Une introduction à la dynamique des océans et du climat

Alain Colin De Verdière

Description

Les enjeux cruciaux du rôle de l’océan dans le changement climatique ont été soulignés depuis longtemps déjà lors des conférences des Nations Unies. L’auteur, chercheur universitaire, propose dans ce cadre une réflexion nouvelle sur les plus récentes connaissances dans les domaines des Sciences de l’Océan et du Climat.

Cette introduction synthétique à la Dynamique des Océans et du Climat se décline en deux tomes. Les marées océaniques, la circulation générale des océans, le Gulf Stream, la circulation thermohaline, les océans polaires, les tourbillons océaniques et les jets équatoriaux forment le matériau de base du tome 1 « Océans ». Le tome 2 « Climat » replace l’océan dans ses interactions avec l’atmosphère (et les glaces). La dynamique de l’atmosphère, la variabilité naturelle du climat, les climats du passé, le cycle du carbone, le lien entre le réchauffement climatique et la croissance actuelle des gaz à effets de serre sont abordés avec le même souci de simplicité et d’unité.

Cet ouvrage s’adresse aux étudiants en Sciences de la Terre et de l’Univers, en Océanographie, en Météorologie, en Physique et en Mathématiques, les outils nécessaires selon les parcours étant rappelés dans des annexes. Les passionnés par la mer, le climat et ceux qui veulent participer aux enjeux d’adaptation des sociétés humaines au changement climatique sans se laisser enfermer par des raisonnements simplistes y trouveront les notions et références scientifiques indispensables.

Sujets

• Sciences de la nature
• Biologie
• Sciences de la terre
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• Sciences fondamentales
• Sciences et techniques
• Environment
• Mathematics
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• Environnement

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 04 juin 2020
• Nombre de lectures: 6
• EAN13: 9782759823888
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Une introduction à la dynamique des océans et du climat
QuinteSciences - Alain Colin de Verdière
Tome 1 – Océan
QuinteSciences
Une introduction à la dynamique
des océans et du climat
Tome 1 – Océan
Alain Colin de Verdière QuinteSciences
L es enjeux cruciaux du rôle de l’océan dans le changement climatique ont été soulignés
depuis longtemps déjà lors des conférences des Nations Unies. L’auteur, chercheur universitaire,
propose dans ce cadre une réflexion nouvelle sur les plus récentes connaissances dans les
domaines des Sciences de l’Océan et du Climat.
Cette introduction synthétique à la Dynamique des Océans et du Climat se décline en
deux tomes. Les marées océaniques, la circulation générale des océans, le Gulf Stream, Une introduction
la circulation thermohaline, les océans polaires, les tourbillons océaniques et les jets
équatoriaux forment le matériau de base du tome 1 « Océans ». Le tome 2 « Climat »
replace l’océan dans ses interactions avec l’atmosphère (et les glaces). La dynamique de à la dynamique l’atmosphère, la variabilité naturelle du climat, les climats du passé, le cycle du carbone,
le lien entre le réchauffement climatique et la croissance actuelle des gaz à effets de serre
sont abordés avec le même souci de simplicité et d’unité. des océans et du climat
Cet ouvrage s’adresse aux étudiants en Sciences de la Terre et de l’Univers, en Océanographie,
en Météorologie, en Physique et en Mathématiques, les outils nécessaires selon les parcours
étant rappelés dans des annexes. Les passionnés par la mer, le climat et ceux qui veulent
participer aux enjeux d’adaptation des sociétés humaines au changement climatique sans Tome 1 – Océanse laisser enfermer par des raisonnements simplistes y trouveront les notions et références
scientifiques indispensables.
Alain Colin de Verdière est professeur émérite à l’Université de Bretagne
Alain Colin de VerdièreOccidentale et fait ses recherches au Laboratoire d’Océanographie Physique
et Spatiale.
La collection QuinteSciences s’adresse à un 978-2-7598-2386-4
public spécialisé. Elle propose des ouvrages de
référence, écrits par des experts reconnus dans
leur domaine et aborde, de manière approfondie,
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9782759823864-COUV_T1_Ocean.indd 1 07/02/2020 09:57Une introduction
à la dynamique
des océans et du climat
Tome 1 OcéanUne introduction
à la dynamique
des océans et du climat
Tome 1 Océan
A. Colin de VerdièreImprimé en France
ISBN (papier) : 978-2-7598-2386-4
ISBN (ebook) : 978-2-7598-2388-8
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© EDP Sciences 2020Table des matières
Avant-propos 1
Remerciements5
Introduction7
Partie 1 • Observations11
1.1 De la navigation à aujourd’hui 11
1.2 Les mesures hydrologiques14
1.3 La courantométrie eulérienne19
1.4 Les mesures satellitaires22
1.5 Les flotteurs lagrangiens27
1.6 Les marégraphes 35
1.7 Les mesures chimiques38
Conclusion39
Lectures additionnelles40
Partie 2 • Mécanique des fluides adaptée à l’océan 43
2.1 Les forces 44
2.1.1La force de gravité44
2.1.2La force de pression45
2.1.3Forces de pression et de gravité 45
2.1.4Forces liées à la viscosité du fluide50
VUne introduction à la dynamique des océans et du climat
2.1.5 Forces liées à la rotation de la Terre 52
2.1.6 La force de pression horizontale64
2.2 Loi de conservation 65
2.2.1Conservation de la masse et incompressibilité65
2.2.2L’équation de continuité pour le modèle en eau peu profonde 69
2.3 L’équation des traceurs70
2.3.1L’advection70
2.3.2La diffusion72
2.3.3 L’équation d’advection-diffusion 75
2.3.4 L’adv: stirring et mixing 76
2.4 La deuxième loi de Newton pour le mouvement desfluides80
2.4.1 Les équations primitives80
2.4.2 Le modèle en eau peu profonde ou modèle shallow water 82
2.5 La vorticité 85
Lectures additionnelles90Partie3•Dynamique océanique91
3.1Introduction91
3.2 Les marées93
3.2.1 La force génératrice de la marée 94
3.2.2 La marée à l’équilibre99
3.2.3 Les marées solaires101
3.2.4 La dynamique des marées103
3.2.5 Autres générations d’ondes longues de gravité 118
3.3 La géostrophie 121
3.3.1Le cas du fluide homogène123
3.3.2Le cas stratifié en densité128
3.4 La circulation forcée par le vent134
3.4.1 La couche d’Ekman et les upwellings équatoriaux et de bord Est 134
3.4.2 La circulation forcée par le vent et les courants de bord Ouest 138
3.4.3 La cirent dans un océan stratifié 148
3.4.4 Les courants équatoriaux 151
3.4.5 Les upwellings de bord Est162
3.4.6 Le rayon de déformation de Rossby167
3.4.7 Conclusion170
3.5 La circulation thermohaline170
3.5.1 Une géométrie idéalisée174
3.5.2 Le transport de la circulation thermohaline 175
3.5.3 L’instabilité de la circulation thermohaline aveclesflux d’eaux
douces 178
VITable des matières
3.5.4 Le mélange turbulent et la circulation thermohaline 184
3.5.5 La dynamique des eaux profondes 186
3.5.6 Une reconstruction de la cir188
3.6 Ondes et tourbillons océaniques190
3.6.1 La propagation vers l’ouest190
3.6.2 L’instabilité barocline et la génération des tourbillons 195
3.6.3 La diffusion turbulente 202
3.6.4 Cascades turbulentes directe et inverse204
3.6.5 Les tourbillons isolés214
3.7 Les jets zonaux profonds à l’équateur225
3.7.1 Observations226
3.7.2 Modélisation231
3.8 Océans polaires 234
3.8.1Le courant antarctique circumpolaire 235
3.8.2L’océan Arctique246
Conclusion258
Lectures additionnelles260
Bibliographie263
Valeurs utiles et paramètres 275
Annexe 1: Un kit mathématique279
A.1.1 Vecteurs280
A.1.2 Dérivées290
A.1.3 Intégrales292
A.1.4 Équations différentielles293
A.1.5 Dérivées partielles299
A.1.6 Scaling 302
A.1.7Conclusion307
Annexe2: L’équation d’état de l’eau de mer 309
Index général tomes 1 et 2313
VIICette image met en place les principaux acteurs du Tome 1, l’océan, l’atmosphère et
la Lune vus du satellite de la NASA DSCOVR le 16/07/2015. Le satellite est placé
au point de Lagrange L1 entre la Terre et le Soleil, ce qui permet de photographier la
Lune devant la Terre éclairée par le Soleil. L’océan est mis en mouvement par le vent
à sa surface, par les échanges de chaleur et d’eau douce entre atmosphère et océan et
par les forces gravitationnelles entre la Terre, la Lune et le Soleil.
Source : NASA EPIC team (Earth Polychromatic Imaging Camera),
https://epic.gsfc.nasa.gov/epic-galleries/2015/lunar_transit/full/197_2015197232104.pngAvant-propos
Océan et atmosphère unissent leurs efforts pour tempérer les effets du forçage
solaire reçu en excès à l’équateur et en déficit aux pôles et rendre la planète
habitable. Air et eau, deux fluides très différents, l’un léger, l’autre mille fois plus lourd,
l’un transparent au rayonnement électromagnétique, l’autre opaque, l’un circulant
librement autour de la Terre, l’autre bloqué dans des bols, l’un chauffé par-dessous,
l’autre par-dessus, mais tous deux régis par les mêmes lois physiques. L’objectif de
ce livre est de montrer comment il est possible de relier les comportements observés
de ces deux fluides et ces lois, une approche qui met en valeur l’unité des
mouvements de l’océan et de l’atmosphère. Montrer comment l’océan est observé, décrire
ses mouvements et tenter d’identifier leurs causes est l’objectif du Tome 1. Montrer
comment océan et atmosphère s’organisent pour définir ce qui est communément
appelé climat, source de bien des interrogations après deux siècles de révolution
industrielle constitue le Tome 2. Les présentations de ces sujets se situent souvent
entre deux extrêmes, trop descriptives elles ne permettent guère de s’approprier les
concepts et de tester les idées, ou trop quantitatives elles demandent aux lecteurs
des prérequis mathématiques élevés. Ici les outils mathématiques minimaux sont
rappelés dans des annexes selon les besoins, outils qui permettent de faire et de tester.
La présentation conviendra à une première découverte de ces sujets dès le premier
cycle universitaire ou écoles d’ingénieurs pour des étudiants de parcours divers qui
veulent aborder ce volet des Sciences de l’Environnement sous l’angle quantitatif de
la Physique. Certains thèmes peuvent certainement être abordés plus tôt alors que
d’autres sont plus fréquemment exposés en première année de Master. En
construisant un texte autonome qui ne demande pas de sources externes, l’angle
d’exposition essaie aussi de prendre en compte l’amateur passionné par la mer et le climat,
mais qui n’a guère de temps pour rassembler les pièces du puzzle.
1Une introduction à la dynamique des océans et du climat
Aristote faisait la part entre le monde supra-lunaire harmonieux et déterministe
et le monde sub-lunaire dominé par le hasard et le chaos, une classification bien
présente dans l’océan avec les marées astronomiques qui relève du premier et la
circulation océanique et ses tourbillons du second, marées et circulation se retrouvant
superposées en tout point de l’océan. La simplicité des marées du monde
supralunaire a pour origine les forces de gravitation des astres, des forces qui agissent à
distance. La complexité du climat sub-lunaire provient du forçage radiatif du Soleil
qui induit des forces de pression locales dans l’atmosphère et dans l’océan,
identiques à cell