Thème général: L’exploration des océans – un défi pour les scientifiques?

Problématique: Dans quelle mesure les scientifiques du XXIe siècle réussissent-ils à perfectionner les techniques de recherche du monde sous-marin?

Thème de l’équipe: Les humeurs de l’océan – l’influence des courants océaniques sur le climat

Problématique de l’équipe:Comment mieux étudier les

comportements des océans afin de découvrir à temps les menaces et les

prévenir avant que l’avenir ne s’écoule devant nos yeux?

Plan du projetI. Les moteurs des courants océaniques

• La rotation de la Terre et la force de Coriolis• Les interactions entre l’océan et l’atmosphère• Les ondulations de la thermocline.

Convergences, divergencesII. Variations océaniques, variations climatiques

• Les variations du système climatique• La variabilité interannuelle. Le phénomène El

Niño

• Les fluctuations décennales. Le NAO• Les évolutions à long terme du climat. La

circulation thermohaline• L’homme. L’océan et le gaz carbonique

III. Voir, observer, mesurer, modéliser pour comprendre et prévoir

• La modélisation – expérimentation et prévision• La modélisation de la dynamique océanique• L’observation « in situ » des océans

IV. Produit final - interview

La rotation de la Terre joue une rôle très important ,elle détermine le sens des courants au sens du ou oppose au sens du vents (dans les régions subpolaires ou équatoriales).

• L’océan bouge à cause de:▪ rayonnement solaire (effet de serre naturel);▪ attraction gravitationnelle entre Terre, Soleil et Lune.

Les forces océanographiques

• les forces primaires qui initient le mouvement (la gravité terrestre, le champ de pression interne et/ou externe, L’action du vent, la marée),

• les forces secondaires qui modifient le mouvement (la force de Coriolis, les forces de frottement internes, les forces de frottement externes).

Les courants La circulation thermohaline

Courants chauds en surface– en rouge.Courants froid s en profondeur - en bleu.

On distingue deux types de courants. :

• Les courants de surface.• Les courants profonds.

L’équation du mouvement

Accélération d’eau dépend de: la force de pression, la force de Coriolis+les forces de frottement et gravitérésultante=p+f+Coriolis+G(=mg)

•Les forces de frottement ne sont importantes que près des frontières latérales ,de le fond ou la surface de l’océan

•La gravité joue une rôle important seulement pour les mouvements verticaux

Equilibre géostrophique

résultante=0 et on a P=-Coriolis, cela veut dire que la force de pression et la force de Coriolis sont égaux en module, ont la même direction mais de sens oppose.

•La friction n’existe pas parce qu’on est à l’intérieur de l’océan

•La gravité n’existe pas parce qu’on n’a pas des mouvements verticaux

La spirale d’Ekman

• Le courant de surface fait un angle de 45⁰ avec la direction du vent

• Le déplacement moyen de l'eau est à 90° à droite du vent.

• Plus la profondeur est grade d’autant plus diminue la vitesse du courent

• A 100 m de profondeur l’eau se déplacera dans une direction oppose par rapport à celle de la surface

Sous l'effet du vent et de la déviation de Coriolis, le transport des eaux de surface provoque des phénomènes de divergences et de convergences

Convergences• L’anticyclone (dans le sens des aiguilles

d'une montre dans l'hémisphère nord)• Les vents anticycloniques provoquent un

mouvement descendent d’eau de mer:<<ventilation>>

Divergences• Cyclones• Les vents cycloniques provoquent

un mouvement ascendant d’eau:<<le pompage d’Ekman>>

La formation des gyres

• La circulation générale se produit dans des grandes cellules

• Les gyres sont des grandes boucles d’eau en mouvement

• Il y a 5 gyres principaux(un dans chaque basin océanique)

• En général il y a 4 courants en chaque gyre(a l’exception des gyres subpolaires)

Variations océaniques, variations climatiques

Le système climatique court sans cesse après un équilibre qu’ il ne peut jamais atteindre,

une poursuite rendue même plus difficile par les gaz à effet de serre.

Les agents dynamiques: l’atmosphère et l’océan

L’atmosphère L’océan

Temps très court de réponse aux perturbations

Reçoit une partie de son énergie de l'océan

Evolution très rapideImpossible de faire une

prévision météorologique au-déla de 15 jours à 3 semaines

Temps d’evolution plus longAmortit les variations

climatiquesFournit une partie de son

énergie à l'atmosphère Les courants distribuent

l'autre partie au reste de la planète

Effets des perturbations ressentis des siècles plus tard

La portion d’océan à considérer dans une prévision climatique dépend de l’echelle de temps choisie

Le couplage océan-atmosphère dans le Pacifique Equatorial

La cellule de WalkerBranche ascendante

(Indonesie)Branche descendante

(Perou, Chili)

Courant Equatorial Sud: les alizés entraînent des eaux chaudes → contraste avec les remontées froides

Différences de température entre les deux rives

Surélévation du niveau de la mer de 50 cm – 1 m

Ouest: grande réserve d’eaux chaudes →évaporation et condensation → cumulo-nimbus porteurs de précipitations.

Liée de la branche ascendante par un courant d’altitude de ouest en est

Eaux océaniques froidesPressions atmosphériques

élevées, air sec, précipitations très rares

Cycle terminé par les alizés qui soufflent d’est en ouest

*l’intensité de la cellule est proportionnelle avec le SOI (indice d’oscillation australe), donné par la différence de pression entre Tahiti et Darwin, Australie

Les variations interannuelles: l’ENSO (El Nino Southern Oscillaton)

El Nino (phase chaude) La Nina (phase froide) Intensités faibles des alizés et du

courant équatorial Sud Les eaux chaudes de l’Indonesie

s’écoulent vers l’est → pluiesA l’est les températures s’élèvent

de 4 – 5̊ CLa pente de l’océan se diminueSécheresse (Indonesie et

Australie), pluies abondantes (Perou), affaiblissement de la mousson indienne

Hivers doux et humides sur le nord-ouest de l’Amerique

Valeurs maximales de SOI (opposé d’El Nino)

Cellule de Walker et circulation océanique aux intensités maximales

Alizés vigoureusesConvection maximalePente de l’océan maximale

La Nina pousse le système à ses extrémités. El Nino le détruit...

Un nouvel acteur du climat: l’homme

L’océan et le gaz carbonique

Réjection anthropique de carbone: 7 GT/anL'océan est le plus grand réservoir naturel de carbone → 40000

GTL’équilibre du système chimique océanique dépend des

échanges de CO2 avec l’atmosphèreCes échanges dépendent des concentrations relatives de

l’atmosphère et de l’océan en gaz carbonique (pression partielle du gaz)

La solubilité du CO2 est inversement proportionnelle avec la température de l’océan

Scénarios et modèles scientifiques de l’évolution climatique pour le prochain siècle

Augmentation de la température moyenne → 1,4 – 5,8̊ CElévation du niveau de la mer: 11 – 77cm Perturbations accentuées→ El Nino → précipitations voire

plus abondantes à Perou, sécheresse excessive en Indonésie

Augmentation de la NAO → hivers doux, humides et agités (Europe de l’Ouest)

Ralentissement de la circulation termohaline → paradoxe: augmentation globale de 3,8 – 7,4̊ C → blocage qui refrigèrerait l’Europe.

Ayant donnée l’augmentation de la température qu’on envisage à présent, le monde a de quoi s’inquiéter!

Voir, observer, mesurer, modéliser

pour comprendre et prévoir

la modélisation: expérimentation et prévision

La méthode classique: l’isolation du milieu originel (ou seulement un morceau)

= le mésocosme

Pourquoi ne pas l’utiliser?• Le danger pour les milieux naturels• L’impossibilité d’isoler la nature dans

un laboratoire

Alors, quoi faire?On peut créer un modèle = une

représentation du système dont on peut modifier les paramètres pour étudier leur impact

Comment fonctionnent-ils?Les projections sont conçues après des

expériences réalisées en imitant le milieu originel.

Le rapport prévision-réalité donne la validité du modèle.

Avantages• La validité du modèle peut être vérifiée très vite (comme dans la

météorologie)• La vitesse de correction des erreurs

de projectionInconvénients• La limitation du pouvoir des

ordinateurs• Dans le cas de El Niño, les prévisions

peuvent se tromper toujours à cause de son irrégularité

La modélisation de la dynamique océanique

L’équation Navier-Stokes est à la base de la modélisation; elle nécessite des calculs répétés.

l’équation Navier-Stokes On doit:• savoir définir les forces et les interactions • rattacher à l’équation les spécificités du

milieu pour régler le modèle.

L’observation « in situ » des océans

1925 – 1927: L’Allemagne entreprit une série de voyages dans le sud de l’Atlantique, où elle a installé quelques stations de mesure.

Maintenant, des observations de température des premiers 500 mètres de l’océan sont réalisées régulièrement.

les outils d’hier… …et ceux d’aujourd’hui

• des bouteilles pour prélever d’eau• des thermomètres

• des sondes mesurant la température, la salinité, les sels nutritifs

En raison de El Niño, le programme TOGA (« Tropical Ocean and Global Atmosphere ») a été créé. Ainsi, on a construit un réseau d’observation du Pacifique:

• Des chaînes de mesure de la température• Des stations météorologiques • Des courantomètres et salinomètres

Il y a encore du progrès à faire!• Le coût nécessaire pour un système complet

d’observation est trop grand• les résultats ne sont pas encore précis

Produit finalInterview avec le géophysicien Nicolae Panin

• En ce qui concerne l’augmentation de la quantité de gaz carbonique dans l’océan planétaire, quels effets envisagez-vous pour ce phénomène?

• De nos jours, on parle du réchauffement global. Quand même, les spécialistes envisagent un refroidissement de l’Europe. Comment expliquez-vous ce phénomène?

• Selon vous, combien de confiance peut-on faire aux techniques de modélisation et simulation dans les prévisions climatiques à long terme?

• Ayant donné le fait que l’océan réagit très lentement aux perturbations, croyez-vous que si on arrêtait tout émission de gaz carbonique, cela aurait le pouvoir d’annuler les effets négatives?

• En ce qui vous concerne, quelle est la plus efficace méthode de prévision et prévention des menaces que les changements subis par l’océan imposent au climat terrestre?

Groupe de travail:• David Andrei Mircea• Panaitescu Otilia Violeta• Smeu Andreea Cristina

Professeurs coordonateurs:Ileana Patrichi – Professeur de PhysiqueFlorentina Manolache – Professeur de BiologieMariana Vișan – Professeur de FrançaisCecilia Popescu – Professeur de Français