climat : une circulation océanique en pleine mutation

Summer K. Praetorius Différents indices suggèrent que le système de circulation de l’océan Atlantique Nord est dans un état d’affaiblissement sans précédent au cours des 1 600 dernières années, mais des questions demeurent quant au moment exact du commencement de ce déclin. Nos publions deux articles à ce sujet.
publié le 30 mai 2018

La surveillance de long terme est essentielle pour comprendre comment les changements dans le système de courants de l’océan Atlantique affecteront la planète.

Les eaux chaudes et salées du Gulf Stream forment un méandre qui traverse l’océan Atlantique en direction du nord-est, formant finalement le Courant de l’Atlantique Nord, qui poursuit ensuite sa course vers les mers nordiques. Dans le froid de l’hiver, ces eaux se refroidissent et plongent en profondeur, lestées par leur salinité. Cette convection profonde est un élément clé de la Circulation Méridienne de Retournement Atlantique (AMOC ; Fig.1), que l’on peut considérer comme une tapis roulant océanique qui libère de la chaleur dans l’atmosphère au-dessus de l’océan Atlantique Nord avant de plonger vers les profondeurs abyssales et de refaire surface dans d’autres régions du monde ^[1].

Figure 1 La Circulation Méridienne de Retournement Atlantique (AMOC) et le gyre subpolaire. L’AMOC est un système de circulation océanique qui se compose de courants de surface chauds (orange) et de retours d’eau froide profonde (bleu), comme le montre cette représentation simplifiée. Les courants de surface comprennent le Gulf Stream, qui alimente une branche de l’AMOC connue sous le nom de Courant de l’Atlantique Nord. Les retours d’eau profonde partent de trois branches qui se fondent dans les eaux profondes de l’Atlantique Nord. Thornalley et al.(5) ont utilisé des mesures de limon dans des carottes de sédiments pour reconstituer la vitesse d’écoulement de l’AMOC au cours des 1 600 dernières années ; l’étoile noire indique l’emplacement approximatif auquel les carottes de sédiments ont été prélevées. Caesar et al.(4) ont analysé les anomalies de température dans le gyre subpolaire de l’Atlantique Nord (ligne en pointillés) pour en déduire les variations dans le débit de l’AMOC au cours du siècle dernier. Les deux études concluent que l’AMOC s’est affaibli d’environ 15 % au cours des périodes considérées, mais elles diffèrent quant au moment où le débit a commencé à diminuer.

étant donné l’importance de l’AMOC pour l’échange thermique entre l’océan et l’atmosphère, la force de ce système, par sa variabilité, est considérée comme ayant des impacts majeurs sur le climat mondial. Elle a été largement impliquée dans certains des changements climatiques les plus remarquables et les plus brutaux du passé ^[2]. Les mesures directes récentes des débits de l’AMOC montrent son affaiblissement au cours de la dernière décennie ^[3]. Des reconstitutions de la variabilité naturelle et des tendances de long terme de l’AMOC sont toutefois nécessaires pour replacer ces changements récents dans leur contexte. Deux articles dans la revue Nature, par Caesar et al. ^[4] et Thornalley et al. ^[5], font état de la variabilité passée de l’AMOC avec des approches différentes. Tous deux concluent que l’AMOC moderne est dans un état inhabituellement faible, mais ils divergent dans les détails sur la manière et le moment où le déclin de l’AMOC a commencé.

Caesar et ses collègues ont évalué des changements dans la force de l’AMOC au cours du siècle dernier à partir des anomalies de la température de surface de la mer qui surviennent dans l’Atlantique Nord lorsque l’AMOC s’affaiblit. L’affaiblissement entraîne un réchauffement du Gulf Stream et un refroidissement du gyre subpolaire – la boucle de courants océaniques entraînés par le vent qui se trouve au sud de l’Islande (Fig. 1). Le lien entre l’abaissement des températures de surface de la mer au niveau du gyre subpolaire de l’Atlantique Nord et le ralentissement de l’AMOC était déjà connu, cependant ^[6] ^[8], Caesar et al. ont permis des avancées en comparant des jeux de données mondiaux sur la température de surface de la mer et des modèles climatiques haute résolution à la pointe de la technologie.

L’analyse des données des auteurs montre que ce schéma bipolaire de refroidissement et de réchauffement est apparu au milieu du XXe siècle. Lorsqu’ils ont effectué des simulations climatiques sous l’hypothèse d’une augmentation annuelle de 1 % du dioxyde de carbone, le modèle a prédit des anomalies de température de surface de la mer dans l’Atlantique Nord similaires à celles observées. Ces prédictions étaient associées à une diminution de la force de l’AMOC. Les auteurs ont ensuite étalonné les résultats du modèle avec leurs données sur la température de la surface de la mer pour estimer que l’AMOC a diminué d’environ 15 % au cours du dernier demi-siècle. Ils en déduisent que le ralentissement de l’AMOC était probablement une réponse au réchauffement causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Le phénomène en cause pourrait être une fonte plus rapide de la calotte glaciaire du Groenland, qui, en ajoutant de l’eau douce à la surface de l’océan, réduirait la densité de l’eau, ralentissant ainsi la convection profonde.

Thornalley et al. offrent une perspective à plus long terme sur les fluctuations de l’AMOC au cours des 1 600 dernières années en utilisant une mesure par approximation – la taille des grains de sédiments en eau profonde ^[9] – qui reflète les vitesses des écoulements en profondeur sur le trajet retour, en eau profonde, de l’AMOC (Fig.1). Ils ont combiné cette approche avec une méthode similaire à celle utilisée par Caesar et al. : ils ont utilisé les anomalies de température passées, proches de la surface, enregistrées dans les sédiments marins, pour fournir des contraintes supplémentaires sur l’AMOC.

Les chercheurs ont constaté que la force de l’AMOC était relativement stable d’environ 400 à 1850 de notre ère, mais qu’elle s’est affaiblie au début de l’ère industrielle. Cette transition coïncide avec la fin du Petit Âge glaciaire – une vague de froid de plusieurs siècles qui a touché de nombreuses régions du globe( ^[10]). Thornalley et al. en déduisent que l’affaiblissement de l’AMOC à l’époque était probablement le résultat de l’apport d’eau douce provenant de la fonte des glaciers du Petit Âge glaciaire et de la glace de mer. Ils estiment que la force de l’AMOC a diminué d’environ 15 % au cours de l’ère industrielle, par rapport à son débit au cours des 1 500 années précédentes. Ce chiffre est remarquablement similaire à l’estimation de Caesar et de ses collègues, malgré les différentes périodes sur lesquelles ils fondent leurs estimations.

Cependant, la différence d’environ 100 ans dans la date proposée de début du déclin de l’AMOC, entre ces deux études, a d’importantes conséquences quand on en vient au déclenchement du ralentissement. Caesar et al. l’ont clairement attribué au forçage anthropique, tandis que Thornalley et al. suggèrent qu’un déclin antérieur en réponse à la variabilité naturelle du climat a peut-être été soutenu ou renforcé par la fonte des glaces associée au réchauffement climatique d’origine anthropique. Néanmoins, le principal coupable dans les deux scénarios est l’apport d’eau douce aux eaux de surface.

Les deux études sont des exemples classiques d’approches « descendante » et « ascendante », et il n’est donc pas surprenant qu’elles fournissent des angles de vues différents sur un même objet. Caesar et al. adoptent l’approche descendante : leurs déductions sur les changements dans la force de l’AMOC reposent sur de reconstructions des températures régionales et globales de la surface de la mer qui sont dérivées de mesures directes de la température. Il est possible que des régions autres que l’Atlantique Nord, dans lequel les températures de surface de la mer ont varié à l’échelle de la décennie, puissent influencer la température moyenne globale de la surface de la mer à partir de laquelle la force de l’AMOC est calculée – bien que les auteurs tentent de dissiper de tels doutes en montrant que l’anomalie de température au niveau du gyre subpolaire est très liée à la température moyenne globale durant plusieurs sous-périodes (voir la figure 2 de données étendues dans la réf. 4).

La stratégie de Thornalley et ses collègues est davantage une approche ascendante : ils utilisent une approximation de la force des courants en eau profonde pour mesurer la force de l’AMOC plus directement que ne le font César et ses collègues. Les faiblesses de cette approche sont qu’elle ne tient compte que des courants de fond locaux sur les sites où les carottes sont prélevées, ce qui pourrait ne pas être représentatif de l’ensemble du système AMOC, et qu’elle pourrait être sensible à des effets locaux non linéaires tels que des changements brusques dans la position du courant. Cependant, Thornalley et al. montrent qu’il existe une corrélation frappante entre la taille des grains et la densité mesurée de l’eau de la mer du Labrador (une composante majeure des eaux profondes de l’Atlantique Nord), ainsi qu’avec le contenu calorifique du gyre subpolaire ; ces corrélations renforcent les liens entre leurs mesures par approximation localisées et les changements à plus grande échelle dans l’AMOC.

Pour l’instant, le moment du déclin de l’AMOC demeure une source d’intrigue. Les études futures qui fourniront un réseau à maille spatiale plus fine de reconstructions multiples aideront à clarifier certaines des ambiguïtés qui subsistent quant aux éléments de l’AMOC qui étaient en train de changer et au déroulé du changement. Il est – au moins scientifiquement – rassurant de voir que les deux études actuelles convergent vers la conclusion que l’AMOC moderne est dans un état relativement faible. Cependant, dans le contexte des futurs scénarios de changement climatique et d’un effondrement possible de l’AMOC ^[11] en réponse à la fonte continue de la calotte glaciaire du Groenland ^[12], ces conclusions sont peut-être moins rassurantes, car un AMOC affaibli pourrait entraîner des changements considérables dans les régimes climatiques et de précipitations dans tout l’hémisphère Nord ^[13].

[1]Broecker, W. S. Oceanography 4, 79–89 (1991).

[2]Henry, L. G. et al. Science 353, 470–474 (2016).

[3]Srokosz, M. A. & Bryden, H. L. Science 348, 1255575 (2015).

[4]Caesar, L., Rahmstorf, S., Robinson, A., Feulner, G. & Saba, V. Nature 556, 191–196 (2018).

[5]Thornalley, D. J. R. et al. Nature 556, 227–230 (2018).

[6]Drijfhout, S., van Oldenborgh, G. J. & Cimatoribus, A. J. Clim. 25, 8373–8379 (2012).

[7]Rahm storf, S. et al. Nature Clim. Change 5, 475–480 (2015).

[8]Menary, M. B. & Wood, R. A. Clim. Dyn. 50, 3063–3080 (2017)

[9]McCave, I. N., Manighetti, B. & Robinson, S. G. Paleoceanography 10, 593–610 (1995).

[10]PAGES 2k Consortium. Nature Geosci. 6, 339–346 (2013).

[11]Liu, W., Xie, S.-P., Liu, Z. & Zhu, J. Sci. Adv. 3, e1601666 (2017).

[12]Bakker, P. et al. Geophys. Res. Lett. 43, 12252–12260 (2016).

[13]Jackson, L. C. et al. Clim. Dyn. 45, 3299–3316 (2015).

La circulation océanique est en pleine mutation, et nous devons savoir pourquoi.

La surveillance de long terme est essentielle pour comprendre comment les changements dans le système de courants de l’océan Atlantique affecteront la planète.

Les courants océaniques sont un acteur clé dans le système climatique mais les changements sont difficiles à suivre Crédit : Karsten Schneider/SPL

La circulation méridienne de retournement atlantique (AMOC) stimule l’intérêt scientifique et l’imagination humaine depuis des décennies. Système complexe et fondamental de courants océaniques, incluant le Gulf Stream généré par le vent, l’AMOC influence l’échange de chaleur entre les tropiques et les hautes latitudes. Cette circulation est due principalement à l’eau froide et dense des mers salée du Groenland et du Labrador, qui s’enfonce vers les profondeurs de l’océan Atlantique Nord. Elle régule la température et sert donc de thermostat mondial.

Mais pour combien de temps encore ? Des changements soudains dans la circulation ont été identifiés comme potentiels points de basculement dans les systèmes physiques de la Terre. Depuis les années 1950, les géologues et les océanographes ont recueilli des preuves convaincantes que les altérations de la circulation océanique constituent un déterminant clé du changement climatique.

L’analyse de carottes de glace du Groenland suggère que des changements brusques dans l’intensité de la circulation ont déclenché des fluctuations de température importantes au cours de la dernière glaciation. Des fluctuations climatiques d’une telle ampleur n’ont heureusement pas eu lieu à l’époque interglaciaire actuelle, l’Holocène. Néanmoins, les signes d’un affaiblissement marqué de l’AMOC, signalés en 2005 (H. L. Bryden et al. Nature 438, 655-657 ; 2005), ont suscité la crainte que la circulation soit sur le point de basculer dans une phase de faiblesse, peut-être en raison du réchauffement climatique provoqué par l’homme.

Des observations océaniques ultérieures, issues de réseaux de capteurs en Atlantique Nord, ont offert une image plus rassurante : le courant étaient extrêmement variables, de sorte qu’un seul aperçu pouvait ne pas être représentatif.

Les chercheurs d’aujourd’hui reprennent les investigations avec un angle différent. Dans un article paru cette semaine dans la revue Nature, des scientifiques présentent des preuves paléo-océanographiques selon lesquelles la convection profonde des eaux de surface dans l’Atlantique Nord – le moteur qui maintient l’AMOC en mouvement constant – a commencé à décliner dès 1850, probablement en raison de l’augmentation de l’afflux d’eau douce provenant de la glace arctique qui avait fondu à la fin d’une période relativement froide appelée le Petit Âge Glaciaire (D.J.R. Thornalley et al. Nature 556, 227-230 ; 2018). Cela aurait pu affaiblir la circulation océanique.

Dans un deuxième article, les chercheurs ont utilisé des modèles climatiques mondiaux et des données de température de surface de la mer pour dater le début de l’affaiblissement à une époque plus récente, vers le milieu du XXe siècle (L. Caesar et al. Nature 556, 191-196 ; 2018). Selon leurs modèles, le ralentissement était d’environ 15 % ; il était plus prononcé en hiver et au printemps ; il a entraîné un refroidissement des températures de surface de la mer dans certaines parties de l’Atlantique Nord, ainsi qu’un léger déplacement vers le nord de la trajectoire moyenne du Gulf Stream. Selon les auteurs, il s’agit probablement d’une conséquence du changement climatique anthropogénique.

Il est important de noter que les résultats s’accordent sur le fait que l’AMOC est dans un état relativement faible. La grande marge de désaccord entre les deux études indépendantes sur le moment où la circulation a commencé à s’affaiblir est probablement due aux différentes méthodes utilisées – et elle souligne qu’il est extrêmement difficile d’approcher la variabilité passée de l’AMOC. Cela décevra probablement ceux qui préfèrent que leur science envoie un signal sans équivoque. Mais la science est rarement aussi complaisante. Peut-on distinguer les effets du changement climatique de la variabilité naturelle sur l’AMOC ? Et, si la circulation océanique est sensible au changement climatique, comme c’est fort probable, les courants réagiront-ils brusquement et peut-être violemment à un moment donné, ou bien la transition se fera-t-elle sans heurts ? Ces questions sont parmi les plus urgentes posées à la science du climat.

Le lent progrès des réponses à ces questions devrait nous rappeler que les océans sont la composante du système terrestre la moins dotée en matière de collecte de données. L’AMOC n’est qu’une partie d’un système de circulation à l’échelle mondiale, dont la physique – et l’influence sur les cycles chimiques – n’est que mal comprise.

Les modèles numériques sont des outils indispensables pour étudier la circulation océanique et le climat. Cependant, malgré l’augmentation continue de la puissance des ordinateurs, les modèles ne parviennent pas à reproduire quelque chose d’aussi nuancé et variable que la circulation océanique. Ce qu’il faut, ce sont des séries longues de mesures de l’intensité de la circulation.

Il est donc crucial que les systèmes de surveillance des océans existants – y compris les programmes sur le retournement dans l’Atlantique Nord subpolaire (Overturning in the Subpolar North Atlantic Program) et dans l’Atlantique Sud méridional (South Atlantic Meridional Overturning Circulation Program) – soient maintenus au cours des décennies à venir. Les données de ces dispositifs de surveillance commencent tout juste à donner un aperçu des courants marins complexes dans ces régions clés. Pourtant, assurer le financement de ces études de long terme est un combat de chaque instant.

Il reste encore beaucoup à faire. L’un objectifs de développement durable des Nations Unies comprend déjà un appel à accroître les ressources de la recherche en faveur de la santé des océans. Les efforts régionaux et nationaux d’observation de l’océan devraient être coordonnés, idéalement dans le cadre du système mondial d’observation de l’océan (Global Ocean Observing System). L’observation minutieuse est une condition préalable à la compréhension des océans dont dépend, en fin de compte, l’humanité.