E6 Mésoéchelle et Sous-mésoéchelle

Topique

L'échelle mésoocéanique, qui s'étend sur des distances de dix à cinq cents kilomètres et des échelles de temps de quelques semaines à quelques mois, est dominée par des tourbillons qui génèrent principalement l'instabilité barocline et barotrope des grands courants océaniques, tels que le Gulf Stream, le courant circumpolaire antarctique et le courant de Kuroshio. Ces tourbillons transportent d'importantes quantités de chaleur, de sel, de substances biochimiques et d'énergie cinétique à travers les océans du globe. C'est précisément ce transport intense qui concentre l'essentiel de l'énergie cinétique océanique à l'échelle mésoocéanique – près de cent fois plus que la circulation moyenne elle-même – rendant ainsi l'océan fondamentalement turbulent à cette échelle.

L'instabilité barocline océanique, le même mécanisme que celui décrit précédemment comme responsable de la cyclogenèse atmosphérique, se produit lorsque le gradient de densité horizontal de l'océan emmagasine de l'énergie potentielle disponible. Cette instabilité convertit ensuite cette énergie potentielle en énergie cinétique, à l'instar des tourbillons décrits précédemment. La condition nécessaire au déclenchement de cette instabilité, dite condition de Charney-Stern, exige que la vorticité potentielle quasi-géostrophique change de signe en un point donné de la colonne d'eau verticale. Le rayon de déformation de Rossby, proche de cinquante kilomètres aux latitudes moyennes, correspond à l'échelle horizontale caractéristique des tourbillons que cette instabilité génère.

L'échelle submésoéchelle, quant à elle, se situe à des échelles beaucoup plus petites, de quelques centaines de mètres à dix kilomètres, avec des périodes de l'ordre de quelques heures à quelques jours et un nombre de Rossby proche de un. À cette échelle, apparaissent les fronts océaniques, les filaments et les tourbillons submésoéchelle, qui jouent un rôle dynamique important pour trois raisons simultanées : ils transportent activement des substances vers l'intérieur de l'océan par un processus appelé subduction ; ils amplifient l'accès des nutriments à la couche où se déroule la photosynthèse ; et ils contribuent au mélange des traceurs de manière disproportionnée par rapport à leur petite taille. Cela signifie que l'échelle submésoéchelle, bien qu'occupant une infime fraction de l'océan, détermine en grande partie la distribution de ses nutriments.

Le comportement attendu est un flux d'énergie simultané dans deux directions opposées : une cascade inverse transportant l'énergie de l'échelle submésoéchelle vers l'échelle mésoéchelle, ce qui provoque la croissance des tourbillons au lieu de leur dispersion, et une cascade directe transportant cette même énergie, en sens inverse, de l'échelle submésoéchelle vers les échelles micrométriques où elle est complètement dissipée. Ainsi, des tourbillons mésoéchelles mis en mouvement par l'instabilité barocline des grands courants aux fronts et filaments submésoéchelles qui redistribuent les nutriments et les traceurs, l'océan organise sa propre turbulence selon une hiérarchie d'échelles qui garantit un mouvement continu de l'énergie, ascendant ou descendant, au sein de ce même spectre.

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