Un treuil spécial à grande vitesse que les chercheurs ont utilisé pour monter et descendre rapidement les instruments afin de suivre les mouvements du colorant sous l'eau. Crédit : San Nguyen
Jusqu’à présent, aucune circulation océanique à grande échelle impliquant des eaux profondes remontant à la surface n’avait jamais été directement observée.
Pour la première fois, des chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego ont dirigé une équipe internationale pour mesurer directement la remontée d'eau froide et profonde par mélange turbulent le long de la pente d'un canyon sous-marin dans l'océan Atlantique.
Le rythme de remontée des eaux observé par les chercheurs était plus de 10 000 fois supérieur au taux moyen mondial prédit par le regretté océanographe de renom Walter Munk dans les années 1960.
Les résultats apparaissent dans une nouvelle étude dirigée par Bethan Wynne-Cattanach, chercheuse postdoctorale à Scripps, et publiée dans la revue Nature. Ces résultats commencent à éclaircir un mystère complexe de l'océanographie et pourraient éventuellement aider à améliorer la capacité de l'humanité à prévoir le changement climatique. La recherche a été financée par des subventions du Natural Environment Research Council et de la National Science Foundation.
Ce baril est rempli de colorant fluorescent non toxique, que les chercheurs ont libéré juste au-dessus du fond marin pour répondre à une question de longue date en océanographie. Crédit : San Nguyen
Le monde tel que nous le connaissons est le résultat d'une circulation océanique à grande échelle, souvent appelée circulation en bande transporteuse, dans laquelle l'eau de mer devient froide et dense près des pôles, s'enfonce dans les profondeurs et finit par remonter à la surface où elle se réchauffe, recommençant ainsi le cycle. Ces schémas généraux maintiennent un renouvellement de chaleur, de nutriments et de carbone qui sous-tend le climat mondial, les écosystèmes marins et la capacité de l'océan à atténuer le changement climatique d'origine humaine.
Malgré l'importance de la circulation méridionale, une de ses composantes, connue sous le nom de circulation méridionale de retournement (CMR), s'est avérée difficile à observer. En particulier, le retour de l'eau froide des profondeurs océaniques vers la surface par remontée d'eau a été théorisé et déduit, mais jamais mesuré directement.
Les théories de Munk et les avancées récentes
En 1966, Munk a calculé le rythme moyen de remontée d’eau à l’échelle mondiale en se basant sur la vitesse à laquelle les eaux froides et profondes se formaient près de l’Antarctique. Il a estimé la vitesse de remontée d’eau à un centimètre par jour. Le volume d’eau transporté par ce rythme de remontée serait énorme, a déclaré Matthew Alford, professeur d’océanographie physique à Scripps et auteur principal de l’étude, « mais réparti sur l’ensemble de l’océan mondial, ce flux est trop lent pour être mesuré directement ».
Munk a proposé que cette remontée d'eau se produise via un mélange turbulent provoqué par la rupture des vagues internes sous la surface de l'océan. Il y a environ 25 ans, les mesures ont commencé à révéler que les turbulences sous-marines étaient plus élevées près du fond marin, mais cela a présenté un paradoxe aux océanographes, a déclaré Alford.
Bethan Wynne-Cattanach et Matthew Alford observent les opérations à bord du navire de recherche pendant l'expérience. Crédit : San Nguyen
Si la turbulence est plus forte près du fond, là où l’eau est la plus froide, alors une partie donnée de l’eau subirait un mélange plus fort en dessous, là où l’eau est plus froide. Cela aurait pour effet de rendre les eaux du fond encore plus froides et plus denses, poussant l’eau vers le bas au lieu de la soulever vers la surface. Cette prédiction théorique, confirmée depuis par des mesures, semble contredire le fait observé selon lequel les profondeurs océaniques ne se sont pas simplement remplies d’eau froide et dense formée aux pôles.
Nouvelle théorie et observations directes
En 2016, des chercheurs, dont Raffaele Ferrari, océanographe au Massachusetts Institute of Technology et co-auteur de la présente étude, ont proposé une nouvelle théorie susceptible de résoudre ce paradoxe. L’idée était que les pentes abruptes du fond marin, dans des endroits comme les parois des canyons sous-marins, pourraient produire le type de turbulence approprié pour provoquer une remontée d’eau.
Wynne-Cattanach, Alford et leurs collaborateurs ont cherché à voir s’ils pouvaient observer directement ce phénomène en menant une expérience en mer à l’aide d’un baril de colorant vert fluorescent non toxique appelé fluorescéine. À partir de 2021, les chercheurs ont visité un canyon sous-marin d’environ 2 000 mètres de profondeur dans le Rockall Trough, à environ 370 kilomètres au nord-ouest de l’Irlande.
« Nous avons choisi ce canyon parmi les quelque 9 500 que nous connaissons dans les océans parce que cet endroit est assez banal pour un canyon sous-marin », a déclaré Alford. « L’idée était qu’il soit aussi typique que possible pour que nos résultats soient plus généralisables. »
Flottant au-dessus du canyon sous-marin à bord d'un navire de recherche, l'équipe a abaissé un tambour de 55 gallons de fluorescéine à 10 mètres (32,8 pieds) au-dessus du fond marin, puis a déclenché à distance la libération du colorant.
L'équipe a ensuite suivi le colorant pendant deux jours et demi jusqu'à sa dissipation à l'aide de plusieurs instruments adaptés en interne à Scripps pour les exigences de l'expérience. Les chercheurs ont pu suivre le mouvement du colorant à haute résolution en déplaçant lentement le navire de haut en bas de la pente du canyon. Les mesures clés ont été effectuées à l'aide d'appareils appelés fluoromètres, capables de détecter la présence de quantités infimes de colorant fluorescent – jusqu'à moins d'une partie par milliard – mais d'autres instruments ont également mesuré les changements de température et de turbulence de l'eau.
Implications et recherches futures
Le suivi des mouvements du colorant a révélé une remontée d'eau provoquée par des turbulences le long de la pente du canyon, confirmant pour la première fois la résolution du paradoxe proposée par Ferrari avec des observations directes. Non seulement l’équipe a mesuré la remontée d’eau le long de la pente du canyon, mais elle a également été beaucoup plus rapide que ne le prédisaient les calculs de Munk de 1966.
Là où Munk a déduit une moyenne mondiale d'un centimètre par jour, les mesures effectuées à Rockall Trough ont révélé une remontée d'eau de 100 mètres par jour. De plus, l'équipe a observé une certaine migration du colorant depuis la pente du canyon vers l'intérieur, ce qui suggère que la physique de la remontée d'eau turbulente était plus complexe que ce que Ferrari avait initialement théorisé.
« Nous avons observé des remontées d'eau qui n'avaient jamais été mesurées directement auparavant », a déclaré Wynne-Cattanach. « Le taux de cette remontée d'eau est également très rapide, ce qui, associé aux mesures de descente ailleurs dans les océans, suggère qu'il existe des points chauds de remontée d'eau. »
Alford a qualifié les résultats de l’étude de « appel aux armes pour que la communauté de l’océanographie physique comprenne mieux les turbulences océaniques ».
Wynne-Cattanach a déclaré que c'était un immense honneur pour elle, en tant qu'étudiante diplômée, de diriger un projet qui représente l'aboutissement de décennies de travail de scientifiques du domaine avec des chercheurs aussi éminents que collaborateurs. Sur la base des résultats préliminaires de l'équipe, Wynne-Cattanach est devenue le premier étudiant à être invité à prendre la parole lors de la prestigieuse Gordon Research Conference on Ocean Mixing en 2022.
La prochaine étape consistera à tester s’il existe une remontée d’eau similaire dans d’autres canyons sous-marins à travers le monde. Compte tenu des caractéristiques banales du canyon, Alford a déclaré qu'il semblait raisonnable de s'attendre à ce que le phénomène soit relativement courant.
Si les résultats se confirment ailleurs, a déclaré Alford, les simulations climatiques mondiales devront commencer à prendre en compte explicitement ce type de remontée d’eau provoquée par les turbulences au niveau des caractéristiques topographiques des fonds océaniques. « Ce travail est la première étape pour ajouter à nos modèles climatiques les éléments manquants de la physique océanique qui, à terme, amélioreront la capacité de ces modèles à prédire le changement climatique », a-t-il déclaré.
Selon Alford, la voie à suivre pour améliorer la compréhension scientifique de la turbulence océanique est double. Premièrement, « nous devons réaliser davantage d’expériences de haute technologie et à haute résolution comme celle-ci dans des zones clés de l’océan pour mieux comprendre les processus physiques ». Deuxièmement, a-t-il déclaré, « nous devons mesurer les turbulences dans autant d’endroits différents que possible avec des instruments autonomes comme les flotteurs Argo ».
Les chercheurs sont déjà en train de mener une expérience similaire de libération de colorant au large des côtes du campus Scripps, dans le canyon sous-marin de La Jolla.
