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Pourquoi les eaux de surface se sont-elles refroidies dans l’océan Austral ?

Entre 1982 et 2011, une tendance au refroidissement a été observée dans les eaux de surface de certaines portions de l’océan Austral, autour du continent antarctique. Ce refroidissement a été le plus fort dans le secteur Pacifique de l’océan Austral, où la surface de l’océan s’est refroidie d’environ 0,1°C par décennie. Ce refroidissement semble surprenant, car la plupart des modèles climatiques suggèrent que cette région aurait également dû se réchauffer. Une nouvelle étude se penche sur les mécanismes en cause.

Les climatologues n’ont pas encore fourni des explications décisives sur les raisons pour lesquelles certaines parties de la surface de l’océan Austral ne suivent pas la tendance globale du réchauffement climatique. Avec la pause climatique des années 2000, l’évolution des abords de l’Antarctique est l’un des phénomènes les plus controversés.  Ces deux épisodes ont fait l’objet de nombreuses études. S’il n’y pas de quoi remettre en question le réchauffement climatique, les mécanismes en cause intriguent.

Un modèle océanique à haute résolution apporte un nouvel éclairage sur le mystère du refroidissement des eaux de surface autour de l’Antarctique. Les simulations mettent en évidence l’influence de la glace de mer.

Publiée dans la revue AGU Advances, une série de simulations montre que les changements de la glace de mer sont la cause la plus probable du refroidissement dans l’océan Austral. Ce n’est que lorsque les changements observés dans la glace de mer sont spécifiés dans le modèle qu’il est possible de reproduire correctement les changements de température réellement observés.

La plupart des modèles climatiques suggèrent que cette région aurait également dû se réchauffer. Grâce à un modèle océanique régional, les chercheurs ont constaté que le  refroidissement pouvait être reproduit en forçant le modèle avec les changements de glace de mer réellement observés.

De 1982 à 2011, l’étendue de la glace de mer a augmenté régulièrement dans l’océan Austral autour de l’Antarctique, tandis que l’Arctique connaissait un destin inverse, avec une baisse dramatique de l’extension de glace de mer. Précisons tout de suite que les pertes en Antarctique ont été loin de compenser le déclin de l’Arctique : la glace de mer a tendance à se réduire au niveau global.

Que s’est passe-t-il donc passé dans l’océan Austral entre 1982 et 2011 ? D’après l’étude, les vents du sud ont propulsé la glace de mer qui se forme le long de la côte vers le large. Le transport de l’eau douce du continent vers l’océan s’est ainsi amplifié.

Normalement, lorsque la glace se forme à partir de l’eau de mer, du sel est relargué, ce qui provoque un mélange des eaux du surface avec celles des profondeurs. Autour de l’Antarctique, les polynies côtières sont formées par l’action du vent et des courants qui chassent la glace. La glace de mer se reforme ensuite dans ces brèches. Dans les polynies, la formation de glace de mer s’accompagne d’un rejet massif de sel vers l’océan. Cet apport de sel s’accompagne d’une augmentation de la densité de l’eau se situant sous la glace. Cette couche d’eau plus dense a tendance à plonger.

Mais quand la glace de mer fond en été loin de la côte, l’eau douce est libérée en surface, ce qui réduit la salinité de l’eau de mer.

Cette réduction de la salinité de surface renforce la stratification verticale de l’eau de mer : l’eau douce est plus légère dans les 100 mètres supérieurs, tandis que l’eau plus salée, plus dense, reste en dessous.

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Variation de la température et de la salinité de l’océan Austral (au sud de 40 ° S) dérivée des observations entre 1982 et 2011. a, Variations de la température de la surface de la mer dérivées des observations par satellite. b, Changements de la salinité des océans de surface dérivés des anomalies dans les observations océanographiques. c, d, changements de température (c) et de salinité (d) moyens zonaux (2000 m supérieurs) dérivés d’anomalies maillées dans les observations océanographiques. Source : Haumann et al 2020, AGU Advances.

La stratification plus forte réduit l’échange de chaleur entre les couches plus profondes et l’eau de surface, ce qui fait que la chaleur reste emprisonnée en profondeur. De plus, l’air au-dessus de l’océan Austral pendant l’hiver est généralement plus froid que la température de l’eau de mer. Combiné à la réduction de l’échange vertical de chaleur dans l’océan, cela a finalement créé la situation observée où l’eau de surface s’est refroidie et l’eau en profondeur s’est réchauffée.

Le rôle important de la salinité dans le contrôle de la stratification verticale est une particularité de l’océan Austral, car il n’y a en fait pas de si grande différence de température entre les eaux de surface de l’océan et les profondeurs – quelques dixièmes de degré seulement.

Le refroidissement de l’océan Austral sur trois décennies dénote avec le réchauffement du reste de la planète, en particulier au-dessus des terres.

Ce refroidissement dans une seule zone de l’océan ne doit pas être interprété comme un signal d’un moindre réchauffement à long terme du système climatique, d’après les auteurs de l’étude. Il s’agit simplement d’une redistribution de la chaleur dans l’océan Austral de la surface vers les couches profondes de l’océan. 

Si l’on regarde sous ce refroidissement de surface, la situation est toute autre. En raison de la stratification accrue et de la diminution du mélange dans les modélisations de perturbation du flux d’eau douce de la glace de mer, l’océan au sud de 55 ° S , entre environ 100 m et 500 m, se réchauffe et devient légèrement plus salée. Et ce schéma de réchauffement correspond bien au signal observé dans la réalité. Dans le modèle, ce réchauffement est causé par une diminution de l’apport ascendant d’eaux profondes circumpolaires (CDW) plus chaudes et plus salées vers les eaux de surface autour de la lisière nord de la banquise et par une diminution du mélange à la baisse des eaux de surface froides et fraîches en couches plus denses pendant l’hiver.

Ainsi, l’océan Austral au sud du front subantarctique (46-60° S), entre 100 et 2000 m accumule environ 19 zettajoules (ZJ) de chaleur en moyenne sur les années 6 à 15 de la simulation de référence et jusqu’à environ 28 ZJ vers la fin de ces simulations (moyenne sur les années 21 à 40). L’accumulation de chaleur se produit principalement dans les régions d’adoucissement des océans de surface dans le Pacifique et l’Atlantique à haute latitude, autour de l’Antarctique occidental. Ce schéma est en bon accord avec les schémas observés de modification du contenu calorifique dans cette région entre 1982 et 2011, de l’ordre de 26 ZJ au sud du front subantarctique. L’étude suggère que les processus de glace de mer en Antarctique pourraient représenter environ 8% de la variation globale du contenu calorifique océanique  dans les 2000 m supérieurs entre 1982 et 2011, de quoi ralentir considérablement le réchauffement planétaire.

Le phénomène observé en surface masque donc un réchauffement intense en profondeur. En outre, la persistance de la glace de mer a été observée entre les années 1980 et le début des années 2010. Depuis 2015, on observe une inversion de la tendance. La glace de mer autour de l’Antarctique commence à montrer des signes de faiblesse. Le plus inquiétant est sans doute ce qui se produit au niveau des glaciers. En l’absence de convection profonde, l’eau chaude qui atteint le plateau continental dans la couche inférieure ne perd pas beaucoup de chaleur vers l’atmosphère. Elle est donc disponible pour entraîner la fonte basale rapide observée sous certaines plateformes de glace. Ces plateformes servent de contreforts aux glaciers et leur dislocation favorise les pertes vers l’océan.

L’une des thèses avancées pour expliquer l’inversion de tendance est  liée aux aérosols. Les aérosols émis massivement au 20è siècle ont détruit une part importante de la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique, exposant davantage la surface de la Terre aux rayons ultraviolets. La réduction de l’ozone stratosphérique s’est aussi accompagnée d’un refroidissement de la haute couche de l’atmosphère. Ce phénomène aurait renforcé la ceinture de vents d’ouest qui encercle le continent glacé, ce qui a favorisé la formation de glace de mer. Le rétablissement de la couche d’ozone jouerait donc contre le phénomène d’augmentation de la glace de mer autour de l’Antarctique.

La variabilité naturelle pourrait également expliquer les variations, que ce soit Enso ou l’oscillation de l’Antarctique (partiellement forcée par la destruction de la couche d’ozone mais qui comporte aussi une composante naturelle) et la dépression d’Amundsen.

En résumé, l’apport de glace de mer vers le large expliquerait la tendance à la stratification, au refroidissement en surface et au réchauffement plus en profondeur.

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