Quel est l’impact du mélange turbulent et du flux géothermal sur la circulation profonde de la mer Méditerranée occidentale ?

Quel est l’impact du mélange turbulent et du flux géothermal sur la circulation profonde de la mer Méditerranée occidentale ?

L’observation des propriétés des eaux profondes (sous 1300 m) de la Méditerranée occidentale suggère que leur volume à tendance à augmenter chaque année par refroidissement hivernal des eaux de surface qui plongent alors vers les abysses. C’est ce que l’on nomme la convection, phénomène hautement variable d’une année sur l’autre. En moyenne dans le temps, c’est un peu comme si un fleuve sous-marin vertical transportait les eaux denses hivernales de la surface vers les abysses avec une intensité valant une à trois fois le débit maximal de l’Amazone.

Toutefois, deux phénomènes contribuent à diminuer le volume des eaux denses. D’une part, la chaleur que cède le plancher océanique à l’eau de mer (appelé “flux géothermal”) à tendance à alléger les eaux denses et donc à en éroder leur volume. D’autre part le mélange vertical, interne à l’océan, propage la chaleur de la surface vers les abysses et a lui aussi tendance à éroder le volume des eaux denses.

Ainsi, si d’un côté la convection hivernale augmente le volume des eaux denses en Méditerranée, d’un autre côté le flux géothermal et le mélange vertical en diminuent leur volume. Mais au final, qui gagne ce match ?

C’est pour répondre à cette question que le Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale, en collaboration avec des collègues italiens (CNR/ISMAR de Venise et La Spezia) et parisiens (LOCEAN, université Paris VI) ont embarqué de 2013 à 2014 sur plusieurs campagnes italiennes en mer Méditerranée à bord du navire de recherche Urania. Pour la première fois en Méditerranée occidentale, ces campagnes auront permis de mesurer l’intensité du mélange vertical avec près de 150 profils surface-fond recueillis sur la période à l’aide d’un profileur vertical de microstructure (VMP 6000). Cet instrument mesure avec précision la quantité d’énergie dissipée dans l’océan. Plus cette quantité est importante, plus le mélange vertical entre masses d’eau est important, et donc plus les transferts verticaux de chaleur et d’autres propriétés (sels, nutriments, …) sont intenses. Ainsi, mesurer la quantité d’énergie dissipée dans l’océan de la surface au fond de l’océan permet de mieux estimer la vitesse avec laquelle on transfert de la chaleur de la surface vers les abysses.

La figure 1 montre que la distribution de la dissipation d’énergie moyennée sous 100 m de profondeur montre des valeurs intenses au niveau des chenaux de Sicile et de Corse (jusque 10-6 W kg-1). En mer Ligure, la dissipation est plus intense le long de la pente continentale (10-9 à 10-8 W kg-1), là où s’écoule le courant de Ligure. Ailleurs, les valeurs relevées sont généralement faibles, souvent inférieures à 10-10 W kg-1. Les mesures montrent parfois quelques intensifications en profondeur en présence de tourbillons et d’accidents topographiques. On s’attend donc à trouver un mélange plus important le long des courants interagissant avec la topographie et dans les structures tourbillonnaires énergétiques de petite échelle (10 kilomètres de diamètre).

Le flux géothermal a lui été estimé à partir de mesures prises dans les différents sous-bassins de la Méditerranée occidentale et publiées dans la littérature depuis la décennie 1980. C’est en mer Tyrrhénienne que ce flux de chaleur est le plus fort avec une valeur moyenne de 130 x 10-3 W m-2, valeur deux fois plus forte que celle mesurée dans le Golfe du Lion par exemple. En moyenne sur la Méditerranée occidentale, on estime ce flux de chaleur à 110 x 10-3 W m-2.

Avec ces précieux chiffres en tête, revenons à notre question : qui gagne le match, augmentation ou diminution du volume d’eau dense ? L’incertitude sur les différents chiffres reste assez grande car on ne connaît pas avec suffisamment de précision ni le volume d’eau dense formé annuellement, ni le mélange et le flux géothermal en tout point de la Méditerranée occidentale et à toutes les saisons. Prenant en compte ces incertitudes, nos observations indiquent que le mélange est capable d’éroder 5 % à 35 % du volume d’eau dense créé annuellement par convection hivernale. Le flux géothermal contribue à une érosion supplémentaire de 15 % à 35 %. Ainsi, mélange et flux géothermal réunis sont insuffisants et le volume des eaux denses auraient tendance à augmenter si la Méditerranée était un bassin fermé. En réalité, une partie des eaux denses de la Méditerranée occidentale est évacuée par le détroit de Gibraltar et forme une langue d’eau salée dans le bassin Atlantique entre 800 m et 1200 m de profondeur.

Pour en savoir plus : Ferron, B., P. Bouruet Aubertot, Y. Cuypers, K. Schroeder, and M. Borghini (2017), How important are diapycnal mixing and geothermal heating for the deep circulation of the Western Mediterranean?, Geophys. Res. Lett., 44, 7845-7854. doi:10.1002/2017GL074169.

Figure 1: Dissipation d’énergie cinétique moyenne entre 100 m et le fond (échelle logarithmique)