Aux hautes latitudes, comme près de l'Antarctique et du cercle polaire arctique, les eaux de surface de l'océan sont refroidies par des températures glaciales et deviennent si denses qu'elles s'enfoncent de quelques milliers de mètres dans les abysses océaniques.

On pense que les eaux océaniques s'écoulent le long d'une sorte de tapis roulant qui les transporte entre la surface et les profondeurs dans une boucle sans fin. Cependant, on ne sait toujours pas où les eaux profondes remontent à la surface, comme ils le doivent en fin de compte. Ces informations aideraient les chercheurs à estimer combien de temps l'océan peut stocker du carbone dans ses régions les plus profondes avant de le renvoyer à la surface.

Maintenant, des scientifiques du MIT, Institution océanographique de Woods Hole (WHOI), et l'Université de Southampton au Royaume-Uni ont identifié un mécanisme par lequel les eaux peuvent monter des profondeurs de l'océan jusqu'à ses couches supérieures. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Communication Nature .

Grâce à la modélisation numérique et aux observations dans l'océan Austral, l'équipe a découvert que les caractéristiques topographiques telles que les monts sous-marins, crêtes, et les marges continentales peuvent piéger les eaux profondes de la migration à plus plat, parties plus calmes de l'océan. Les gouffres et falaises sous-marines génèrent des écoulements turbulents, semblable au vent qui fouette entre les gratte-ciel d'une ville. Plus l'eau est piégée parmi ces caractéristiques topographiques, plus il se mélange aux couches supérieures de l'océan, retournant vers la surface.

"Dans l'océan abyssal, tu en as 4, Des montagnes maritimes de 000 mètres et des creux très profonds, haut et bas, et ces caractéristiques topographiques contribuent à créer des turbulences, " dit Raffaele Ferrari, le professeur Cecil et Ida Green d'océanographie au département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires. "Ce qui semble émerger, c'est que l'eau remonte du gouffre en passant beaucoup de temps dans ces endroits où les turbulences sont vraiment fortes."

Le fait de savoir qu'il existe des points chauds où les eaux profondes remontent à la surface peut aider les scientifiques à identifier les régions où le carbone, une fois absorbé par l'atmosphère et stocké au plus profond de l'océan, s'élève et est relâché dans l'atmosphère.

« La compréhension générale est que les eaux abyssales mettent de quelques à plusieurs milliers d'années pour refaire surface, " dit l'auteur principal et postdoctorant du MIT Ali Mashayek. " Si une quantité considérable d'une telle remontée se produit rapidement le long des limites inclinées, marges continentales, et dorsales médio-océaniques, alors le délai de recyclage des eaux abyssales peut être plus court."

Les co-auteurs de Ferrari et Mashayek sont Sophia Merrifield, un étudiant diplômé du MIT ; Jim Ledwell et Lou St. Laurent de WHOI; et Alberto Naveira Garabato de l'Université de Southampton.

La puissance de 10 ampoules

Dans les régions polaires froides, la quantité d'eau qui coule continuellement dans l'océan profond est estimée à "environ 107 mètres cubes par seconde, soit 50 fois le transport du fleuve Amazone, ", dit Ferrari.

En 1966, l'océanographe de renom Walter Munk a abordé le casse-tête de la façon dont toute cette eau profonde retourne à la surface, proposant que les turbulences océaniques à petite échelle puissent entraîner de lourdes charges, eau profonde pour mélanger et lever. Ces turbulences, il a posé, prend la forme d'ondes de gravité internes qui se brisent entre des couches d'eau de densités différentes, sous la surface de l'océan.

Munk a calculé la puissance de mélange qui devrait être générée en brisant les ondes de gravité internes pour ramener toutes les eaux profondes de l'océan à la surface. Le nombre, Ferrari dit, équivaut à "environ 10 ampoules à incandescence par kilomètre cube d'océan".

Depuis, les océanographes ont identifié des zones limitées, comme les monts sous-marins et les crêtes, qui créent des turbulences similaires à ce que Munk a théorisé.

"Mais si vous résumez ces quelques endroits, vous ne sembliez pas arriver au nombre dont vous aviez besoin pour ramener toute cette eau, ", dit Ferrari.

Faire un passage

En février 2009, des collaborateurs de WHOI ont déployé un traceur dans l'océan Austral, environ 1, 000 milles à l'ouest du passage de Drake, dans le cadre d'un projet appelé DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) pour analyser le mélange des eaux océaniques.

"Ils ont sorti une goutte de colorant, comme une goutte de lait dans une tasse de café, et laisse l'océan le mélanger, ", dit Ferrari.

Sur deux ans, ils ont échantillonné le traceur à différentes stations en aval de l'endroit où il a été relâché, et a constaté qu'il a connu très peu de turbulences, ou mélange, dans des parties de l'océan avec peu de caractéristiques topographiques. Cependant, une fois que le traceur a franchi le passage de Drake, il a rencontré des monts sous-marins et des crêtes, et "tout d'un coup, il a commencé à s'étendre assez rapidement à la verticale, à trois fois le taux prédit par Munk, ", dit Ferrari.

Qu'est-ce qui motivait ce mixage accéléré ? Découvrir, l'équipe, dirigé par Mashayek, développé un modèle numérique pour simuler la région de l'océan Austral, ce qui n'est pas une mince affaire, car il n'était pas clair si un tel modèle pouvait avoir une résolution suffisamment élevée pour reproduire les mouvements à petite échelle d'un traceur au milieu d'un vaste volume d'eau de mer.

"J'ai fait quelques calculs préliminaires, au dos de l'enveloppe devis, et réalisé que nous aurions juste assez de résolution pour pouvoir le faire, " se souvient Mashayek.

Un traceur, piégé

Les chercheurs ont utilisé le modèle de circulation générale du MIT, un modèle numérique conçu pour étudier l'atmosphère terrestre, océan, et le climat—comme cadre, et y a programmé toutes les forces extérieures connues pour exister dans l'océan Austral, y compris les modèles de vent, chauffage solaire, évaporation, et les précipitations. Ils ont ensuite intégré les mesures de l'expérience DIMES dans le modèle et extrapolé la turbulence dans toute la région océanique, étant donné la topographie sous-jacente.

L'équipe a ensuite placé un traceur dans son modèle au même endroit où le vrai traceur a été relâché dans l'océan Austral, et a observé que, En effet, il s'étend verticalement, au même rythme que les chercheurs ont observé sur le terrain, prouvant que le modèle représentait la turbulence réelle de l'océan.

En regardant de plus près leurs simulations, les chercheurs ont observé que les régions à topographie telles que les monts sous-marins et les crêtes piégeaient essentiellement le traceur pendant de longues périodes, le secouer et le mélanger verticalement, avant que le traceur ne s'échappe et dérive dans des eaux plus calmes.

Les chercheurs pensent que la turbulence qui se produit dans ces régions isolées sur de longues périodes de temps peut atteindre la quantité totale de mélange initialement prévue par Munk. Ce processus de mélange peut ainsi expliquer comment les eaux des grands fonds océaniques remontent à la surface.

« L'upwelling induit par le mélange est pertinent à l'échelle mondiale, " dit Mashayek. " Si notre découverte dans l'océan Austral s'étend à d'autres points chauds de mélange autour du globe, cela modifiera quelque peu notre compréhension du rôle du mélange turbulent dans la circulation océanique renversante. Cela a également des implications importantes pour la paramétrisation des processus de mélange dans les modèles climatiques. »

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.