L’hydrologie continentale en Arabie et sur la Corne de l’Afrique

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L’influence du changement climatique saisonnier sur l’hydrologie continentale et sur la circulation atmosphérique dans le N-O de la Mer d’Arabie

L’hydrologie continentale en Arabie et sur la Corne de l’Afrique

La variation des précipitations et des températures en Arabie et sur la Corne de l’Afrique

L’Arabie fait partie d‟une immense zone aride qui s‟étend du Sahara jusqu‟au désert de Sind en Inde et Pakistan. Dans la partie orientale de la péninsule, les montagnes d’Oman culminant jusqu’à 3 075 m reçoivent de rares pluies pendant l‟hiver. Les précipitations proviennent essentiellement des perturbations cycloniques méditerranéennes (Trewartha, 1961) touchant l’Est (entre 100 et 200 mm de précipitations annuelles) et le Nord (entre 100 et 150 mm de précipitations annuelles) de l’Arabie. A l’intérieur de la péninsule, dans le désert du Rub al-Khali qui occupe l’essentiel du térritoire de l’Arabie Saoudite, les précipitations annuelles varient entre 0 et 50 mm, la température peut y atteindre 55°C pendant l’été et l‟évaporation yest très importatnte. Dans l’extrême Sud-Ouest, les montagnes du Yémen bordant le Sud de la Mer Rouge et le Nord du Golfe d’Aden culminent jusqu’à 3 700 m. C’est la région la plus humide de la péninsule appelée « l’Arabie heureuse » ou «El Khadra» (le vert) avec des précipitations qui peuvent atteindre 1000 mm par an pendant l’été (figure 4).
Dans la Corne de l’Afrique, le climat varie selon les régions. A l’Est et au Nord, les plaines désertiques et semi-désertiques de Somalie et d‟Afar reçoivent des précipitations de l‟ordre de 30 à 150 mm et les températures y sont très élevées (40°C en Juillet et Aout le long des côtes de l‟Erythrée). En Ethiopie, les sites de montagnes bénificient d’un climat tropical d’altitude. Le total des précipitations annuelles, principalement d’origine atlantique, dans les montagnes du Sud-Ouest varient entre 1400 et 2200 mm. Dans les montagnes du Sud-Est de l’Ethiopie, où l’influence des airs provenant de l’océan indien est aussi présente, les précipitations annuelles sont de l’ordre de 1000 à 1400 mm (entre Juillet et Septembre) et les températures sont comprises entre 16 et 22°C. Au dessus de 3000 m d’altitude, la température est en moyenne de 5 °C et le climat est de type alpin. Dans la région du Rift, le climat est subtropical sec avec une pluviosité annuelle qui varie entre 600 et 1000 mm et une température annuelle comprise entre 20 et 24°C.
Fig 4. Les températures moyennes mensuelles (les courbes rouges) et les précipitations (histogrammes bleus) en Arabie et en Afrique orientale entre 1990 et 2009. L‟étoile représente la carotte d‟étude.
De cette répartition des régimes pluviométriques sur la péninsule arabique et la Corne de l’Afrique découle une distribution des types de végétation que nous présentons dans la partie suivante.

La végétation en Arabie et sur la Corne de l’Afrique

Les grands traits phytogéographiques

Léonard (1989) a suggéré que les divisions phytogéographiques initialement proposées par White (1983) pour l’Afrique et Madagascar, pouvaient être étendues au S-O de l‟Asie, en divisant la péninsule arabique en trois unités phytogéographiques: (1) La zone Saharo-Sindienne (SS) incluant la subzone régionale de l‟Arabie (SS2) et le centre d‟endémisme Nubo-Sindien (SS3), (2) le centre régional d‟endémisme Somalia-Masai (SM) et (3) le centre régional d‟endémisme morcelé afro-montagnard (A) (Figure 5 ).
Fig 5. La répartition des régions phytogéographiques en Afrique et en Asie (White, 1983 ; Léonard, 1989 ; White et Léonard, 1991). SM. Centre régional d‟endémisme de la Somalie et du pays Masai ; A. Centre régional d‟endémisme morcelé afro-montagnard ; Sa. La zone régionale de transition du Sahel ; SS. La zone régionale Saharo-Sindienne (SS1. La subzone régionale saharienne ; SS2. La subzone régionale de l‟Arabie ; SS3. Le centre local d‟endémisme Nubo-Sindien) ; IT. Le centre régional Irano-Touranien (IT1-4) ; M. Le centre régional d‟endémisme méditerranéen ; MS. La zone de transition méditerranéenne-saharienne. Localisation de la carotte MD92-1002.
Le domaine Saharo-Sindien s‟étend depuis les côtes nord occidentales de la Mer Rouge jusqu‟à l‟Iran et le Pakistan. Cette zone phytogéographique couvre tout le désert de l‟Arabie (le Rub‟al Khali et le Grand Nafud). La flore y est très pauvre en espèces. Parmi les espèces dominantes on trouve : Artemisia monosperma, Tribulus arabicus, Cornulaca arabica, Calligunum comosum, Cyperus conglomeratus, Plantago ciliata et Dipterygium glaucum (Bunker, 1953; Ghazanfar et Fisher, 1998; El-Moslymani, 1983; Al-Hubaishi et Müller-Hohenstein, 1984; Wood, 1997).
Les éléments floristiques du centre régional d‟endémisme Méditerranéen et du centre régional d‟endémisme Irano-Touranien sont étendus au N-E et au N-O de l‟Arabie aussi bien que dans les montagnes du Nord d‟Oman. Les principales espèces qu’on y trouve sont: Artemisia herba-alba, Centaurea sp. et Ephedra sp. (Zohary, 1973).
Le centre régional d’endémisme Somalie-Masai s’étend de part et d’autre du Golfe d’Aden et au Sud de la Mer Rouge. Il englobe les côtes sud et sud-ouest de la péninsule arabique et une grande partie orientale de la Corne de l‟Afrique. La végétation est composée de fourrés, savanes et de formations buissonnantes décidues (figure 6) à Acacia sp , Commiphora sp. associés à Euphorbiaceae spp., Dodonaea angustifolia, Blepharis sp., Capparis sp., Convolvulus sp. et Cadaba longifolia ( Zohary,1973) .
La végétation des montagnes du S-O de l’Arabie appartient à la zone afromontagnarde qui est comparable floristiquement et écologiquement à celle des hautes montagnes de l‟Est de l‟Afrique. Ces régions sont caractérisées par le développement d’un couvert végétal composé de forêts sempervirentes. En Arabie, ce domaine est réduit avec la dominance des espèces telles que Juniperus procera et Olea europea. En Afrique de l’Est, la végétation afro-montagnarde est beaucoup plus diversifiée incluant d’autres espèces telles que Podocarpus latifolius, Olea capensis et Hagenia abyssinica. Podocarpus n’est pas enregistré aujourd‟hui dans les montagnes du Yémen (Hepper et wood, 1979). Sa répartition dans le passé est encore mal connue.
Fig 6. La carte de répartition globale du couvert végétale basée sur la reclassification des données satellitaires AVHRR (Loveland et al., 2000). Localisation de la carotte MD92-1002.

La répartition de la mangrove le long des côtes de la Mer Rouge et du Golfe d’Aden

Des mangroves très appauvries bordent la Mer Rouge. Elles sont presque entièrement absentes des côtes sud et nord du Golfe d‟Aden (figure 7). Deux espèces dominantes les composent: Avicennia marina et Rhizophora mucronata (Spalding, 2010).
Avicennia marina, est l‟une des rares espèces qui tolère des taux élevés de sel et des conditions d’évaporation caractéristiques des climats arides. Par contre, Rhizophora mucronata préfère plutôt les boues riches en humus. Cette espèce est plus adaptée aux conditions tropicales avec une saison pluvieuse d‟été et exige un apport fluviatile important (figure 8).
Fig 7. La distribution des forêts de mangroves sur les côtes N-O de la Mer d‟Arabie (Giri et al., 2011). Localisation de la carotte MD92-1002. Le programme d’enquête et de surveillance des mangroves de la Mer Rouge et du Golfe d‟Aden (PERSGA/ALECSO, 2004) et l’étude de Spalding (2010), ont permis de mettre en évidence les éléments suivants :
 Les forêts de mangrove sont généralement étroites (entre 50 m et 300 m de largeur) et leurs longueurs varient considérablement de 100 m jusqu‟au-dessus de 20 km.
 Presque toutes les mangroves se développent dans les lagunes, les baies abritées et derrière les récifs et sont mono-spécifiques.
 La répartition des mangroves est fortement influencée par la quantité de ruissellement de surface et les alluvions déposées à l’embouchure des rivières par les inondations saisonnières.
 L‟espèce Avicennia marina est la plus abondante. Elle est présente dans toutes les mangroves de la région. Dans certaines localités, par exemple Al-Urj (Yémen), l’île de Maskali (Djibouti) et Arakiyai (Soudan), le substrat de sable relativement bien oxygéné et l‟importante infiltration d’eau douce souterraine, offrent des conditions très favorables à la croissance massive des arbres Avicennia qui atteignent jusqu’à 8-10 m de hauteur.
 L‟espèce Rhizophora mucronata est enregistrée dans quelques endroits, notamment à Djibouti (Kohr Angar, Gdoria et l’île Moucha) et sur les côtes ouest du Yémen côté Mer Rouge (l’île Kamaran et à proximité d’Al-Hudaydah).

La variabilité saisonnière de la circulation atmosphérique et son effet sur la circulation océanique ainsi que la productivité primaire dans le N-O de la Mer d’Arabie

La circulation océanique

La structure hydrographique ainsi que la circulation océanique dans la Mer Rouge et le Golfe d’Aden, dépendent principalement de la circulation des vents de la mousson indienne et de la variation de la densité des masses d‟eaux induite par l‟évaporation. Le bilan hydrographique de la Mer Rouge et du Golfe d’Aden est négatif avec un taux d‟évaporation qui excède les précipitations. La Mer Rouge présente des températures et des salinités élevées. La température de surface augmente du Nord vers le Sud. La salinité de surface est très élevée au Nord (40 ‰) et diminue à 37.5 ‰ au Sud (Wyrtki, 1971 ; Locke et Thunell, 1988). Pendant l’été, les températures de surface des eaux du Golfe d’Aden sont similaires à celles de la Mer Rouge (entre 29 et 30 °C) (Wyrtki, 1971). Les salinités de surface y sont intermédiaires (36.5 ‰) entre celles de la Mer Rouge et celles de l’océan ouvert (35.5 ‰) (Locke et Thunell, 1988). Les échanges d‟eau entre le Golfe d’Aden et la Mer Rouge sont régis par un système de circulation anti-estuarien (Seibold et Berger, 1982) dans lequel les eaux de surface du Golfe d‟Aden entrent dans la Mer Rouge alors que les eaux profondes sont expulsées de la Mer Rouge vers le Golfe d’Aden à travers le détroit de Bab-el- Mandeb. Dans le détail, le schéma de circulation d‟entrée et de sortie des masses d‟eaux varie en fonction de l‟intensité et la direction des vents dominants qui changent entre les saisons (figure 9). Pendant la mousson d’hiver (Novembre-Avril), on observe un système à deux couches. Entrainées par les vents dominants, les eaux de surface se déplacement au sein d‟un puissant courant superficiel de direction N-N-O qui s‟établit du Golfe d‟Aden vers la Mer Rouge avec un flux d’environ 0.58 106 m3/s (Sielder, 1969). Sous ce courant de surface, les eaux intermédiaires et profondes de la Mer Rouge, de densité élevée car très salées ( 40.5 ‰), se déplacent en sens opposé et se déversent dans le Golfe d‟Aden à travers le détroit. Ce flux d‟eau, également caractérisé par sa faible teneur en oxygène dissous, s‟écoule vers la Mer d‟Arabie en formant une couche de salinité supérieure à 36 ‰ (Tchernia, 1978) à environ 900 m de profondeur.
Fig 9. Circulation des vents et des masses d‟eau pendant la saison d‟hiver (mousson du N-E) et la saison d‟été (mousson du S-O) d‟après (Neumann et McGill, 1962; Currie et al., 1973; Patzert, 1974).
Pendant la mousson d’été (Mai – Octobre), la circulation de surface s‟inverse et la situation devient plus complexe formant un système à trois couches au niveau du détroit de Bab-el-Mandeb (Neumann et McGill, 1962; Maillard et Soliman, 1986). Les vents de la mousson du S-O poussent une couche d’eau superficielle chaude et salée qui s‟écoule de la Mer Rouge vers le Golfe d‟Aden. Au Nord, ce système est compensé par des remontées en surface des eaux peu profondes (100 -200 m). Au niveau du détroit de Bab-el-Mandeb, les eaux de sub-surfaces denses du Golfe d‟Aden, moins salées (36 ‰) et plus froides ( 19°C), rentrent en Mer Rouge et forment un courant d‟eau intermédiaire. Le flux d‟eau intermédiaire en provenance de l‟Océan Indien atteint son maximum pendant le mois d‟Aout avec 0.36 106 m3/s (Maillard et al ., 1986). La limite la plus septentrionale de cette couche d‟eau froide de sub-surface a été observée à 18°N en Octobre par plusieurs auteurs (Jones et Browning, 1971 ; Robinson, 1973 ; Maillard et Soliman, 1986). Le flux d’ eau profonde sortant de la Mer Rouge et se dirigeant vers le Golfe d’Aden ne représente que 10 % du flux d’hiver.

La productivité primaire

La Mer d‟Arabie est l‟une des régions les plus fertiles dans le monde (Banse et McClain, 1986; Bauer et al., 1991). Bien qu’elle ne couvre que 1% de la surface océanique mondiale, sa productivité primaire représente ~5 % de la production marine mondiale en raison d‟un système d‟upwelling saisonnier particulièrement développé.
Pendant l‟été, les vents du S-O permettent la mise en place d’un upwelling tout le long des côtes de Somalie et d‟Oman (Honjo et al., 1999; Colborn, 1975 ; Wyrtki, 1973). L‟action conjuguée des vents de surface parallèles à la côte et de la force de Coriolis, se traduit par un déplacement moyen des couches d‟eaux superficielles perpendiculairement à la direction du vent et à la côte (figure 10A). Les eaux plus profondes, plus froides et riches en éléments nutritifs, remontent à la surface (pompage d‟Eckman) générant ainsi un intense bloom du phytoplancton (figure 10B). Lorsque l‟upwelling estival est actif, la dégradation de la matière organique augmente la consommation de l‟oxygène dissous dans les eaux intermédiaires ce qui entraîne la formation d‟une Zone à Minimum d‟Oxygène (OMZ) entre 200 et 1000 m de profondeur (Hermelin et Shimmield, 1990) qui s‟étend largement dans le N-O de la Mer d‟Arabie.
Pendant l‟hiver, le renversement des vents (principalement du N-E) entraîne une suppresssion des cellules d‟upwelling à l‟Ouest et au Nord de la Mer d’Arabie. Un upwelling modéré se développe à l‟Est de la Mer d‟Arabie (Colborn, 1975 ; Dueing et Koske, 1967 ; Schott et McCreary, 2001) notamment le long des côtes du Pakistan. Ainsi, l‟activité biologique est élevée pendant les deux saisons (Honjo et al., 1999). Cependant, la productivité de surface est significativement plus importante pendant la mousson du S-O que pendant la mousson du N-E (figure 11).
Entre les deux saisons de mousson, les eaux de la Mer d’Arabie sont stratifiées et la productivité primaire est faible (Cowie, 2005 ; Wiggert et al., 2005).
Fig 11. La répartition saisonnière de la concentration des eaux de surface en Chlorophylle dans la Mer d’Arabie rentre 1998 et 2005 d‟après le projet SeaWiFS (oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/l3). Les zones rouges représentent une forte activité biologique suite à l’intensification de l’upwelling côtier. Par contre les zones bleus clairs à foncés représentent des eaux appauvries en éléments nutritifs Contrairement au N-O de la Mer d’Arabie, le Golfe d’Aden a été considéré, dans des études très limitées (Almogi-Labin et al., 2000; Van Couwelaar, 1997), comme étant une zone très peu enrichie en éléments nutritifs ayant une productivité maximale en hiver en raison du mélange convectif profond. En été, les concentrations en éléments nutritifs de surface ont été estimées entre 14 et 17.5 ml.m-2 (Van Couwelaar, 1997). Le maximum de biomasse de zooplancton est enregistré au large la Somalie et de l’Oman avec 38 ml. m-2 en moyenne. Les températures de surface sont relativement chaudes (figure 12), comprises entre 29 et 30 °C, c‟est à dire 3 à 6 °C plus élevées que les températures des eaux d‟upwelling de la Somalie et de l‟Oman (Wyrtki, 1971; Van Hinte et al., 1995; Rixen et al., 1996; Van Couwelaar, 1997).
Des travaux récents basés sur des relevés saisonniers (Bower et al., 2012; Morcos et Abdallah, 2013; Yao et Hoteit, 2015), suggèrent cependant qu‟un upwelling se produit dans le Golfe d’Aden pendant la mousson du S-O. La répartition saisonnière actuelle de la concentration des eaux de surface en chlorophylle (figure 13) indique que les valeurs les plus faibles sont enregistrées au printemps (Mars-Juin) alors que le maximum se produit en été (Juillet-Septembre). Les études de modélisation montrent que cet upwelling permet la remontée d‟éléments nutritifs qui sont ensuite transférés vers la Mer Rouge par le flux d‟eau entrant, circulant en sub-surface et aux profondeurs intermédiaires (Aiki et al., 2006; Yao et al., 2014).

Table des matières

Introduction générale
Partie I. Présentation du secteur d’étude : Le Nord-Ouest de la Mer d’Arabie et sa variabilité paléoclimatique
Chapitre 1. Le contexte actuel – Nord-Ouest de la Mer d’Arabie et les continents djacents
Introduction
I. Le contexte climatique régional : La mousson indienne
II. L’influence du changement climatique saisonnier sur l’hydrologie continentale et sur la circulation atmosphérique dans le N-O de la Mer d’Arabie
II.1. L’hydrologie continentale en Arabie et sur la Corne de l’Afrique
II.1.1. La variation des précipitations et des températures en Arabie et sur la Corne de l’Afrique
II.1.2. La végétation en Arabie et sur la Corne de l’Afrique
II.1.2.1. Les grands traits phytogéographiques
II.1.2.2. La répartition de la mangrove le long des côtes de la Mer Rouge et du Golfe d‟Aden
II.2. La variabilité saisonnière de la circulation atmosphérique et son effet sur la circulation océanique ainsi que la productivité primaire dans le N-O de la Mer d’Arabi
II.2.1. La circulation océanique
II.2.2. La productivité primaire
III. Conclusions
I. Rappels sur les changements climatiques pendant les derniers 20 000 ans: la théorie astronomique des climats et les caractéristiques de la dernière déglaciation
II. La reconstitution des changements paléohydrologiques en Arabie et sur la Corne de l’Afrique
II.1. Les changements hydrologiques en Arabie
II.2. Les changements hydrologiques dans la Corne de l’Afrique
II.3. La réponse du couvert végétal aux changements climatiques
III. La variation de l’intensité des vents de la mousson indienne
III.1. Les changements de la circulation atmosphérique et leurs effets sur le transport détritique
III.2. Les variations de la productivité primaire dans la Mer d‟Arabie
IV. L’effet du changement du niveau marin sur la teléconnection entre la Mer Rouge et le Golfe d’Aden
V. Conclusion
Partie II. Matériel et méthodes
Chapitre 1. Présentation de la carotte MD92-1002
I. Localisation
II. Les travaux antérieurs effectués sur la carotte MD92-1002
III. Description lithologique de la carotte MD92-1002
Chapitre 2. Méthodes analytiques
I. Les analyses isotopiques de l’oxygène
I.1. L‟espèce de foraminifère planctonique Globigerinoides ruber
I.2. La stratigraphie isotopique
II. Le modèle d’âge
III. L’étude palynologique
III.1. La palynologie: un outil paléoenvironnemental
III.2. Le traitement chimique des échantillons palynologiques
III.3. Comptage et identification des grains de pollen et des dinokystes
III.4. Le calcul des pourcentages
III.7. Les analyses statistiques appliquées sur les taxons de pollen et les kystes de dinoflagellés
III.7.1. Classification Ascendante Hiérarchique (CAH)
III.7.2. L’Analyse Factorielle des correspondances (AFC)
IV. Les analyses géochimiques par spéctrométrie de fluorecence des rayons X
Partie III. Résultats et discussion
Chapitre 1. Reconstitution des changements environnementaux et hydrologiques sur les bordures continentales du Golfe d’Aden pendant les derniers 20 000 ans (Article1)
Article 1. Hydro-climate changes over Southwestern Arabia and the Horn of Africa during the last Glacial-Interglacial transition: A pollen record from the Gulf of Aden
Introduction
I. Modern environmental setting
I.1 Regional climatology
I.2. The Gulf of Aden
I.3. Vegetation
II. Material and Methods
II.1 Core MD92-1002
II.2 Age model
II.3 Pollen analyses
III. Results
IV. Discussion
IV.1. Regional environment
IV.2. Local hydrology and relations with the surrounding land masses
IV.3. Humidity evolution and ITCZ dynamics over the Horn of Africa and Arabia
Conclusion
Chapitre 2. L’évolution de la productivité de surface et du contenu en matière organique totale dans le Golfe d’Aden depuis le Dernier Maximum Glaciaire (Article 2)
Article 2. Past productivity variations and organic carbon burial in the Gulf of Aden since the Last Glacial Maximum
I. Introduction
II. Material and methods
II.1. Stable isotopic stratigraphy and 14C dating
II.2. Palynological records
II.3. Organic Carbon content and XRF-derived bromine
III. Results
IV. Discussion
IV.1. Paleo-environmental interpretation of dinoflagellate assemblages
IV.2 Sequence of events across the last deglaciation in Core MD92-1002
IV.3. Factors controlling the organic carbon production in the Gulf of Aden
V. Conclusions
Conclusion générale et perspectives
Annexes
Annexe 1. Description lithologique de la carotte MD92-1002
Annexe 2. Les résultats d’analyse de δ18O G.ruber
Annexe 3. Quelques photos des grains de pollen et de dinokystes
Annexe 4. Tableau de comptage
Annexe 5. Application de l’ananlyse statistique sur les taxons polliniques
Annexe 6. Présentation du traceur « Brome »
Annexe 7. Les données de Br (XRF) en fonction de la profondeur de la carotte MD92-1002
Annexe 8 : Autres résultats d’analyse par XRF
Références bibliographiques

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