E3 Turbulence et mélange

Topique

Le mélange océanique est le processus par lequel des propriétés telles que la chaleur, la salinité et les nutriments se diffusent, verticalement et horizontalement, entre des masses d'eau de densités différentes. C'est précisément cette diffusion qui empêche l'océan de rester une simple superposition de couches isolées, mais lui permet d'échanger constamment chaleur, salinité et nutriments entre les différentes couches.

Dans les profondeurs océaniques, au-delà des couches limites de surface et de fond, le mélange diapycnal – celui qui se produit à travers les interfaces de densité – est extrêmement faible, avec une diffusivité d'à peine un cent-millième de mètre carré par seconde. Il est pourtant absolument essentiel au maintien de la circulation thermohaline globale : sans ce mélange, aussi faible soit-il, les profondeurs océaniques stagneraient. La principale source d'énergie de ce mélange est la rupture des ondes de gravité internes, générées principalement par les marées. C'est cette rupture qui garantit un certain mélange, même dans les zones les plus calmes des profondeurs.

Dans la couche de mélange de surface, la turbulence est cependant beaucoup plus intense : sa diffusivité atteint un centième de mètre carré par seconde, soit mille fois plus qu’en profondeur, et est alimentée par la tension exercée par le vent à la surface, la convection produite par la perte de chaleur en surface et les vagues elles-mêmes. C’est cette combinaison de trois facteurs distincts qui rend la couche de mélange de surface beaucoup plus agitée que toute autre partie de l’océan.

La double diffusion est un mécanisme de mélange particulier de l’océan, dans lequel la chaleur et le sel se diffusent à des vitesses très différentes – la chaleur se diffuse près de cent fois plus vite que le sel – et cette différence de vitesse peut produire de la convection même lorsque la densité globale de l’eau est stable. Les doigts de sel sont la manifestation la plus connue de cette double diffusion : ils se forment lorsque de l’eau chaude et salée flotte sur de l’eau plus froide et moins salée. C’est cette différence de vitesse de diffusion entre la chaleur et le sel qui provoque la formation de ces fins filaments d’eau verticaux, qui coulent en échangeant chaleur et sel avec l’eau qu’ils traversent.

Le schéma standard utilisé par les modèles océaniques pour calculer la diffusivité turbulente verticale construit un profil dépendant de la profondeur, de la stabilité de la stratification et des forces de surface. Ce profil permet à un seul modèle de représenter, de manière cohérente, à la fois le mélange intense de la couche de surface et le mélange faible des profondeurs. On s'attend à ce que le mélange océanique soit fort dans la couche de mélange de surface, faible mais jamais nul en profondeur, et encore plus intense au-dessus des reliefs sous-marins plus accidentés – dorsales médio-océaniques, talus continentaux – où les ondes de gravité internes se forment et déferlent plus facilement que sur un fond marin lisse.

ID:1565