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A l'occasion du One Ocean Summit, Mer et Marine donne la parole aux chercheurs de l'Institut de l'Océan de l'Alliance Sorbonne Université. Dans cet article, Marie-Noëlle Houssais, directrice de recherche au CNRS, évoque les connaissances et enjeux autour de l'océan Arctique. 

Les régions arctiques sont indubitablement parmi les régions du globe les plus vulnérables au changement climatique. L’augmentation des températures de l’air sur le dernier siècle y est plus de deux fois supérieure à la moyenne globale de la planète, conduisant à des changements spectaculaires et des effets délétères dans tous les milieux, y compris le milieu vivant, avec des impacts considérables sur les populations. Les changements subis par la cryosphère, qu’elle soit marine ou terrestre - fonte accélérée du Groenland, diminution du couvert de banquise, dégel du pergélisol - en constituent les témoignages les plus évidents. Par son implication dans des rétroactions climatiques mettant en jeu l’albedo de surface de la planète, la cryosphère est en même temps un acteur essentiel de l’amplification du réchauffement en Arctique. L’ampleur et la rapidité de ces changements ont pu être évaluées avec une précision croissante au cours des dernières décennies grâce aux satellites d’observation de la Terre dont certains offrent désormais une couverture répétitive et quasi-globale des régions polaires. On peut désormais quantifier plus précisément les variations non seulement de l’étendue de la banquise, mais aussi de son épaisseur, sa dérive, son âge et plus généralement sa nature. Grace à des mesures permettant d’accéder au bilan de masse et à la dynamique des calottes et glaciers, il est devenu possible d’estimer la perte de masse du Groenland et son accélération au cours des décennies récentes.

L’observation de l’Arctique : de drames en surprises …

Plus difficiles s’avèrent pourtant l’observation et le suivi des mers polaires, qu’il s’agisse de l’océan Arctique ou de ses bassins et mers bordières adjacents. Le couvert de banquise, de manière permanente ou saisonnière, fait écran à l’observation depuis l’espace et y rend difficile l’accès pour les navires de recherche. La géographie des mers arctiques est ainsi longtemps restée incertaine. L’une des cartes les plus anciennes de l’Arctique proposée par Gerard Mercator au milieu du 16ème siècle, proposait une vue fantaisiste de l’Arctique, constitué de quatre terres jouxtant le pôle et séparées par des bras de mer tumultueux entourant une mer intérieure libre de glaces. Ce mythe d’une « Polar Open Sea », introduit par le marchand anglais Robert Thorne le Jeune dans sa recherche d’une route commerciale vers la Chine, perdurera jusqu’au 19ème siècle ; étayé au cours des siècles par diverses thèses « scientifiques », l’une d’elles prétendant que l’eau de mer ne pouvait geler (Samuel Engel, Lausanne, 1765), il fut repris par le cartographe allemand August Petermann : l’apport de chaleur par les courants marins, plus précisément le Gulf Stream et son extension vers le nord, devaient empêcher la formation de glace de mer en Arctique. La découverte de ce chenal est alors devenue un objectif premier dans la quête du pôle Nord et, peu de temps avant sa mort en 1878, Petermann, en s’appuyant sur les recherches de l'hydrographe Silas Bent, l’identifie au grand courant du Pacifique Nord passant au large du Japon, le Kuroshio.

 

 

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Les récits des explorateurs polaires témoignaient pourtant immanquablement d’une confrontation directe avec les glaces de l’océan Arctique et ils vont donc battre en brèche la théorie de l’« Open Sea ». L’épopée de la Jeannette, commandée par George Washington De Long, fut capitale dans cette remise en cause : entré par le détroit de Béring à l’été 1879 dans le but de suivre la route libre de glace du Pacifique, le navire est bloqué dans la banquise dès septembre par 71°N 176°E puis dérive pendant 21 mois avant d’être écrasé par les glaces en juin 1881 à l’est des îles de Nouvelle Sibérie. Si le sort de beaucoup des hommes de l’expédition fut malheureux, les débris de la Jeannette, retrouvés au sud-ouest de Groenland après une dérive de 3 ans, inspireront à l’explorateur et scientifique norvégien Fridtjof Nansen la thèse d’un courant de dérive transpolaire de la banquise arctique reliant les côtes sibériennes à l’Atlantique. La dérive du Fram, navire de conception révolutionnaire avec sa coque de forme arrondie pour permettre au navire de se soulever en présence de contraintes de pression exercées par la banquise, mènera Fridtjof Nansen et son équipage sur les traces de la dérive de la Jeannette entre 1893 et 1896. Les avancées scientifiques qui ont résulté de cette expédition ont posé les fondements d’une connaissance moderne de l’océan Arctique. Parmi un nombre impressionnant de résultats inédits, on peut citer la découverte d’un océan profond, à la surprise des marins qui n’avaient pas prévu de câbles suffisamment longs pour faire des prélèvements en profondeur (on sait maintenant que l’océan Arctique a une profondeur moyenne d’environ 4000 m). La découverte d’eaux relativement chaudes en subsurface, à des températures supérieures au point de congélation, confirmait les hypothèses de Petermann sur l’influence du Gulf Stream en Arctique, mais la réelle découverte fut que ces eaux ne pouvaient mettre en danger le couvert de glace en raison de la présence d’une couche de surface relativement douce dont la stabilité empêchait tout mélange avec les eaux sous-jacentes. De l’observation de la dérive du bateau, systématiquement déviée à droite du vent, naitra la fameuse théorie d’Ekman, fondant les principes de la circulation océanique induite par le vent. 

Notre vision actuelle de l’océan Arctique

Les avancées de la recherche au 20eme siècle et leur montée en puissance depuis la quatrième Année Polaire Internationale en 2007-2009, ont permis d’affiner ces premières descriptions et de mettre en évidence le rôle essentiel des échanges entre l’océan Arctique et les océans Pacifique (par le détroit de Béring) et Atlantique (par le détroit de Fram et les passages de l’Archipel Arctique Canadien) dans la régulation des équilibres climatiques. L’océan Arctique est notamment l'ultime destination des dizaines de Térawatts transportés vers le nord par le Gulf Stream au travers des mers Nordiques jusqu’au détroit de Fram. Bien que cette chaleur soit stockée en subsurface en Arctique, elle est susceptible, par des processus de mélange, de diffusion et de remontée des eaux, d’atteindre la surface et d’être ainsi disponible pour réchauffer l’atmosphère ou fondre la banquise.

Plus petit océan de la planète par son volume – il représente seulement 1,4 % des eaux océaniques mondiales – l'océan Arctique reçoit pourtant plus de 10 % du ruissellement des fleuves de la planète. Ces flux d’eau font de l’océan Arctique un gigantesque estuaire dans lequel l’entrée des eaux atlantiques est à peu près compensée en surface par un export permanent d’eau douce vers l’Atlantique Nord par les passages de l’Archipel Canadien et surtout le détroit de Fram [1]. Ces apports font de l’océan Arctique un gigantesque réservoir d’eau douce dont la majeure partie (plus de 100 000 km3 d’équivalent d’eau douce) est piégée au sein du grand anticyclone de la mer de Beaufort. Si, comme l’avait noté Nansen, la présence d’eau douce à la surface de l’océan Arctique contribue à construire, en association avec les eaux plus salées de l’Atlantique en subsurface, la stabilité des couches de surface, la variabilité naturelle et les bouleversements induits par le changement climatique pourrait mettre à mal ce bel équilibre.

La bathymétrie complexe de l’océan Arctique, avec quatre bassins profonds cernés de vastes plateaux continentaux du coté eurasien -plus de 50% de la superficie totale- exerce un fort contrôle sur l’organisation spatiale des courants : la pente continentale guide les flux d’eau entrant depuis le Pacifique et l’Atlantique dans un grand courant circumpolaire. Au cours de la dernière décennie, des mesures plus précises de la structure verticale de l’océan dans le courant d’eau Atlantique, réalisées à partir de bouées dérivant avec la glace et de mouillages ancrés sur le fond, ont permis de mettre en évidence des régions plus vulnérables où la signature de ces eaux chaudes se retrouve en surface, contribuant en hiver à réduire la formation de glace, voire à créer des zones libres de glace. La contribution de ces évènements au bilan net de la banquise arctique pourrait augmenter dans le futur, avec l’augmentation attendue de la température des eaux Atlantiques et la diminution de la stabilité des couches de surface, un phénomène baptisé du nom d’ « Atlantification » de l’Arctique. Il pourrait être amplifié par la diminution du couvert de glace qui ouvre la voie à une action directe du vent sur l’océan favorisant le mélange des eaux de surface avec les eaux Atlantiques.

 

 

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La formation des eaux de fond : une mécanique majeure pour le climat

Les flux d’eau échangés entre l’océan Arctique et l’océan Atlantique sont aussi un maillon essentiel de la circulation océanique mondiale. La composante dite de retournement (la MOC pour Meridional Overturning Circulation) de cette circulation est contrôlée par le refroidissement des eaux chaudes au contact de l’atmosphère lors de leur cheminement vers l’Arctique. Devenues plus denses ces eaux plongent alors vers le fond des bassins et viennent alimenter la branche profonde de la MOC. La majeure partie de ces transformations a lieu dans des régions bien délimitées en bordure de l’océan Arctique (mers du Groenland, du Labrador et d’Irminger), là où la banquise est moins omniprésente, permettant de vigoureux échanges de chaleur entre l’océan et l’atmosphère, mais aussi où la stabilité des eaux est moindre, et donc très sensible aux apports d’eau douce en surface. La Grande Anomalie de Salinité de la fin des années 1960, qui a résulté d’une augmentation de l’export de glace de mer depuis l’Arctique par le détroit de Fram et a conduit à l’arrêt de la formation d’eau dense en mer du Labrador, illustre l’extrême sensibilité de ces sites aux aléas en provenance de l’océan Arctique, notamment ceux contrôlés par la dynamique de son réservoir d’eau douce et de son couvert de glace. Cette dynamique est complexe. L’océan Arctique ne fonctionne pas comme un simple estuaire, sa circulation ainsi que ses échanges avec l’Atlantique sont aussi soumis aux effets du vent, dont la variabilité répond aux modes grande échelle de la variabilité atmosphérique comme l’Oscillation Nord Atlantique ou l’Oscillation Arctique. Tous ces mécanismes sont impliqués dans le stockage et la redistribution de l’eau douce en Arctique et son transport vers les régions névralgiques de l’Atlantique Nord.

L’impact de la variabilité des sites de convection arctiques sur l’intensité de la circulation de retournement globale reste cependant mal compris car les observations sont encore trop limitées pour évaluer la variabilité actuelle et passée de la MOC tandis que les modèles de climat globaux ont sans doute une physique encore trop rudimentaire pour représenter les processus de fine échelle impliqués dans la réponse océanique à cette variabilité. Dans les menaces qui pèsent sur la MOC, on cite souvent les apports d’eau douce résultant de la fonte du Groenland dont l’impact est d’ores et déjà visible sur la salinité des eaux côtières et pourrait bien se propager plus au large. Les modèles ont cependant des difficultés à quantifier un éventuel ralentissement de la MOC résultant de ces eaux de fonte, en partie parce qu’il est difficile à évaluer au regard de l’importante variabilité interne de cette circulation.

 

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Vers des bouleversements globaux

L’Arctique et de toute évidence en pleine mutation physique : à l’ouest, dans l’anticyclone de Beaufort, le réservoir d’eau douce et les températures de subsurface ont doublé en 30 ans. En parallèle, à l’est, la veine d’eau Atlantique s’est réchauffée et exerce une influence grandissante sur les couches de surface de l’océan et la banquise. L’étendue de la banquise estivale continue de diminuer et celle-ci laissera place à un océan libre de glace en fin d’été dans les toutes prochaines décennies, ouvrant des perspectives de routes maritimes jamais envisagées auparavant. La banquise hivernale s’amincit, devient de plus en plus mobile et plus jeune, autorisant des échanges directs d’énergie, entre l’océan et l’atmosphère, avec des impacts possibles sur le puits océanique de carbone. A ces bouleversements s’ajoutent les effets multiples sur les écosystèmes marins et la biodiversité. Si toutes ces tendances nous font prendre conscience de l’urgence à anticiper, il faut en préalable comprendre et quantifier les changements pour évaluer notamment leurs temps d’émergence, les rétroactions entre les différentes composantes du système climatique et les éventuels points de basculement. Seul un effort soutenu d’observation développant des moyens nouveaux, s’appuyant notamment sur des plateformes autonomes et des technologies spécialement adaptées aux milieux extrêmes, pour une surveillance continue et de grande ampleur de cet environnement à la fois rude et ultra-sensible, pourra permettre de relever ces défis. La coopération européenne et internationale qui se met en place actuellement pour faire émerger un futur « Integrated Arctic Observing System » pérenne, va dans ce sens. La dynamique impulsée par la Décennie des Nations Unies pour les Sciences Océaniques, dans laquelle les océans polaires sont pleinement associés, doit de son côté œuvrer pour que cette connaissance soit au service du bien-être de la société.

[1] L’océan Arctique ouvre aussi sur le Pacifique via le détroit de Béring qui fournit une partie de l’eau douce exportée vers l’Atlantique Nord

 

 

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L'auteure : Marie-Noëlle Houssais, directrice de recherche au CNRS, laboratoire LOCEAN, Sorbonne Université, MNHN, CNRS, IRD

Alliance Sorbonne Université : l'Institut de l'Océan

Mille cinq cents enseignants, chercheurs, ingénieurs, techniciens mènent des travaux sur les océans au sein de l’Alliance Sorbonne Université dans près de trente laboratoires. C’est la plus grande université de recherche marine d’Europe.

Les travaux et les enseignements qui y sont réalisés relèvent de disciplines très variées, notamment la physique, la climatologie, la chimie, la géologie, la biologie, l’écologie, la géographie, l’histoire, l’archéologie, la paléontologie, la sociologie, la géopolitique…

Créé il y a un an, l’Institut de l'Océan a pour objectif de rapprocher ces équipes sur des projets océaniques interdisciplinaires, dégager une vision transverse et globale sur des problématiques maritimes, transmettre ces connaissances et faire valoir l’excellence et l’expertise maritime de l’Alliance Sorbonne Université.  

L’institut de l'Océan est donc interdisciplinaire. Il s’applique à créer des synergies entre les équipes de recherche, à enrichir l’offre d'enseignement universitaire mais aussi de formation tout au long de la vie, à développer l’expertise mais aussi la science participative, et à consolider l’exploitation des grands outils scientifiques. Il a enfin pour mission de développer des liens de recherche et d’innovation entre Sorbonne Université et le monde maritime, ses acteurs institutionnels et économiques.

Les composantes de l’Alliance les plus impliquées dans la création de l’Institut de l'Océan sont Sorbonne Université et le Muséum National d’Histoire Naturelle. Elles disposent de cinq stations maritimes à Dinard, Roscoff et Concarneau en Bretagne, Banyuls et Villefranche-sur-Mer sur les côtes méditerranéennes. L’École Navale et la Marine nationale ont été associées à la création de l’Institut.

- Plus d’informations sur le site de l’Institut de l’Océan

 

 

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