Historiquement, l'océan a été difficile à modéliser. Les scientifiques ont eu du mal au cours des années passées pour simuler les courants océaniques ou prédire avec précision les fluctuations de température, de salinité et d'autres propriétés. En conséquence, les modèles de dynamique des océans ont rapidement divergé de la réalité, ce qui signifiait qu'ils ne pouvaient fournir des informations utiles que pendant de brèves périodes.
En 1999, un projet appelé estimation de la circulation et du climat de l'océan (ECCO) a changé tout cela. En appliquant les lois de la physique aux données de plusieurs satellites et des milliers de capteurs flottants, les scientifiques de la NASA et leurs collaborateurs ont construit l'ECCO comme un modèle océanique réaliste, détaillé et continu qui s'étend sur des décennies. L'ECCO a permis des milliers de découvertes scientifiques et a été présentée lors de l'annonce du prix Nobel de physique en 2021.
La NASA ECCO est un puissant intégrateur de décennies de données sur l'océan, racontant l'histoire de l'océan en mutation de la Terre lorsqu'il entraîne notre temps et soutient la vie marine.
Le projet ECCO comprend des centaines de millions de mesures du monde réel de la température, de la salinité, de la concentration de glace de mer, de la pression, de la hauteur de l'eau et du débit dans les océans du monde. Les chercheurs comptent sur la production du modèle pour étudier la dynamique des océans et pour garder un œil sur les conditions cruciales pour les écosystèmes et les conditions météorologiques. L'effort de modélisation est soutenu par les programmes de sciences de la Terre de la NASA et par le Consortium ECCO international, qui comprend des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA dans le sud de la Californie et huit institutions de recherche et universités.
Le projet fournit des modèles qui sont la meilleure reconstruction possible des 30 dernières années de l'océan mondial. Il nous permet de comprendre les processus physiques de l'océan à des échelles qui ne sont normalement pas observables.
ECCO et les courants de la limite ouest
Les modèles de vent à grande échelle dans le monde entier entraînent des eaux de surface de l'océan avec eux, créant des courants complexes, y compris certains qui coulent vers les côtés ouest des bassins océaniques. Les courants étreignent les côtes orientales des continents alors qu'ils se dirigent vers le nord ou le sud de l'équateur: ce sont les courants de la limite ouest. Les trois les plus proéminents sont le Gulf Stream, Agulhas et Kuroshio.
Les gens de mer ont connu le Gulf Stream – le courant de la limite ouest de l'océan Atlantique – pendant plus de 500 ans. Par le volume d'eau qu'il bouge, le Gulf Stream est le plus grand des courants de la limite ouest, transportant plus d'eau que toutes les rivières de la planète combinées.
En 1785, Benjamin Franklin l'a ajouté aux charts maritimes montrant le courant qui coule du golfe, le long de la côte orientale américaine, et à travers l'Atlantique Nord. Franklin a noté que la conduite du courant pourrait améliorer le temps de trajet d'un navire des Amériques vers l'Europe, tout en évitant le courant pourrait raccourcir les temps de déplacement en revenant.
Les graphiques de Franklin ont montré un flux de golfe lisse plutôt que le chemin tourbillonnant et tourbillonnant révélé dans les données ECCO. Et Franklin n'aurait pas pu imaginer l'écoulement opposé de l'eau sous le Gulf Stream. Le contre-courant coule à des profondeurs d'environ 2 000 pieds (600 mètres) dans une rivière froide d'eau qui est à peu près l'opposé du golfe chaud à la surface. Le contre-courant sous-marin est clairement visible lorsque les couches supérieures du modèle ECCO sont décollées dans des visualisations.
Le Gulf Stream fait partie de la circulation de renversement méridional de l'Atlantique (AMOC), qui modère le climat dans le monde en transportant des eaux de surface chaudes vers le nord et des courants sous-marins frais du sud. Le Gulf Stream, en particulier, stabilise les températures du sud-est des États-Unis, gardant la région plus chaude en hiver et plus froide en été qu'elle ne le serait sans le courant. Après que le Gulf Stream ait traversé l'Atlantique, il tourne également les climats de l'Angleterre et de la côte européenne.
Le courant Agulhas coule vers le sud le long du côté ouest de l'océan Indien. Lorsqu'il atteint la pointe sud de l'Afrique, il jette des tourbillons tourbillonnants d'eau appelés anneaux Agulhas. Persistant parfois pendant des années, les anneaux glissent à travers l'Atlantique vers l'Amérique du Sud, transportant de petits poissons, des larves et d'autres micro-organismes de l'océan Indien.
Les chercheurs utilisant le modèle ECCO peuvent étudier le flux de courant d'Agulhas car il envoie de l'eau chaude et salée des tropiques de l'océan Indien vers la pointe de l'Afrique du Sud. Le modèle aide à démêler la dynamique compliquée qui créent les anneaux Agulhas et une grande boucle de courant appelé Supergyre qui entoure l'Antarctique. L'hémisphère Superyre Supergyre relie les parties sud des autres boucles de courant plus petites (Gyres) qui circulent dans l'océan Atlantique, Pacifique et Indien sud. Avec Gyres dans l'Atlantique Nord et le Pacifique, les Gyres du Sud et l'hémisphère sud influencent le climat tout en transportant du carbone dans le monde entier.
En plus d'affecter les modèles météorologiques et les températures mondiaux, les courants de limite ouest peuvent entraîner des flux verticaux dans les océans appelés hauts. Les flux font monter les nutriments des profondeurs à la surface, où ils agissent comme des engrais pour le phytoplancton, les algues et les plantes aquatiques.
Le courant de Kuroshio qui se déroule du côté ouest de l'océan Pacifique et le long du côté est du Japon a récemment été associé à des hausses qui enrichissent les eaux de pêche côtière. Les mécanismes spécifiques qui provoquent les flux verticaux ne sont pas entièrement clairs. Les scientifiques des océans se tournent maintenant vers l'ECCO pour démêler le lien entre le transport des nutriments et les courants comme le Kuroshio qui pourraient être révélés dans les études de la température de l'eau, de la densité, de la pression et d'autres facteurs inclus dans le modèle ECCO.
Suivi des températures de l'océan et de la salinité
Lorsqu'elles sont vues à travers l'objectif des données de température de l'ECCO, les courants de limite ouest éloignent l'eau chaude des tropiques et vers les pôles. Dans le cas du Gulf Stream, alors que le courant se déplace vers des latitudes loin du nord, une partie de l'eau salée se fige dans la glace de mer sans sel. L'eau plus salée a laissé des évolutions, puis coule vers le sud jusqu'en Antarctique avant de se lever et de se réchauffer dans d'autres bassins océaniques.
Les courants déplacent également les nutriments et le sel dans les bassins océaniques de la Terre. Les vortex tourbillonnants des anneaux Agulhas se distinguent dans la température ECCO et les cartes de salinité alors qu'ils bougent de l'eau chaude et salée de l'océan Indien dans l'Atlantique.
Expérimenter l'ECCO
L'ECCO offre aux chercheurs un moyen d'exécuter des expériences virtuelles qui seraient peu pratiques ou trop coûteuses pour effectuer des océans réels. Certaines des applications les plus importantes du modèle ECCO sont en écologie océanique, en biologie et en chimie. Parce que le modèle montre d'où vient l'eau et d'où elle va, les chercheurs peuvent voir comment les courants transportent la chaleur, les minéraux, les nutriments et les organismes autour de la planète.
Au cours des décennies précédentes, par exemple, les scientifiques des océans se sont appuyés sur des mesures étendues de température et de salinité par des capteurs flottants pour déduire que le Gulf Stream est principalement composé d'eau dépassant le Golfe plutôt que par elle. Les études prenaient du temps et coûteuses. Avec le modèle ECCO, les visualiseurs de données du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, ont pratiquement reproduit la recherche dans une simulation qui était beaucoup plus rapide et moins chère.
L'exemple illustré ici repose sur l'ECCO pour suivre l'écoulement de l'eau en remplissant pratiquement le Golfe de 115 000 particules et en les laissant bouger pendant un an dans le modèle. La démonstration a montré que moins de 1% des particules s'échappent du golfe pour rejoindre le Gulf Stream.
La gestion de ces expériences de suivi des particules dans les modèles de circulation océanique aide les scientifiques à comprendre comment et où les contaminants environnementaux, tels que les déversements de pétrole, peuvent se propager.
Prendre une plongée en profondeur ECCO
Aujourd'hui, les chercheurs se tournent vers l'ECCO pour un large éventail d'études. Ils peuvent choisir des produits de modélisation ECCO qui se concentrent sur une caractéristique – comme les flux mondiaux ou la biologie et la chimie de l'océan – ou ils peuvent réduire la vue aux pôles ou aux régions océaniques spécifiques.
Chaque année, plus d'une centaine d'articles scientifiques comprennent des données et des analyses du modèle ECCO qui se plongent dans les propriétés et la dynamique de nos océans.
