Soutenance mémoire
Circulation océanique et hydrographie du Pacifique
Principaux courants et masses d’eau
Les différences de rayonnement solaire que reçoivent les pôles et l’équateur de notre planète induisent des différences de pression atmosphérique qui créent une circulation méridienne des subtropiques (30˚N-30˚S) vers l’équateur en basse atmosphère et de l’équateur vers les subtropiques en haute atmosphère : c’est la cellule de Hadley. Dans la bande intertropicale, la subsidence d’air sec d’altitude alliée à la force de Coriolis donne naissance aux célèbres vents d’est nommés « alizés » (fig. 1.4). Entre 30˚ et 60˚, la circulation méridienne est orientée vers les pôles en basse atmosphère (cellule de Ferrel) et induit des vents d’ouest dominants. Ces différentes cellules participent à la mise en place de grandes boucles de circulation océanique appelées gyres, dont la branche longeant les bords ouest est intensifiée par compensation du transport de Sverdrup (fig. 1.5). La plupart de ces courants de surface impactent les 1000 premiers mètres de l’océan. Dans la région intertropicale se trouvent les gyres subtropicaux anticycloniques, dont les branches les plus équatoriales sont les Courant Équatoriaux Nord et Sud (NEC et SEC, respectivement), s’écoulant d’est en ouest, à l’image des alizés. Le Contre-Courant Équatorial Nord (NECC) s’intercale entre ces deux courants pour redistribuer vers l’est l’eau accumulée à l’ouest. Dans l’hémisphère sud, le contre-courant équatorial SECC est plus faible, non permanent et ne s’écoule que dans la partie ouest. Le NEC et le SEC alimentent les courants intenses de bord ouest de basse latitude (LLWBCs), le Courant de Mindanao (MC) et les Courant et Sous-Courant Côtiers de Nouvelle-Guinée (NGCC et NGCU). Aux plus hautes latitudes se trouvent les WBCs s’écoulant vers les pôles, le Courant de Kurushio et le Courant Est Autralien (EAC).
Les eaux formant la thermocline, zone de plus fort gradient de température, sont représentées sur la figure 1.6. La couche supérieure, i.e. la moins profonde, de la thermocline transporte les Eaux Tropicales (TW, σθ = [24.3 – 25.3] kg m-3, fig. 1.6, gauche). La plus salée est l’Eau Tropicale du Pacifique Sud [SPTW ; Tsuchiya et al., 1989], qui subducte dans le Pacifique Tropical autour de 20˚S et est transportée par le SEC jusqu’à l’équateur, via les LLWBCs et via l’océan intérieur [Kessler, 1999]. Elle rencontre dans la bande équatoriale l’Eau Tropicale du Pacifique Nord (NPTW), plus douce, engendrant un fort gradient de salinité autour de l’équateur [Tsuchiya et al., 1989]. La couche inférieure de la thermocline transporte les Eaux Centrales (CW, σθ = [25.8 – 26.5] kg m-3, fig. 1.6, droite). La plus salée est l’Eau Centrale du Pacifique Sud-Ouest [WSPCW ; Tomczak and Hao, 1989; Tsuchiya et al., 1989; Sokolov and Rintoul, 2000]. Elle est formée entre la Tasmanie et la Nouvelle-Zélande [Tsuchiya, 1981; Tomczak and Godfrey, 2003; Qu et al., 2009] et rejoint les tropiques via le gyre subtropical où elle s’écoule sous les TW. Deux fronts de salinité distinguent les WSPCW des Eaux Centrales du Pacifique Sud-Est (ESPCW) et des Eaux Centrales du Pacifique Nord (NPCW). Les TW se distinguent aussi des CW par de plus faibles concentrations d’oxygène (~140 µmol kg-1 et ~160 µmol kg-1, respectivement).
Entre 400 et 1000 m de profondeur, on trouve l’Eau Modale Subantarctique [SAMW ; McCartney, 1977; Sokolov and Rintoul, 2000] et les Eaux Intermédiaires [IW ; Talley, 1993; Tsuchiya and Talley, 1998; Bostock et al., 2010, fig. 1.7]. La SAMW surplombe l’Eau Antarctique Intermédiaire (AAIW) et s’écoule juste en dessous des eaux de la thermocline. Elle se forme dans le Pacifique Sud-Est durant l’hiver par convection profonde et est caractérisée par la densité σθ = 26.85 kg m-3 dans le Pacifique Tropical Sud-Ouest. La forte concentration d’oxygène acquise à sa source ([250-300] µmol kg-1) est un marqueur de sa présence jusque dans le Pacifique Équatorial (fig. 1.7, gauche). L’AAIW se forme dans le Pacifique Sud-Est. Centrée sur l’isopycne σθ = 27.2 kg m-3 dans le Pacifique Sud. Elle est presque aussi oxygénée que la susjacente SAMW et se distingue le long de son parcours vers le Pacifique Équatorial Ouest par son minimum de salinité (fig. 1.7, droite). L’Eau Intermédiaire du Pacifique Nord [NPIW ; Talley, 1993; You, 2003], centrée autour de σθ = 26.8 kg m-3, est originaire du Pacifique Nord et est marquée par une bien plus faible concentration d’oxygène ([0-150] µmol kg-1).
Du côté du Sous-Courant Équatorial. . .
L’EUC résulte du gradient océanique de hauteur de la mer engendré par les alizés, qui sont entretenus par le gradient de température de surface présent dans le Pacifique Équatorial. En effet, dans la bande équatoriale, les eaux de surface chauffées par le rayonnement solaire et poussées vers l’ouest du bassin par les alizés induisent un gradient de pression océanique de subsurface . Les eaux chaudes de surface qui s’accumulent dans la partie ouest inter-tropicale forment la « Warm Pool » (Tsurface > 29˚C, fig. 1.1). L’EUC transporte des eaux de subsurface issues de l’ouest vers l’est du bassin et remonte progressivement vers la surface. Cette accumulation d’eaux chaudes à l’ouest et cette remontée d’eaux froides à l’est provoquent l’inclinaison de la thermocline, centrée autour de 150 m de profondeur dans l’ouest du bassin et à 50 m de profondeur à l’est (fig. 1.3, bas). L’EUC s’écoule en suivant le cœur de la thermocline d’ouest en est.
Toutes les eaux décrites ci-avant rejoignent l’équateur selon les boucles de circulation de la figure 1.5 et s’écoulent dans la bande équatoriale via l’EUC ou les autres courants équatoriaux la constituant (fig. 1.8). L’EUC transporte principalement les TW et les CW [Tsuchiya et al., 1989]. Les Contre-Courants Équatoriaux de Subsurface Nord et Sud (NSCC et SSCC, respectivement) sont principalement formés des CW et de la SAMW, les Contre-Courants Intermédiaires Nord et Sud (NICC et SICC, respectivement) transportent en majorité l’AAIW [Stramma et al., 2010]. Le Courant Intermédiaire Équatorial (EIC) est en moyenne formé d’eaux issues du Pacifique Équatorial Est.
Focus sur les Mers de Corail, de Salomon et de Bismarck
Le Pacifique Tropical Sud-Ouest est la zone de passage des courants de bord ouest (WBCs) rejoignant l’équateur. Cette région voit donc transiter les eaux de la STC sud.
La topographie de cette région est complexe, caractérisée par la présence de nombreuses îles et bordée à l’ouest par les côtes australiennes et de PNG (fig. 1.9). Ces zones côtières délimitent 3 bassins distincts : du sud au nord, la Mer de Corail, la Mer des Salomon et la Mer de Bismarck. Les Mers de Corail et des Salomon communiquent très facilement par une large ouverture entre la côte de PNG et le sud des Iles Salomon tandis que les Mers des Salomon et de Bismarck sont connectées par 3 détroits étroits : d’ouest en est, le Détroit de Vitiaz, le Chenal St Georges et le Détroit des Salomon. Le SEC, qui compose la branche nord du gyre subtropical et s’écoule entre 4˚N et 30˚S, de la surface jusqu’à environ 1000 m de profondeur, interagit avec les îles constituant le Pacifique Tropical Sud-Ouest et forme des jets : les Jets Sud et Nord Calédoniens (SCJ et NCJ, respectivement) et le Jet de Vanuatu Nord [NVJ ; fig. 1.10 ; Qu and Lindstrom, 2002; Kessler and Gourdeau, 2007; Couvelard et al., 2008].
Ces jets bifurquent le long des côtes australiennes autour d’une latitude moyenne de 18˚S pour former les WBCs [Qu and Lindstrom, 2002]. Au sud de la bifurcation se forme le Courant Est Australien (EAC) qui longe les côtes vers le pôle sud. Au nord de la bifurcation se forme le Courant du Golfe de Papouasie (GPC). Le GPC, formé par le NCJ et le NVJ, rencontre à l’entrée sud de la Mer des Salomon une branche du NVJ qui rétrofléchit directement dans la Mer des Salomon sans atteindre les côtes australiennes [fig. 1.10 ; Cravatte et al., 2011].
Le GPC et le NVJ pénètrent dans la Mer des Salomon et forment le Sous-Courant Côtier de Nouvelle-Guinée [NGCU ; Lindstrom et al., 1987; Tsuchiya et al., 1989; Fine et al., 1994; Butt and Lindstrom, 1994; Ueki et al., 2003]. Face à la Nouvelle-Bretagne, le NGCU se divise en deux branches : la majeure conserve le nom de NGCU et bifurque vers l’ouest pour pénétrer dans la Mer de Bismarck via le Détroit de Vitiaz ; l’autre branche, plus faible, dénommée le SousCourant Côtier de Nouvelle-Bretagne (NBCU), bifurque vers l’est puis traverse le Channel St Georges et le Détroit des Salomon vers le nord [Ridgway et al., 1993; Melet et al., 2010a, 2011; Cravatte et al., 2011]. La branche issue du détroit des Salomon bifurque plein nord pour alimenter le Sous-Courant Côtier de Nouvelle-Irlande [NICU ; Butt and Lindstrom, 1994; Melet et al., 2010a]. Le NICU est aussi alimenté directement par le SEC et, potentiellement, par un LLWBC s’écoulant le long des Iles Salomon [Melet et al., 2010a]. Au nord de la NouvelleIrlande, le NICU se divise en deux part à peu près égales : l’une rétrofléchit vers le sud-ouest dans la Mer de Bismarck et vient alimenter le NGCU, l’autre rétrofléchit vers l’est et alimente directement l’EUC. C’est la route la plus directe des LLWBCs à l’EUC.
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Table des matières
1 Introduction générale
1.1 Contexte général
1.2 Circulation océanique et hydrographie du Pacifique
1.2.1 Principaux courants et masses d’eau
1.2.2 Focus sur les Mers de Corail, de Salomon et de Bismarck
1.2.3 Alimentation du Sous-Courant Équatorial
1.3 Les Terres Rares et le néodyme
1.3.1 Les Terres Rares : quel outil ?
1.3.2 Le néodyme, un élément « bavard » par ses isotopes
1.3.3 Caractérisation du bassin Pacifique
1.4 Le « Boundary Exchange » : définition et état de l’art
1.5 Objectifs et méthodologie
2 Approche méthodologique
2.1 Approche physique
2.1.1 Le modèle de circulation générale océanique ORCA025-G70
2.1.2 Validation du modèle
2.1.3 L’outil lagrangien ARIANE
2.2 Approche géochimique
2.2.1 Composition isotopique de néodyme dissous dans l’eau de mer
2.2.2 Concentrations des Terres Rares dissoutes dans l’eau de mer
3 Alimentation du Sous-Courant Equatorial du Pacifique
3.1 Introduction
3.2 Article publié dans Journal of Geophysical Research : From the western boundary currents to the Pacific Equatorial Undercurrent : Modeled pathways and water mass evolutions
3.3 Evolution hydrologique des sources de l’EUC
3.3.1 Le mélange vertical dans le modèle ORCA025-G70
3.3.2 Validation du champ de salinité
3.3.3 Modification des propriétés hydrographiques
3.4 Conclusions
4 Caractérisation des eaux du Pacifique Tropical Ouest en néodyme et Terres Rares
4.1 Introduction
4.2 Article publié dans Journal of Geophysical Research : From the subtropics to the central equatorial Pacific Ocean : Neodymium isotopic composition and rare earth element concentration variations
4.3 Conclusions
5 Quantification des flux d’échange marge-océan par couplage d’analyses lagrangiennes aux données de néodyme
5.1 Introduction
5.2 Article soumis : From the subtropics to the equator in the Southwest Pacific : Continental material fluxes quantified using neodymium parameters along modeled thermocline water pathways
5.3 Conclusions
6 Conclusions
