Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications alerte sur le risque de voir un refroidissement important dans l’Atlantique Nord. Pour la première fois, des chercheurs se sont focalisés sur les conséquences d’une réduction brutale de la convection océanique dans une région clé, la Mer du Labrador. Leur conclusion : même sans un effondrement de la circulation thermohaline dans son ensemble, l’Atlantique Nord pourrait connaître un sérieux coup de froid.

Une équipe d’océanographes du laboratoire Environnements et paléoenvironnements océaniques et continentaux (CNRS/Université de Bordeaux) et de l’Université de Southampton vient d’évaluer pour la première fois le risque d’un refroidissement rapide dans l’Atlantique du Nord en relation avec un effondrement de la convection océanique dans la Mer du Labrador. Leurs résultats sont publiés dans Nature Communications.

La Mer du Labrador, au sud-ouest du Groenland, est une des régions de convection de l’Atlantique Nord où la formation d’eau profonde alimente un système de courants à grande échelle, la circulation océanique méridienne de retournement Atlantique, autrement connue comme AMOC ou circulation thermohaline. Avec l’AMOC, les courants océaniques en surface apportent les eaux subtropicales chaudes vers l’Atlantique Nord où, leur refroidissement les fait plonger en profondeur dans les régions de convection. Ils  retournent ainsi vers sud.  Ce système est donc responsable d’un transport de chaleur nette vers l’Atlantique du Nord.

Représentation schématique de la circulation dans la mer du Labrador, au cœur du gyre subpolaire schématisé par le contour rouge. Crédit : Giovanni Sgubin – EPOC.

A plusieurs reprises, depuis la fin de la dernière glaciation, il y a 20 000 ans, l’AMOC s’est déjà effondrée de façon brutale – en l’espace d’une décade ! – ramenant le climat à des conditions glaciaires en Europe. Dans les conditions climatiques actuelles, on estime qu’une interruption brutale de l’AMOC produirait une baisse de 5°C de la température dans l’Atlantique du Nord.

Le rapport du GIEC, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, estime qu’il y a de fortes chances pour que l’AMOC ralentisse au cours du XXIe siècle, mais cela serait très progressif. Un arrêt complet, qui entraînerait une chute rapide de la température de l’Atlantique du Nord, n’aurait que de très faibles chances de se produire au cours du siècle.

Les auteurs de l’article publiés dans Nature Communications ont réexaminé une quarantaine de modèles climatiques de dernière génération (CMIP5) en se concentrant sur la possibilité d’une interruption de la convection dans la Mer du Labrador. « Un arrêt de la convection océanique dans la Mer du Labrador n’aurait pas les mêmes effets catastrophiques qu’une interruption de la circulation thermohaline, mais cela peut avoir un impact important sur les évolutions des températures en Europe de l’ouest et dans l’est de l’Amérique », précise d’abord Giovanni Sgubin, l’auteur principal de l’étude.

« La convection dans la mer du Labrador alimente l’AMOC, mais elle contribue seulement de façon partielle au flux total de l’AMOC », continue Giovanni Sgubin. « Donc, si une interruption de la convection dans le Labrador se déclenche, l’AMOC ne va pas forcement s’interrompre ». Cela a incité les chercheurs à évaluer la possibilité d’un refroidissement dans l’Atlantique du Nord en raison de changements locaux dans la Mer du Labrador plutôt que en raison de changements à grande échelle de l’AMOC.

Circulation océanique thermohaline montrant la remontée d’eau chaude (en rouge) vers les hautes latitudes et le plongeon des eaux froides et salées (en bleu) qui reviennent vers le sud pour former une boucle (source : Wikipedia)

Normalement, avec la convection, une masse d’eau froide et dense s’enfonce dans l’océan grâce à un mélange entre eaux superficielles et eaux des profondeurs, qui provoque un flux de chaleur nette vers l’atmosphère. Il y a deux ingrédients nécessaires pour déclencher la convection dans le Labrador : des températures de l’atmosphère très froides (en hiver), et une stratification faible. La stratification mesure les variations verticales de la densité de l’eau. Si une couche plus profonde est plus dense que la couche juste au-dessus, il a une condition de stratification stable qui entrave le mouvement entre les deux couches et l’échange de chaleur vertical. Le changement climatique pourrait conduire à des conditions de stratification trop élevées dans la mer du Labrador pour pouvoir activer le mélange entre eaux superficielles et eaux des profondeurs en hiver et donc le phénomène de convection.

Parmi le 40 modèles climatiques étudiés, 17,5% projettent un arrêt complet de la convection dans cette région, avec comme résultat un refroidissement abrupt  (2 ou 3 degrés en moins de dix ans) de la mer du Labrador et de fortes baisses des températures dans les régions côtières de l’Atlantique Nord. Ce refroidissement lié à l’interruption de la convection est donc principalement le résultat d’une diminution drastique des échanges de chaleur entre les couches profondes de l’océan et l’atmosphère dans la région du Labrador.

Ce résultat pourrait apparaître de prime abord comme plutôt rassurant, vu que la plupart des modèles ne reproduisent pas un tel événement abrupt. Mais les chercheurs ont noté que tous les modèles ne sont pas capables de reproduire de façon réaliste la stratification dans la mer du Labrador, une variable clé pour la reproduction correcte des mécanismes de convection. Pour cette raison, ils se sont penchés sur les 11 modèles les plus capables de simuler la stratification observée. Parmi ces modèles, 45,5% montrent un effondrement des processus de mélange vertical profond dans la Mer du Labrador au cours du XXI siècle. Des processus qui se produisent normalement en hiver. En tenant compte de la fiabilité des modèles, le risque d’un refroidissement brusque en mer du Labrador apparaît donc bien plus élevé que ce qui prévu dans l’ensemble CMIP5.

Toutes les simulations reproduisant une interruption de la convection dans le Labrador, montrent qu’une diminution de salinité est le processus dominant dans le déclenchement de cet événement. Cela cause une augmentation de la stratification et l’interruption de la convection. En raison du réchauffement climatique, certains scientifiques craignent que la fonte des glaces du Groenland rejette suffisamment d’eau douce dans l’Atlantique Nord pour bouleverser la circulation océanique. Mais ce mécanisme n’a pas été pris en compte dans l’étude parue dans Nature Communications.  Dans les modèles étudiés par Giovanni Sgubin et ses coauteurs, la diminution de la salinité dans la mer du Labrador est liée à deux phénomènes favorisés par le réchauffement climatique global : l’accélération du cycle hydrologique avec une augmentation des précipitations dans la Mer du Labrador et une changement de circulation océanique, dont une ralentissement du gyre subpolaire, c’est-à-dire de la circulation cyclonique horizontale caractérisant la Mer du Labrador.

Exemple d’un refroidissement rapide dans le gyre prédit par l’une des projections climatiques.
A gauche : évolution temporelle de la température de surface de la mer.
A droite : écarte entre la température de l’air à la surface de la mer, entre le début et la fin du XXIe siècle. Crédit : Giovanni Sgubin – EPOC.

Les modèles climatiques, en fait, ne simulent pas l’afflux d’eau douce issue des calottes et des glaciers. L’apport d’eau douce dans l’océan dû à la fonte des glaces du Groenland n’a donc pas pu être considéré. Mais les auteurs de l’étude ne sous-estiment pas son influence. « Vu que la diminution de salinité semble être une composante clé pour produire une interruption de la convection dans les modèles, l’apport d’eau douce du Groenland peut être une élément de plus augmentant la probabilité que cet événement abrupt se produise », précise Giovanni Sgubin.  L’un des défis de la prochaine génération de modèles climatiques est de tenir compte de ce processus. La fonte du Groenland risque donc de renforcer la conclusion de l’étude : la possible interruption de la convection dans la Mer du Labrador. Résultat, le refroidissement dans l’Atlantique Nord serait plus probable que ne le suggèrent les modèles climatiques.

Les observations récentes du climat montrent que quelque chose d’étrange se passe déjà dans l’ l’Atlantique Nord. La région subpolaire au sud de la Groenland, y compris la Mer du Labrador, est quasiment la seule du monde à ne pas s’être réchauffée depuis le début du XX siècle. On parle du soi-disant « cold blob », caractérisant une région circonscrite de l’Atlantique Nord en contre-courant avec la tendance à l’augmentation des températures observée au niveau global.

Anomalies de températures en hiver 2013 et 2016 (par rapport à la période 1900-1950) : on voit une zone froide au sud du Groenland. Source : NASA GISS.

Ce contraste serait l’une des manifestations de l’affaiblissement de l’AMOC, selon une étude parue fin mars 2015 (Nature Climate Change), signé par des chercheurs emmenés par Stefan Rahmstorf, du Potsdam Institute for Climate Research. Les scientifiques estimaient alors que le réchauffement climatique global dû aux émissions humaines de gaz à effet de serre avait déjà commencé à ralentir sérieusement la circulation thermohaline, de façon plus prononcée que dans les modèles climatiques. Cela serait la cause principale de l’apparition, dans les observations climatiques, d’un « cold blob » dans l’Atlantique du Nord. Or, compte tenu des résultats publiés dans Nature Communications par Sgubin et al., ce phénomène pourrait avoir une interprétation alternative : l’effet d’un changement de la convection dans la Mer du Labrador pourrait être aussi responsable d’un refroidissement local dans l’Atlantique du Nord.

Référence : Abrupt cooling over the North Atlantic in modern climate models, Giovanni Sgubin, Didier Swingedouw, Sybren Drijfhout, Yannick Mary & Amine Bennabi. Nature Communications, 15 février 2017. DOI: 10.1038/ncomms14375.