Depuis la découverte par le capitaine James Cook dans les années 1770 que l'eau englobait les latitudes méridionales de la Terre, les océanographes ont étudié l'océan Austral, sa physique, et comment il interagit avec la circulation mondiale de l'eau et le climat.

Par l'observation et la modélisation, les scientifiques savent depuis longtemps que les grands, courants profonds du Pacifique, Les océans Atlantique et Indien coulent vers le sud, convergeant vers l'Antarctique. Après être entrés dans l'océan Austral, ils se renversent – ​​faisant remonter l'eau de l'océan plus profond – avant de revenir vers le nord à la surface. Ce renversement achève la boucle de circulation globale, ce qui est important pour l'absorption océanique de carbone et de chaleur, le réapprovisionnement en nutriments destinés à la production biologique, ainsi que la compréhension de la façon dont les plates-formes de glace fondent.

Pourtant, la structure tridimensionnelle des voies empruntées par ces particules d'eau pour atteindre la couche de mélange de surface de l'océan Austral et leurs échelles de temps associées étaient mal comprises jusqu'à récemment. Maintenant, les chercheurs ont découvert que profondément, l'eau relativement chaude des trois bassins océaniques pénètre dans l'océan Austral et s'enroule vers le sud-est et vers le haut autour de l'Antarctique avant d'atteindre la couche de mélange océanique, où il interagit avec l'atmosphère.

L'équipe de recherche comprend des scientifiques du MIT, la Scripps Institution of Oceanography, Université de Princeton, le Laboratoire Géophysique de Dynamique des Fluides, le Laboratoire national de Los Alamos, l'Université de Washington, et le Jet Propulsion Laboratory de la NASA. L'étude, publié dans la revue Communication Nature , révèle également que de forts tourbillons, causée par des interactions topographiques à cinq endroits dans l'actuel encerclement de l'Antarctique, jouent un rôle majeur dans ce processus d'upwelling. Les chercheurs ont en outre pu déterminer la quantité d'eau de chaque bassin océanique constituant ce qu'ils appellent cet "escalier en colimaçon, " et je pense que ce voyage se déroule beaucoup plus rapidement que ne le suggèrent les estimations précédentes.

Dans l'océan Austral, les fortes interactions océan-atmosphère et les tourbillons entraînent en grande partie l'upwelling, les chercheurs ont trouvé. Les vents d'ouest encerclant l'Antarctique soufflent froid, des eaux de surface riches en dioxyde de carbone vers le nord depuis le continent à travers le courant circumpolaire antarctique (ACC). L'ACC circule autour du bord nord de l'océan Austral et n'est pas seulement le courant le plus fort du monde, mais aussi le seul grand courant qui fait le tour du globe sans être entravé par les continents. Une grande partie de l'eau froide provient de la fonte des glaces, causé par plus chaud, eaux riches en nutriments entrant dans l'ACC en profondeur et remontant progressivement à partir d'environ 1, 000-3, 000 mètres de profondeur.

Les observations de la température et de la salinité de l'océan Austral ont fourni des indices sur la structure de ce renversement, mais ce n'est que récemment que les modèles informatiques étaient suffisamment sophistiqués pour exécuter des simulations réalistes, permettant aux chercheurs d'étudier si et comment l'upwelling varie dans l'espace tridimensionnel et ce qui contrôle la structure de l'upwelling. Pour explorer ces questions, les chercheurs ont utilisé trois modèles atmosphère-océan, capable de capturer les caractéristiques critiques de la circulation océanique qui se produisent à petite échelle. Ils ont ensuite suivi des particules d'eau virtuelles d'où elles sont entrées dans l'océan Austral vers 30 sud et entre 1, 000 et 3, 000 mètres de profondeur jusqu'à l'endroit où ils ont franchi la limite de la couche de mélange, qui était estimée à 200 mètres de profondeur. Les conditions utilisées dans les expériences des modèles climatiques étaient assez cohérentes avec celles de l'an 2000; ceux-ci ont ensuite fonctionné pendant 200 ans dans cet état perpétuel. Pendant ce temps, des particules d'eau virtuelle ont été libérées dans les modèles.

"Nous avons suivi des millions de ces particules au fur et à mesure qu'elles remontent. Ensuite, nous avons tracé leurs chemins, et nous pouvons déterminer… et séparer le volume transporté (la quantité d'eau déplacée) par ces courants. Donc, nous sommes en mesure de comparer l'importance de ces différentes voies régionales, " dit le co-auteur Henri Drake, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS), et membre du Programme en Atmosphères, Océans et climat. Ils ont également noté le temps qu'il a fallu aux particules pour atteindre la couche de mélange ainsi que les emplacements d'upwelling amélioré.

Leur analyse a révélé que les parcelles d'eau avaient tendance à s'écouler vers le sud, principalement le long des courants de frontière ouest et est dans l'Atlantique, Indien, et les océans Pacifique, où ils sont entrés dans le suivi ACC avec des surfaces de densité. Les interactions de l'ACC et des tourbillons autour du terrain sous-marin ont également joué un rôle important dans le processus d'upwelling.

"Dans l'océan profond, les parcelles d'eau suivent des surfaces de densité… qui commencent très profondément là où nous libérons les particules, puis deviennent moins profondes en allant vers le sud, " dit Drake. " Donc, si vous avez une particule voyageant vers le sud le long de la même surface de densité, ça va monter plus haut dans la colonne d'eau, jusqu'à ce que finalement la surface de densité croise la couche mélangée."

En outre, cinq emplacements topographiques majeurs dans l'ACC—la crête sud-ouest des Indiens, le plateau des Kerguelen, la crête Macquarie, la dorsale Pacifique-Antarctique, et le passage de Drake - créé des zones de turbulence et d'énergie cinétique élevée, ce qui a permis de remonter la majeure partie de l'eau.

"Les tourbillons sont essentiellement ces tourbillons dans l'océan Austral qui sont vraiment importants pour le transport des eaux, " dit Drake. " Si vous n'avez pas de remous, l'eau ferait probablement le tour de l'Antarctique et reviendrait à la même latitude. Mais avec des remous, lorsque les particules voyagent dans ces lignes de courant, ils vont arriver à un endroit d'énergie cinétique de Foucault élevée et monter en flèche vers le sud et jusqu'à la prochaine ligne de courant."

Les chercheurs ont également découvert que la moitié de l'eau qui a atteint la couche de mélange provenait de l'océan Atlantique, tandis que les océans Indien et Pacifique ont chacun contribué à environ un quart. La majorité de ces eaux ont franchi ce seuil après 28-81 ans. Dans le modèle à plus haute résolution, cette échelle de temps est jusqu'à 10 fois plus rapide que les estimations précédentes produites par des modèles non turbulents, qui étaient plus proches de 150-250 ans. Cela démontre que les taux d'upwelling pourraient être critiques pour la fonte des glaces de l'Antarctique en relation avec le changement climatique futur, dit Adèle Morrison, un co-auteur à l'Université nationale australienne qui a contribué au travail à l'Université de Princeton. Les modèles s'accordent largement, montrant la robustesse du résultat, elle dit.

"Scientifiquement, c'est important, car on a longtemps pensé que l'upwelling était principalement entraîné par les vents, qui sont assez uniformes autour de l'océan Austral, ", dit Morrison. "Mais ici, nous avons montré que la structure de l'upwelling est vraiment contrôlée par la topographie sous-marine et le champ de Foucault."

John Marshall, le professeur Cecil et Ida Green d'océanographie à l'EAPS, qui ne faisait pas partie de l'étude, dit que la recherche confirme que l'upwelling dans l'océan Austral "est médié par des tourbillons, mais cela souligne à quel point les tourbillons sont importants et à quel point une partie de l'activité des tourbillons est localisée, ce qui rend difficile la représentation dans les modèles qui n'ont pas de tourbillons."

"Je pense que les délais de communication pourraient être un peu plus rapides que nous ne le pensions entre l'intérieur et la surface, " dit Marshall.

Le groupe envisage de poursuivre les travaux, étudier les interfaces océan-atmosphère, trajectoires des particules d'eau, et la propagation des signaux de changement climatique de la formation d'eau profonde dans l'Atlantique Nord à l'océan Austral.

"Notre description des voies qui relient l'océan profond à l'océan de surface ouvre la porte à de futures études pour relier la mécanique des fluides de l'océan profond aux échanges de chaleur, carbone, et les nutriments à l'interface océan-atmosphère qui influencent le climat de la Terre, " dit Drake.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.