Une étude publiée dans Changement climatique par une équipe internationale de scientifiques du Centre IBS pour la physique du climat (ICCP) de l'Université nationale de Pusan en Corée du Sud, présente de nouvelles preuves que la turbulence océanique et un processus connu sous le nom de « brassage horizontal » augmenteront considérablement dans les océans Arctique et Austral en raison du réchauffement climatique induit par l'homme et de la diminution de la couverture de glace marine.
L'agitation fonctionne en étirant un fluide en fines traînées, ce qui finit par contribuer à créer des turbulences, contribuant ainsi au mélange des propriétés de l'eau. Dans l’océan, un processus similaire de brassage de l’eau de mer se produit en raison de l’action des vents et d’autres sources d’énergie. Lorsque cela se produit horizontalement sur des échelles de dizaines à centaines de kilomètres, on parle d’agitation horizontale à méso-échelle (MHS).
Le MHS transporte et redistribue la chaleur et les nutriments, déterminant ainsi la répartition du plancton dans la couche supérieure de l'océan. De plus, l’étirement, la rotation et la séparation spatiale des parcelles de fluides proches au fil du temps contrôlent également la dispersion des œufs et des larves de poissons, mais aussi des polluants, tels que les microplastiques.
En raison de l’éloignement des régions polaires, il reste difficile d’étudier l’impact du réchauffement climatique sur les courants océaniques à petite échelle et les écosystèmes marins à l’aide d’observations embarquées et de données satellitaires.
Au lieu de cela, les climatologues se sont largement appuyés sur des modèles informatiques climatiques. Cependant, la génération actuelle de tels modèles ne dispose pas de la résolution spatiale nécessaire pour résoudre les processus océaniques à petite échelle pertinents pour le MHS et la production de turbulences et de mélanges horizontaux.
Pour surmonter cette lacune, l'équipe de recherche sud-coréenne a analysé les résultats de simulations à ultra-haute résolution réalisées avec le modèle communautaire du système terrestre version 1.2.2 (CESM-UHR), sur le supercalculateur Aleph de l'Institut des sciences fondamentales de Daejeon. Ce modèle entièrement couplé intègre les composants de l'atmosphère, de la glace de mer et de l'océan pour représenter de manière réaliste leurs interactions au sein du système climatique, en utilisant une résolution horizontale de 0,25° pour l'atmosphère et de 0,1° pour l'océan.
L'équipe s'est concentrée sur les simulations sous les conditions actuelles (PD), CO2 doublement (2 x CO2), et quadruplé (4 x CO2) conditions pour étudier comment le MHS réagit au réchauffement induit par l'homme.
Pour caractériser l'étirement des fluides en structures allongées ressemblant à des filaments, l'équipe de recherche a utilisé une technique connue sous le nom d'exposants de Lyapunov de taille finie (FSLE), qui suit la rapidité avec laquelle les parcelles de fluide voisines se séparent au fil du temps en raison des tourbillons océaniques à méso-échelle (courants tourbillonnants avec des échelles de dizaines à centaines de kilomètres), des écoulements sinueux et des fronts océaniques.
Utilisant des données quotidiennes issues de 10 années de simulation, les calculs FSLE exigeants en termes de calcul montrent une future intensification prononcée du MHS dans l’océan Arctique et le long de la région côtière de l’Antarctique, qui peut être attribuée principalement au déclin spectaculaire de la glace de mer dans un monde qui se réchauffe. Les chercheurs ont découvert que les mécanismes liant la perte de glace de mer à l’amélioration du MHS différaient entre les deux régions.
Dans l’océan Arctique, la disparition de la glace marine augmente l’apport d’énergie mécanique dans l’océan. Non interrompu par la glace de mer, un vent forçant dans le sens des aiguilles d’une montre peut renforcer à la fois le flux océanique moyen et favoriser la génération de tourbillons océaniques supérieurs, conduisant finalement à une intensification du MHS et des turbulences.
En revanche, dans la région côtière de l’Antarctique, le futur renforcement prévu du MHS autour de l’Antarctique résulte du rafraîchissement près des côtes dû au déclin de la glace de mer, qui renforce le gradient de densité nord-sud. Ceci, à son tour, renforce les courants océaniques moyens, tels que le courant de pente antarctique, renforçant l’activité turbulente et le MHS.
Étant donné qu’une telle intensification du MHS devrait induire des changements majeurs dans les écosystèmes océaniques ainsi que dans la dispersion des polluants marins, des recherches supplémentaires sont nécessaires de toute urgence.
« Le contraste entre l'océan Arctique, qui est entouré par les continents environnants, et l'océan Austral, où le continent est encerclé par l'océan, crée des conditions physiques différentes pour le brassage des océans. Mais le résultat du brassage des océans sous l'effet du réchauffement est assez similaire », a déclaré l'auteur principal Yi Gyuseok, doctorant à l'ICCP et à l'Université nationale de Pusan.
« Le brassage horizontal est un facteur crucial pour le transport des larves de poissons à travers l'océan. Pour des valeurs modérées, ce processus relie géographiquement les populations et les habitats, augmentant ainsi leur échange génétique. Cependant, pour augmenter le brassage à l'avenir, les larves peuvent être transportées dans des zones inappropriées où elles risquent de ne pas survivre », remarque le professeur Lee June-Yi de l'ICCP et co-auteur de l'étude.
Comprendre les implications écologiques des principales découvertes de l'auteur nécessite des expériences supplémentaires de modélisation du système terrestre à haute résolution spatiale, notamment des modèles informatiques du plancton et des poissons.
« Actuellement, au Centre IBS pour la physique du climat en Corée du Sud, nous développons une nouvelle génération de modèles du système terrestre qui intègrent mieux les interactions entre le climat et la vie. Cela permettra d'approfondir notre compréhension de la façon dont les écosystèmes polaires réagissent au réchauffement climatique », a déclaré le professeur Axel Timmermann, co-auteur de l'étude et directeur de l'ICCP.
