Une Introduction à la Dynamique des Océans et du Climat, EDP Sciences A. Colin de Verdière
L’océan, l’atmosphère et la lune vus du satellite de la NASA DSCOVR le 16/07/2015. Le satellite est placé au point de Lagrange L1 entre la terre et le soleil ce qui permet de photographier la lune devant la terre éclairée par le soleil. Source NASA EPIC team (Earth Polychromatic Imaging Camera),
https://epic.gsfc.nasa.gov/epic-galleries/2015/lunar_transit/full/197_2015197232104.png
Les interactions entre les trois acteurs océan, atmosphère, lune forment le sujet du livre. L’océan est mis en mouvement par les forces gravitationelles des astres et par une variété de flux radiatifs (solaire et infrarouge), quantité de mouvement (vent), chaleur, eau douce, gaz (oxygène et dioxyde de carbone), particules... à l’interface air-mer. Ces flux couplent deux milieux de fréquences inégales, échelles de temps rapides [jour, mois] pour l’atmosphère, longues pour l’océan [mois, siècle], ce qui ne les pousse pas à coopérer mais à subir: l’océan subit le forcage haute fréquence de l’atmosphère et celle-ci subit le forçage basse fréquence de l’océan. Opaque aux radiations électromagnétiques, l’océan ne montre rien ici à part sa couleur bleue. Pour mettre en évidence sa complexité et son rôle climatique, il faut y entrer. Depuis les rares sections hydrographiques du début du XXème, les technologies spatiales (altimétrie) et in situ (bouées de surface et flotteurs Argo) révèlent maintenant la circulation générale et sa turbulence de façon globale. Remonter aux causes physiques, c’est unifier, trouver des analogies dynamiques entre ces observations faites en divers points. C’est le voyage que propose ce livre.
We are to admit no more causes of natural things than such as are both true and sufficient to explain their appearances.
Cette phrase de Newton tirée des Principia de 1686 donne la clé pour avancer, trouver les causes vraies et suffisantes. Comme les équations de la Mécanique des Fluides sont connues, il suffirait de bâtir sur ces équations un modèle global des acteurs et la cause de n’importe quelle observation se trouverait quelque part dans les sorties du modèle, l’approche brute force. Deux difficultés émergent pour discuter des causes. La première provient de la dissipation : pour des bassins océaniques de 5000
km de coté, l’équilibre du forçage air-mer et de la dissipation demande d’aller traquer les échelles centimétriques. Le nombre de points de grille dans une direction atteint 5108, entreprise impossible.
La grille des modèles autour du km demande de paramétriser la dissipation à l’échelle du km mais le modèle ne représente plus l’eau mais un fluide plus visqueux. La deuxième vient du volume colossal des données qui sortent d’un modèle global : la recherche de la cause revient à chercher une aiguille dans une botte de foin. Notons à l’inverse que pour une prédiction du climat, tous les détails comptent a priori et on a besoin d’une modélisation globale de tous les acteurs et de leurs conditions initiales.
L’approche Dynamique des Fluides Géophysiques est dans la phrase de Newton, les causes suffisantes. On coupe des arbres dans la forêt des équations pour les adapter aux observations, ce qu’il fait dans sa Théorie des Marées. En supprimant les courants, il explique les grandes marées par les alignements Terre – Lune – Soleil. Mais Laplace voit bien qu’il y a un décalage, décalage qui demande de considérer la dissipation par les courants. Il réalise que la pression reste hydrostatique à une très bonne approximation pour ces ondes longues et formule le modèle en eau peu profonde si approprié pour le climat. La deuxième grande approximation est la géostrophie, l’équilibre approximatif entre force de Coriolis et force de pression valable pour les mouvements qui contiennent l’énergie dont l’usage culmine avec le modèle quasi-géostrophique de Charney et Eady qui explique la présence de la turbulence dans l’atmosphère ~ 1000km et dans l’océan ~100km.
Relier observations et théories en suivant le guide de Newton est donc un entraînement à l’art de faire des approximations.
Le premier volume montre les observations océaniques et expose les causes des marées, de la circulation générale des océans, du Gulf Stream, de la circulation thermohaline, des ondes et de la turbulence océanique, des jets équatoriaux. Les schémas de circulation des océans polaires sont également abordés. Le deuxième replace l’océan dans ses interactions avec l’atmosphère (et les glaces). L’atmosphère, les climats du passé et les modes climatiques couplés actuels sont décrits avec le même objectif de discussion des causes dynamiques. La discussion du réchauffement global actuel impose également une exposition du cycle du carbone et du forçage radiatif dans l’atmosphère. Le climat et son histoire se déroule sur un terrain de jeu à la croisée de nombreuses disciplines, biogéochimie, géologie, géodésie, géographie, mathématique, physique et l’objectif a été de rendre le sujet accessible pour des étudiants débutants de parcours divers, Sciences de la Terre et de l’Univers, Océanographie, Météorologie, Physique et Mathématiques mais aussi pour l’amateur passionné par la mer et le climat.
