E2 Stratification et flottabilité

Topique

La stratification est l'organisation verticale de l'océan en couches de densité variable. Cette organisation limite le mélange vertical des eaux tout en canalisant les courants horizontaux le long de ces mêmes couches. La densité de l'eau de mer dépend de trois facteurs : la température, prédominante aux basses et moyennes latitudes ; la salinité, prédominante aux régions polaires ; et la pression. Cette dépendance combinée est décrite par l'équation thermodynamique internationale de l'eau de mer, ce qui signifie que la température, la salinité et la pression suffisent à elles seules pour prédire la densité de l'eau en tout point de l'océan.

Au sein de cette stratification, la pycnocline est la zone de transition où le gradient de densité est le plus marqué, située approximativement entre 200 et 1 000 mètres de profondeur. C'est précisément ce gradient prononcé qui sépare nettement les eaux chaudes de surface des eaux froides et denses des profondeurs.

La fréquence de Brunt-Väisälä décrit la vitesse d'oscillation d'une parcelle d'eau lorsqu'elle est déplacée verticalement de sa position d'équilibre. Son signe révèle directement l'état de stratification à ce point : positive, elle indique une stratification statiquement stable et la parcelle retourne à sa position initiale ; nulle, elle indique une stratification neutre ; négative, elle indique une stratification convectivement instable. C'est cette instabilité qui, au lieu de faire revenir la parcelle à sa position initiale, l'accélère et l'éloigne encore davantage.

Cette même instabilité convective est à l'origine de la convection océanique profonde qui se produit chaque hiver dans l'Atlantique Nord et la mer Méditerranée : lorsque les pertes de chaleur en surface sont suffisamment importantes, la densité de l'eau de surface augmente jusqu'à dépasser celle des eaux profondes sous-jacentes. C'est cette interaction des densités qui provoque la plongée de l'eau de surface, désormais plus dense, vers le fond au lieu de la laisser flotter sur la pycnocline. L'eau qui s'enfonce ainsi, ainsi que celle qui se forme dans d'autres régions spécifiques de l'océan, donne naissance aux eaux turquoise : des masses d'eau présentant une combinaison caractéristique de température et de salinité, relativement bien conservées tant qu'elles ne se mélangent pas à l'eau environnante. L'eau de fond antarctique se forme en Antarctique même, l'eau profonde de l'Atlantique Nord se forme dans l'Atlantique Nord – la même région où se produit la convection profonde décrite précédemment – ​​et l'eau intermédiaire antarctique se forme au front polaire antarctique. Chacune de ces masses d'eau conserve sa propre combinaison de température et de salinité pendant une grande partie de son voyage à travers l'océan profond, ce qui permet de les identifier même loin de leur origine.

C'est précisément cette conservation des propriétés qui a longtemps fait des diagrammes température-salinité la méthode classique utilisée en océanographie physique pour cartographier les routes de la circulation profonde : la simple reconnaissance de la combinaison caractéristique de température et de salinité de chaque masse d'eau suffit à la suivre, couche par couche, au fil de son voyage depuis sa région d'origine. Ainsi, de la densité qui organise la stratification aux masses d'eau que cette même stratification finit par produire, l'océan profond conserve, dans sa propre structure verticale, la mémoire du lieu et du moment de la formation de chacune de ses eaux.

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