Température

de la surface des océans

Mesures effectuées par satellite

Olympiades de Physique - 2005

Adrien AUGE Ludovic DENISE Gaultier LAMBERT Lionel STASZAK Lycée Roosevelt - Reims

1

I ) Introduction Quelques caractéristiques de l'océan Les océans occupent 70 % de la surface du globe terrestre, avec une répartition inégale entre les hémisphères Profondeur moyenne : 3800 m Température moyenne : 3,5°C Salinité moyenne : 34,7 mg par g d'eau de mer Les mouvements des océans Les mouvements de l'océan peuvent être étudiés à partir de mesures de la température de surface. Mais d’autres mesures permettent une étude plus complète (des mesures en profondeur avec des bouées ancrées ou dérivantes, des mesures altimétriques…).

2

Sur l’image ci-dessus le Gulf Stream est aisément reconnaissable (en orange) : cette image est une repré sentation des températures de surface de l’Océan Atlantique (les températures de surface passent de valeurs faibles - en bleu sur l’image - à des températures élevées - en rouge sur l’image - en passant par des valeurs intermédiaires - en vert et jaune). Ce type d’image est obtenu à partir d’une thermographie satellitaire. Cependant, cette image ne rend pas compte des phénomènes de transport en profondeur, jusqu'à 1000 à 1500 m (ce que ne voit pas le satellite!). Il en résulte un débit énorme, estimé à 30 sverdrup - 1 sverdrup (Sv) vaut un million de m3.s-1) près de côtes de Floride. Pour étudier les températures de surface des océans, deux systèmes (complémentaires) sont employés : des mesures in situ et des mesures effectuées par satellite. II ) Les mesures in situ Les mesures in situ sont effectuées, soit par des bateaux de commerce qui relèvent des données au cours de leurs voyages et transmettent leurs résultats à divers laboratoires (mais ces navires suivent les « routes » commerciales et de ce fait, pour de nombreux points du globe, les données sont rares ou même inexistantes), soit par des bateaux océanographiques lors de campagne de mesures (en général dans des zones peu connues mais à intervalles de temps relativement espacés à cause du coût de ces expéditions scientifiques financées par des instituts de recherche).

3

Une étude la plus exhaustive possible des océans demande des séries de mesure à différentes profondeurs : l'appareil le plus répandu pour effectuer les mesures des paramètres utilisés pour étudier les océans est la sonde CTD (Conductivity - Temperature - Depth). La mesure de conductivité de l'eau donne accès à sa salinité. La mesure de température s'effectue par le biais de thermistances et la mesure de profondeur s'obtient à partir d'un capteur de pression. Effectuer une station consiste donc à immerger la sonde CTD à différentes profondeurs, de façon à réaliser un transect vertical de température et de salinité pour une position.

Pour acquérir en continu des mesures des paramètres de surface ou de profondeur, on a recours à des réseaux de bouées automatiques qui retransmettent les données acquises. Il existe différents types de bouées :

Des bouées ancrées, fixées au fond de la mer et équipées de divers capteurs, collectant des données océanographiques et des données atmosphériques.

Des bouées dérivantes effectuant des mesures correspondant à l’interface eau / air (température de la surface de la mer et pression atmosphérique au niveau de la mer).

Des bouées dérivantes équipées d’une ancre flottante, ce qui donne un filin supportant différents capteurs entre la bouée et l’ancre (capteurs de température de la mer et capteurs de salinité, capteurs de pression pour connaître la profondeur où sont effectuées les mesures…, en surface et à différentes profondeurs…).

4

Des flotteurs de subsurface, c’est-à-dire des engins qui passent l’essentiel de leur vie sous l’eau, à une profondeur donnée et emmagasinent des résultats de mesure en dérivant à quelques centaines de mètres sous la surface, puis plongent en profondeur tous les dix jours et remontent en surface en effectuant des mesures au cours de leur descente, puis de leur remontée et mettent route un émetteur qui enverra toute ces données vers un satellite (système ARGOS)

III ) Les mesures par satellite Le corps noir Un «corps noir» est un corps absorbant totalement les rayonnements de toute longueur d'onde. Par contre, il émet de l’énergie dans un domaine spectral qui ne dépend que de sa température, selon une loi appelée loi de Planck. Le maximum d'émission spectral se déplace vers les courtes longueurs d'ondes lorsque la température du corps noir augmente. Ci-dessus, distribution spectrale de l'énergie rayonnée par un corps noir à différentes températures.

Le document ci-contre montre que ce maximum d’émission spectral se situe à 10 µm pour un corps noir idéal dont la température est égale à 289 K, soit 16°C.

273 K 0 °C

800 K 527°C

1500 K 1227°C

5

Un corps noir rayonne idéalement dans toutes les directions, mais les milieux naturels ne se comportent pas ainsi. Ils présentent une émissivité spectrale en général inférieure à 1 et qui peut varier d'un point de vue directionnel. Les mesures satellitaires Le comportement de l’océan est très proche de celui du corps noir, car son émissivité spectrale moyenne est de l'ordre de 0,95. Pour mesurer la température de surface des océans, on va effectuer des mesures du rayonnement émis par la surface de l’océan, des mesures radiométriques. L'utilisation de détecteurs sensibles aux rayonnements dont la longueur d'onde est de l'ordre de 10 µm permet de détecter l'émission propre de l'océan et d'accéder à sa température de surface.

Satellite Capteur Canal et domaine de longueur d’onde

Résolution spatiale

Résolution radiométrique

NOAA AVHRR Canal 4 : 10,5 à 11,3 µm Canal 5 : 11,5 à 12,5 µm

1 km . 1 km 1 km . 1 km

0,125 K 0,125 K

Météosat 10,5 à 12,5 µm 5 km . 5 km 0,5 K ERS ATSR 11 µm

12 µm 1 km . 1 km 1 km . 1 km

0,3 K 0,3 K

Envisat AATSR 11 µm 12 µm

1 km . 1 km 1 km . 1 km

0,3 K 0,3 K

Météosat Seconde Génération

10,8 µm 12,0 µm

3 km . 3 km 3 km . 3 km

Remarque : Un capteur du rayonnement 3,9 µm est de plus utilisé pour des relevés de température au cours de la nuit.

Les relations utilisées pour mesurer la température de surface des océans sont les suivantes où T11, T12 et T39 représentent les valeurs mesurées par les capte urs sensibles aux rayonnements de longueur d’onde 11 µm, 12 µm et 3,9 µm. De jour (fenêtre décalée): Ts =a T11 + (b Tsclim + c Sq) (T11-T12) + d De nuit (triple fenêtre) : Ts = (a + b Sq) T39 + (c + d Sq) (T11-T12) + e Sq + f Sq = sec(q) -1, Tsclim : valeur climatologique moyenne Les satellites mesurant la température de surface des océans Des satellites géostationnaires (dont l’orbite est située dans le plan de l’équateur, à une altitude de 36000 km) tels que les différents METEOSAT (ESA) aussi bien que des satellites défilants (dont l’orbite quasi polaire peut être comprise entre 800 et 1000 km) tels que les satellites NOAA (USA), ENVISAT (ESA)… sont chargés de ces mesures.

6

III ) Les représentations de la température de surface de la mer obtenues par satellite A une température, on fait correspondre une couleur, ce qui permet d’obtenir une représentation colorée de la température de la surface de la mer. Variabilité en surface En étudiant cette image, on constate que la variabilité de la température de surface de l'océan est essentiellement liée à la latitude. Un examen plus attentif permet cependant de repérer quelques « anomalies », telles que les eaux «chaudes» sur l'atlantique nord-est, des eaux plus froides sur les la côte ouest des Etats-unis, la côte du Chili, de la Mauritanie et de l'Afrique du Sud...

NOAA METEOSAT ENVISAT

7

Dans le détail, la variabilité de la température de surface peut être très importante. Sur la carte ci-contre, réalisée à partir d'observations satellitaires , plusieurs degrés Celsius séparent la température des eaux froides de surface situées au sud de la presqu'île de Quiberon de celle des eaux du large, plus chaudes. L'extension des nappes d'eau froide obéit ici à des phénomènes complexes, en relation avec les courants de marée et le brassage vertical des eaux. Variabilité avec la profondeur D'une manière générale, la température diminue de la surface vers le fond de l'océan, mais cette décroissance n'est pas régulière. A quelques centaines de mètres de profondeur, la température décroît très rapidement. Cette zone nommée thermocline permanente sépare grossièrement les eaux dites «de surface» (qui subissent un forçage atmosphérique) des eaux «profondes».

A cela peut s'ajouter une variabilité liée aux apports du rayonnement solaire et induisant une thermocline saisonnière, proche de la surface et caractérisée par un fort gradient de température. Ci-contre, l’évolution de la thermocline saisonnière en Méditerranée La thermocline saisonnière est quasi-absente de novembre à mars mais très développée à la fin de l'été et située à une profondeur de l'ordre de 20 à 30 m.

Mais seules des mesures in situ permettent d’obtenir des données en profondeur, les satellites ne « voient » que la surface.

8

IV ) Manipulation : création d’un Gulf Stream statique et analyse de sa température de surface Réalisation d’un « Gulf Stream » statique

16 récipients contenant de l’eau à diverses températures sont positionnés de façon à montrer un courant (immobile !) semblant traverser en diagonale le pavé formé par les récipients. La température de l’eau diffère d’un récipient à l’autre mais certains récipients sont classés « eau chaude » et les autres « eau froide ».

Mesure de l’énergie envoyée par les différents récipients On utilise 4 capteurs ayant une sensibilité maximale dans l’infrarouge thermique et on effectue des mesures à distance en faisant passer les 4 capteurs montés en barrette au-dessus de 4 récipients alignés. On déplace la barrette de façon à enregistrer des lignes de mesures.

Remarque : les grandeurs sont lues sur l’écran de présentation des mesures des 4 capsules et sont transférées manuellement dans un second logiciel permettant d’effectuer une conversion en pavés de couleur.

Eau chaude

Eau chaude

Eau chaude

Eau chaude

Eau froide

Eau chaude

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau chaude

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau chaude

Eau chaude

Eau chaude

Eau froide

Eau chaude

Eau froide

Eau froide

Eau chaude

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Eau chaude

Eau chaude

Eau froide

Capsule mesure de flux calorifique

-35

20

40 25

-20

15

-25

-10 50

-10

-15

-15

-20 20 10 -10

9

Construction d’une image, représentation de la température

Puis on construit une image colorée permettant de visualiser les plages froides et les plages chaudes : le Gulf Stream est sous vos yeux (enfin, presque…).

V ) Applications Le suivi des évolutions des courants marins Bien que les scientifiques ne soient pas toujours d’accord sur le rôle que joue le Gulf Stream dans le climat des côtes atlantiques européennes, il semble néanmoins nécessaire d’effectuer une surveillance de ses variations, ne serait-ce que pour étudier l’existence de possibles corrélations entre ces variations et d’autres phénomènes, en particulier les couplages Océan/Atmosphère.

10

La localisation des upwellings pour la pêche

La température de la surface de la mer dans les 2 zones entourées de bleu ne semblent pas avoir la même origine que dans les zones adjacentes dans lesquelles, une mer chaude en surface s’explique simplement par le fait que l’eau de surface est chauffée par le soleil dans ces régions tropicales ou équatoriales. Comment expliquer ces zones d’eau froide sous la chaleur du soleil ? Réponse : ce sont des endroits où se produisent des upwellings, c’est-à-dire des remontées d’eaux froides venues des profondeurs. L’eau de surface est entraînée suivant une direction formant un angle de 45° avec celle du vent (vers la droite de la direction du vent dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud – cas de la figure présentée). A cause des frottements entre les différentes couches d’eau existant en profondeur, les couches d’eau profondes se déplacent en formant un angle de plus en plus grand par rapport à la direction du vent (jusqu’à se déplacer en sens contraire du vent !). Le déplacement global d’eau est finale ment orienté à 90° de la direction du vent. Par réaction (on ne peut guère envisager un « trou » dans la mer), de

L’eau chaude de surface s’éloigne de la côte,

perpendiculairement à la direction du vent.

Le vent souffle vers le Nord, le long de la côte.

De l’eau froide remonte des profondeurs

11

l’eau remonte des profondeurs et en profondeur, l’eau est plus froide qu’en surface, d’où la présence de zones où la température de surface ne correspond pas à ce qui semblerait dans la norme. Pourquoi rechercher les zones d’upwelling ? Les eaux froides remontant des profondeurs sont riches en nourriture, ce qui fait que les zones d’upwelling sont des zones poissonneuses. Ces zones sont connues des pêcheurs mais, ce que l’on surveille, c’est les périodes où les vents soufflent moins forts car dans ce cas, les poissons ne sont plus au rendez-vous et cette modification du régime des vents devient alors un problème économique et social (cas des périodes El Niño pour l’économie péruvienne). La possibilité de prévoir ces évènements devrait permettre de limiter le coût de ces périodes pour les sociétés concernées. La localisation des upwellings pour les vacances

Pêche dans une zone d’upwelling (Mauritanie)

12

En Août, la température moyenne de l’Océan Atlantique au large des côtes du Portugal, du Maroc et de la Mauritanie est la même que celle relevée dans la Mer du Nord ou la Mer Baltique !! Conclusion, il faut toujours étudier une image satellite de la température de la mer avant de choisir son lieu de villégiature… Les fronts thermiques Les fronts thermiques sont des zones où sur une très petites distances, on relève des changements importants de température de surface : c’est le cas dans les régions où existent un upwelling, un courant marin mais aussi dans de très petites zones où les variations de température correspondent à une situation locale (vents, pluies, nuages bas…). L’analyse des fronts thermiques pour la Marine Les fronts thermiques sont des zones où sur une très petites distances, on relève des changements importants de température de surface : c’est le cas dans les régions où existent un upwelling, un courant marin mais aussi dans de très petites zones où les variations de température correspondent à une situation locale (vents, pluies, nuages bas…).

Cette image montre un petit front provoqué par un upwelling près des côtes espagnoles, ainsi qu'un front parallèle aux côtes françaises séparant les eaux chaudes (en bleu) du large des eaux froides situées près des côtes. Un autre front (est - ouest) se situe dans la Manche; il sépare les eaux le long des côtes bretonnes des eaux plus froides près des côtes anglaises. Ces fronts thermiques sont analysés par l’armée car, ils perturbent la propagation des ondes ultra-sonores dans l’eau (cette vitesse dépend de la température du milieu de propagation).

Des analyses de ces fronts thermiques superficiels (message quotidien et bulletin hebdomadaire) sont transmis aux grands commandements de la Marine pour être diffusée vers les unités à la mer.

13

L’analyse des fronts thermiques pour les pêcheurs Autrefois, l’homme de vigie, du haut de son mât, signalait les bancs de poissons, maintenant les satellites depuis leur orbite, fournissent des informations de pêche essentielles aux petites communautés de la côte chilienne. A Valparaiso, le plus grand des ports chiliens, comme à Quintay, petite localité située à une soixantaine de kilomètres au sud, les équipages des petites embarcations de pêche reçoivent régulièrement des cartes indiquant les températures superficielles de la mer. Grâce à cette méthode, les communautés de pêche ont pu augmenter la rentabilité de leurs opérations. La température superficielle des eaux marines est reconnue comme un facteur-clé de la présence de germons (ou thons blancs) et d’espadons qui semblent apprécier particulièrement les fronts thermiques résultant de remontées d’eaux froides. Les pêcheurs de la région connaissent d’ailleurs très bien cette particularité. Ils avaient l’habitude de prendre à bord de leurs embarcations des thermomètres qu’ils remorquaient à la recherche des zones les plus propices à la présence du thon ou de l’espadon. Mais le balayage de vastes étendues marines demande du temps et entraîne des coûts d’explo itation élevés, surtout en carburant qui représente près de la moitié des frais fixes. Les cartes satellites ont permis à plus de la moitié des pêcheurs artisans d’identifier plus facilement les zones de pêche du germon et de l’espadon et d’ainsi d’augmenter leurs prises. Une enquête réalisée en 1989 auprès des utilisateurs des cartes de fronts thermiques démontrait que 84 % des pêcheurs appréciaient surtout la diminution des temps de recherche et la réduction des dépenses de carburant.