,parexempledanslecasd'unecouchedesurfacebienmélangée(températureconstantesurplusieursdizainesdemètres).Lesrayonsacoustiquessontalorsdéviésverslasurfacedanslapartiesupérieure,etverslefonddanslapartieinférieure.Ilexisteune"zoned'ombre"jamaisatteinteparlesrayons(figure3.16).

Page8/9-DistributiondestempératuresTempératuresdesurface

Figure4.1:températuresdesurface(°C),moyennesannuelles

Larépartitiondestempératuresensurface(figure4.1)estsensiblementzonale(fonctionuniquementdela latitude)saufprèsdescôtesoùlescourantssontméridiens(Nord-SudouSud-Nord).LelongdecertainescôtesEstdesocéans,onpeutobserverlocalementdestempératurestrèsfaibles,duesàunphénomènederemontéed'eaufroideprovenantd'uneprofondeurdequelquescentainesdemètres.Cephénomènebaptiséupwellingestabordédanslasuiteducours.




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Figure4.2:variationsannuellesdestempératuresmensuelles(°C).Lesvaleursaffichéesreprésententladifférenceentrelamoyennedumoislepluschaudetlamoyennedumoisleplusfroid

Latempératuredel'océan(loindescôtes)décroîtrégulièrementde28°Cprèsdel'équateur,àpresque-2°Cauxhauteslatitudes.Cettedistributioncorrespondassezbienàladistributionderayonnementsolaireàlasurface(figure5.5).

Figure5.5:rayonnementsolaireauniveaudelamerenW/m2,moyennesannuellesDaSilva(1994)

Lesvariationsannuellesdelatempératuredesurfacesontrelativementfaibles,del'ordrede2°Càl'équateur,8°Cà40°de latitude,quasi-nullesdans lesrégionspolaires.Prèsdescôtes,onpeutobserverdesvariationsde l'ordrede15°C(figure4.2) .Cesvariationssontessentiellementduesauxvariationssaisonnièresdurayonnementsolaireà lasurface, elles sont plus importantes près des grandes masses continentales de l'hémisphère nord. Les variationsjournalièresdelatempératuredesurfacesontaulargeinférieuresà0,3°C,ellespeuventatteindre2à3°Ceneautrèspeuprofonde.

Températuresenprofondeur




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Figure4.3:Exemplededistributionverticaledetempératures(en°C)àl'ouestdel'océanAtlantique

La figure 4.3 représente la distribution moyenne de la température sur une coupe de l'océanAtlantiqueOuest.Cettefigure illustrebien leconfinementdes températuresélevéesdans lapartie supérieuredel'océan.Audelàde1000mdeprofondeurlatempératureestrelativementhomogène.Lesfortesvariations(verticalesethorizontales)delatempératuresontobservéesdanslacouchesupérieuredel'océan

Onmetenévidencetroiscouchesdifférentesdansl'océan:

Figure4.4:moyennesannuellesdestempératures,salinitéetdensitésenfonctiondelaprofondeur(a)régionpolaire

Lacouchedesurface(oucouchedemélange)de50à200md'épaisseuroùlestempératuressontàpeuprèscelledelasurface,




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Figure4.4:moyennesannuellesdestempératures,salinitéetdensitésenfonctiondelaprofondeur(b)régiontempérée

Lacouchethermoclinede200à1000md'épaisseur,danslaquellelatempératuredécroîtrapidementaveclaprofondeur(saufauxgrandeslatitudesoùlatempératuredesurfaceestvoisinedecelledufond),

Figure4.4:moyennesannuellesdestempératures,salinitéetdensitésenfonctiondelaprofondeur(c)régiontropicale

Lazoneprofonde,quis'étendjusqu'aufond,caractériséepardestempératuresfaiblesethomogènes.

Cetteévolutiondelatempératureaveclaprofondeurestillustréefigure4.4par3profilsdetempératuresmoyennesdansl'océanAtlantiqueàdifférenteslatitudes.




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Figure4.5:cycleannueldelathermoclineenMéditerranée

L'importancedelacouchethermoclinevarieenfonctiondelalatitude,maisaussienfonctiondessaisons,onpeutavoirunethermoclinepermanenteousaisonnièreoupasdethermoclinedutout.Unexempleestdonnéfigure4.5,ilmontrelecycleannueldelacouchethermocline,enMéditerranée.Onremarqueenparticulierlaforteinertiethermiquedelamerpuisqu'onobserveundécalagedeunàdeuxmoisentrelesextremadelatempératuredansl'eauetdansl'air.

Page9/9-BilanthermiquedesocéansPrincipe

Lesystèmeocéanatmosphèreestuneénormemachinethermiquefonctionnantàl'énergiesolaire.Lachaleur est redistribuée à la surface de la planète par lesmouvements de l'atmosphère (les vents) et des océans(circulationocéanique).Latempératuredesocéansvariedansl'espaceetdansletempsmaisnoussupposeronsqu'enmoyenne,latempératured'unlieunevariepassurunegrandeéchelledetemps(plusieursannées).

Lestermesdubilan

Sionisoleunemassed'eau,onpeutconsidérerlesfluxdechaleurentrants(positifs)ousortants(négatifs).




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Dansletableausuivantsontindiquéeslesmoyennesannuellessurl'ensembledesocéansdesdifférentsfluxetleursvariationsgéographiques:

FluxdechaleurdûaurayonnementsolaireQs

Lerayonnementsolaireabsorbéparlasurfacedesocéansestlaprincipalesourced'énergiedesocéans.Prèsde99%decetteénergieencontenuedansl'intervalledescourteslongueursd'ondesde0,3à3µm.

Lefluxd'énergiesolaireatteignantlesommetdel'atmosphèrevariede1320à1410wattsparmètrecarré en fonction de l'excentricité de la terre. La moyenne annuelle appelé constante solaire vautenviron1360W/m2(ils'agitlàdufluxàtraversunesurfaceperpendiculaireaurayonterresoleil,lamoyenneglobales'obtient en divisant la surface de la terre par sa section diamétrale, soit 340W/m2 ). Pour en déduire le fluxd'énergieatteignant la surfacedesocéans, il faut tenir comptede l'absorptionde l'atmosphère (onutiliseralecoefficientdetransmissiondel'atmosphère),deladiffusionetdelaréflexionversl'espaceparl'atmosphèreetlesocéans(lepourcentaged'énergiediffuséeetréfléchieestl'albédoplanétaire).Onobtientainsi:

Ta:coefficientdetransmissiondel'atmosphère,Fs:constantesolaire,A:albédo(5%enmoyennesurlesocéans),Vs:incidencedusoleilparrapportauzénith.

Exemples:

Atmosphèresansnuage:Ta=0,9,albédode4%,soleilauzénithQs=1150W/m2Brouillardetnuages:Ta=0,1,albédode6%,soleilà40°duzénithQs=98W/m2.(LanuitQs=0.

L'albédosur lesocéansdépendde l'incidencedusoleil (jusqu'à15%quand le soleilestbassurhorizon)etdiminuelorsquelamerestagité.Laglaceetlaneigeaugmententconsidérablementlaréflexion(jusqu'à85%surdelaneige




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fraîche).

Figure5.5:rayonnementsolaireauniveaudelamerenW/m2,moyennesannuellesDaSilva(1994)

Lafigure5.5représentelalefluxderayonnementsolaireauniveaudelamer.L'écartentrecetterépartitionetunerépartition zonale (comme on pourrait s'y attendre) est due la répartition inégale de la couverture nuageuse sousl'influencedesclimatscontinentauxetdescourantsocéaniques.

Fluxdechaleurdegrandelongueurd'ondeQb

Ce flux est la différence entre le flux de chaleur rayonné par la surface de la mer en direction del'atmosphèreetlefluxdechaleurrayonnéparl'atmosphèreverslamer.

Une partie de la chaleur emmagasinée par l'atmosphère et lamer est restituée sous forme de rayonnement. Leslongueursd'ondesdecesfluxdechaleurradiatifssontfonctiondelatempératuredechacundescorpsrayonnant(loideWien).Pourunetempératuredesurfacevariantde273Kelvins(0°C)à303Kelvins(30°C)lemaximumd'énergieestrayonnéàunelongueurd'ondevariantde10,6µmà9,56µm(pourlesoleildontlatempératuredesurfaceestvoisinede6000Klemaximumd'énergieestrayonnéà0,48µm).

Figure5.6:rayonnementdegrandelongueurd'ondeenW/m2,moyennesannuelles.DaSilva(1994)

L'intensitédel'énergierayonnéeestproportionnelleàlatempérature(enKelvins)àlapuissancequatre.Lecoefficientdeproportionnalitédépenddelanatureducorpsrayonnantetilestbeaucoupplusgrandpourlesliquidesquepourlesgaz.L'intensitéd'énergierayonnéeparl'atmosphèrevadépendrefortementdesacomposition,enparticulierdesonhumiditéetde lacouverturenuageuse(gouttelettesd'eau).Parcontre lefluxdechaleurrayonnépar lesocéansnedépendquedelatempératuredontlesvariationsrelatives(enKelvin)sontfaibles.Depluslorsquelatempératuredesocéansestélevée, l'humiditéet lacouverturenuageusede l'atmosphèresontengénéral importantes, lesdeuxflux




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(rayonnésparl'atmosphèreetparlamer)onttendanceàs'équilibrercequiexpliquelesfaiblesvariations(régionalesetsaisonnières)dufluxradiatifdegrandelongueurd'onde(figure5.6).

Globalement le flux radiatif de grande longueur d'onde entraîne un refroidissement des océans quicèdentainsiuntiersdel'énergiereçueparrayonnementsolaire.Unefaiblepartdecetteénergieestabsorbée par l'atmosphère (effet de serre), la plus grande part est rayonnée directement versl'espace.

FluxdechaleurparconductionetconvectionQh

Lameréchangedelachaleuravecl'atmosphèreparcontact.Lachaleurcédée(oureçue)parlamerestfonctiondugradientverticaldetempératuredansl'air:

K:coefficientdeconductivitéthermiquedel'air,Cp:chaleurspécifiquedel'airàpressionconstante.

Si l'air est stationnaire,la conduction est due aux mouvements aléatoires des molécules et K est laconductivitéthermiquemoléculaire(caractéristiquedel'airàunetempératuredonnée).Maisl'airestenmouvementcequiaccroîtleséchangesdechaleur,cemouvementauncaractèreturbulentetKestalorslecoefficientdeconductivitéturbulentedelachaleur(caractéristiquedel'écoulement)

Quandl'océanestpluschaudquel'air,l'airencontactavecl'océanseréchauffeetmonte.Onaunphénomènedeconvectionnaturellequientretientlerenouvellementdel'airetdoncleséchangesdechaleur. Dans lecascontrairel'airrefroidiresteàlasurfaceleséchangesdechaleursefontalorspluslentementàl'échellemoléculaire.Ilyadoncunedissymétriedansleséchangesdechaleur:l'océancèdeplusfacilementdelachaleurparconvectionqu'iln'engagneparconduction.

Figure5.7:Différencedetempératuremer-airàlasurfaceen°C,moyennesannuelles.DaSilva(1994)

Enmoyenne(annuelle)l'océanestpluschaudquel'air,lesécartsdetempératureétantgénéralementassez faibles (de l'ordre de 0,8°C aux tropiques)saufprèsdecertainescôtesetdans les régionsglaciaires(figure5.7).

FluxdechaleurlatenteQe

C'estlefluxdechaleurduàl'évaporation.Pourquel'évaporationseproduise,ilfautquel'océanfournisseunequantitédechaleur:c'estlachaleurlatentedevaporisation.

LefluxdechaleurQeestliéautauxd'évaporationparlarelation:




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étantletauxd'évaporationetLlachaleurlatentedevaporisationdel'eau.

Figure5.8:Fluxdechaleurlatente(duàl'évaporation)enW/m2,moyennesannuelles.DaSilva(1994)

Lavaleurélevéedelachaleurlatente(2474kJ/kgà20°Cpourdel'eaupure)liéeàlastructuredelamoléculed'eau,ainsique lesvaleurs importantesdutauxd'évaporation(environ1,2mètresparansur l'ensembledesocéans), fontquelefluxdechaleurduàl'évaporationest lapremièrecausederefroidissementdesocéans.Cefluxestparticulièrement important dans les zones subtropicales et au dessus des courants chauds comme leGulf Stream(figure5.8).

Bilanetfluxdechaleurpartransportd'eau

Ilestpossibled'estimerlefluxtotaldechaleurreçueparunerégiondel'océan(figure5.9):

Figure5.9:Fluxdechaleurtotalreçuparl'océanenW/m2,moyennesannuelles.DaSilva(1994)

Qt=Qs+Qb+Qh+Qe

La tendance générale est que l'océan se réchauffe à l'équateur et perd de la chaleur aux grandes latitudes. |Laredistributiondechaleursefaitpartransportd'eausousformed'unmouvementconvectif(plongéedeseauxlesplusdenses)etlebilanlocalestéquilibréparlefluxdechaleurpartransportd'eauQv.

Lemêmephénomèneexistedansl'air,avecdescellulesconvectivesquicréentdeshautesetbassespressions,avecune distribution de pression particulière due à la rotation de la terre et une influence importante des masses




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continentales(quiontdesvariationsdetempératuresbeaucoupplusgrandesquelesocéans).|Pourcomprendrelesmouvementsd'eaudanslesocéans,ilfautdoncétudierlesystèmecoupléocéan-atmosphère,avecdesphénomènesthermiquesquisontà l'originedesvents,euxmêmesà l'originedescourantsdesurface. lesmouvementsd'eauenprofondeursonteuxdusàdesvariationsdedensité(températureousalinité).

C'estdanslesrégionsàfortcourantsquel'onobservelesplusfortespertesdechaleur,auniveauduGulfstream(coteEstdesEtatsUnis)ouduKuroShivo(SudduJapon),compensantainsiunfortapportpartransportd'eau.

Le rôle des transports d'eau en profondeur est fondamental dans le bilan thermique de la planète. Ainsi, si l'onconsidère l'Antarctique, la première cause de refroidissement du continent est le rayonnement de grande longueurd'ondeQb, lapremièrecausede réchauffementest lefluxdechaleurpar transportd'eauQvduaumouvementenprofondeur,d'eauenprovenancedel'AtlantiqueNord.

Documents

416-milieu-marin-proprietes-physiques.pdf