E6 Couplages océan-atmosphère-cryosphère

Topique

Le système climatique est fondamentalement couplé : l'océan, l'atmosphère et la cryosphère échangent continuellement de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la masse, et aucun composant de ce système couplé ne peut être pleinement compris sans les deux autres. Le prototype le plus étudié de ce couplage océan-atmosphère est l'oscillation australe El Niño (ENSO), où une faible perturbation de la tension du vent à l'équateur déclenche une réorganisation massive de l'ensemble du système couplé à l'échelle hémisphérique.

Un modèle classique de ce couplage océan-atmosphère, formulé en 1987, et les versions simplifiées développées ultérieurement, rendent compte de l'essence de l'oscillation australe El Niño grâce à deux relations qui se renforcent mutuellement : le vent de surface réagit au gradient de température de la surface de la mer à l'équateur, et la température de surface de la mer, à son tour, réagit à la circulation océanique induite par ce même vent de surface. Lorsque le vent de surface et la température de surface de la mer se renforcent mutuellement au lieu de se stabiliser, cette instabilité par rétroaction réciproque peut engendrer un cycle auto-entretenu d'une période de trois à sept ans, cycle qui caractérise précisément le phénomène El Niño-Oscillation australe (ENSO).

La cryosphère, troisième composante du système climatique couplé décrit précédemment, agit comme un amplificateur de signal aux hautes latitudes : la banquise réfléchit environ 80 % du rayonnement solaire qu'elle reçoit, tandis que l'océan libre, exposé lorsque la banquise disparaît, n'en réfléchit qu'environ 7 %. En raison de cette différence considérable de réflexion du rayonnement solaire entre la banquise et l'océan libre, la fonte de la banquise génère une importante boucle de rétroaction positive locale : plus la banquise disparaît, plus l'océan libre, à faible réflectivité, est exposé, et ce dernier absorbe beaucoup plus de rayonnement solaire que la banquise, contribuant ainsi au réchauffement de la région et à une fonte encore plus importante de la banquise. Sur des échelles de temps bien supérieures à celles du cycle El Niño-Oscillation australe (ENSO) de trois à sept ans ou à la rétroaction locale de la banquise, l'océan profond agit comme un régulateur thermique du système climatique couplé, grâce à son immense capacité de stockage de chaleur : l'océan profond absorbe et libère la chaleur beaucoup plus lentement que l'atmosphère, la surface océanique ou la cryosphère, retardant ainsi la réponse complète du système climatique couplé à toute perturbation sur plusieurs décennies. De cette manière, les trois composantes du système climatique couplé initialement proposé – l'océan, l'atmosphère et la cryosphère – échangent de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la masse sur trois échelles de temps très différentes : le couplage entre l'océan et l'atmosphère produit des cycles de quelques années tels que l'ENSO, la cryosphère amplifie ce signal localement de façon quasi instantanée, et l'océan profond le retarde et l'atténue sur plusieurs décennies.

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