Les tourbillons sont souvent considérés comme le temps de l'océan. Comme les circulations à grande échelle dans l'atmosphère, les tourbillons tourbillonnent dans l'océan sous forme de cyclones marins lents, balayant les nutriments et la chaleur, et les transporter à travers le monde.

Dans la plupart des océans, les tourbillons sont observés à toutes les profondeurs et sont plus forts en surface. Mais depuis les années 1970, les chercheurs ont observé un schéma particulier dans l'Arctique :en été, Les tourbillons arctiques ressemblent à leurs homologues des autres océans, surgissant dans toute la colonne d'eau. Cependant, avec le retour des glaces d'hiver, Les eaux arctiques deviennent calmes, et les tourbillons sont introuvables dans les 50 premiers mètres sous la glace. Pendant ce temps, les couches plus profondes continuent de secouer les remous, pas affecté par le changement brusque des eaux moins profondes.

Ce changement saisonnier de l'activité des tourbillons arctiques a intrigué les scientifiques pendant des décennies. Maintenant, une équipe du MIT a une explication. Dans un article publié aujourd'hui dans le Journal d'océanographie physique , les chercheurs montrent que les principaux ingrédients du comportement tourbillonnaire dans l'Arctique sont la friction des glaces et la stratification des océans.

En modélisant la physique de l'océan, ils ont découvert que la glace hivernale agit comme un frein à friction, ralentir les eaux de surface et les empêcher de se transformer en tourbillons turbulents. Cet effet ne va que si profond; entre 50 et 300 mètres de profondeur, les chercheurs ont trouvé, l'océan est salé, des couches plus denses agissent pour isoler l'eau des effets de friction, permettant aux tourbillons de tourbillonner toute l'année.

Les résultats mettent en évidence une nouvelle connexion entre l'activité des tourbillons, Glace arctique, et la stratification des océans, qui peuvent maintenant être pris en compte dans les modèles climatiques pour produire des prévisions plus précises de l'évolution de l'Arctique avec le changement climatique.

« Alors que l'Arctique se réchauffe, ce mécanisme de dissipation des tourbillons, c'est-à-dire la présence de glace, s'en ira, car la glace ne sera pas là en été et sera plus mobile en hiver, " dit John Marshall, professeur d'océanographie au MIT. « Donc, ce que nous nous attendons à voir évoluer dans le futur, c'est un Arctique qui est beaucoup plus vigoureusement instable, et cela a des implications pour la dynamique à grande échelle du système arctique. »

Les co-auteurs de Marshall sur le papier incluent l'auteur principal Gianluca Meneghello, chercheur au Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires, avec Camille Lique, Pal Erik Isachsen, Edward Doddridge, Jean-Michel Campin, Santé Regan, et Claude Talandier.

Sous la surface

Pour leur étude, les chercheurs ont rassemblé des données sur l'activité océanique de l'Arctique qui ont été mises à disposition par la Woods Hole Oceanographic Institution. Les données ont été collectées entre 2003 et 2018, à partir de capteurs mesurant la vitesse de l'eau à différentes profondeurs dans toute la colonne d'eau.

L'équipe a fait la moyenne des données pour produire une série chronologique afin de produire une année typique des vitesses de l'océan Arctique avec la profondeur. A partir de ces constats, une tendance saisonnière claire a émergé :pendant les mois d'été avec très peu de couverture de glace, ils ont vu des vitesses élevées et plus d'activité de tourbillon à toutes les profondeurs de l'océan. En hiver, à mesure que la glace grandissait et augmentait en épaisseur, les eaux peu profondes se sont arrêtées, et les tourbillons ont disparu, tandis que les eaux plus profondes ont continué à montrer une activité à grande vitesse.

"Dans la plus grande partie de l'océan, ces tourbillons s'étendent jusqu'à la surface, " dit Marshall. " Mais pendant l'hiver arctique, nous constatons que les tourbillons vivent en quelque sorte sous la surface, comme des sous-marins qui traînent en profondeur, et ils ne remontent pas jusqu'à la surface."

Pour voir ce qui pourrait être à l'origine de ce curieux changement saisonnier de l'activité des tourbillons, les chercheurs ont effectué une "analyse d'instabilité barocline". Ce modèle utilise un ensemble d'équations décrivant la physique de l'océan, et détermine comment les instabilités, tels que les systèmes météorologiques dans l'atmosphère et les tourbillons dans l'océan, évoluer dans des conditions données.

Un frottement glacial

Les chercheurs ont branché diverses conditions dans le modèle, et pour chaque condition, ils ont introduit de petites perturbations similaires aux ondulations des vents de surface ou d'un bateau qui passe, à différentes profondeurs océaniques. Ils ont ensuite fait avancer le modèle pour voir si les perturbations évolueraient vers de plus grandes, tourbillons plus rapides.

Les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils ont branché à la fois l'effet de friction de la glace de mer et l'effet de la stratification, comme dans les couches de densité variable des eaux arctiques, le modèle a produit des vitesses d'eau qui correspondent à ce que les chercheurs ont initialement vu dans les observations réelles. C'est-à-dire, ils ont vu que sans friction de la glace, des tourbillons se sont formés librement à toutes les profondeurs de l'océan. Avec l'augmentation du frottement et de l'épaisseur de la glace, les eaux ont ralenti et les tourbillons ont disparu dans les 50 premiers mètres de l'océan. Au-dessous de cette limite, où la densité de l'eau, c'est-à-dire sa stratification, change radicalement, les tourbillons continuaient de tourbillonner.

Quand ils ont branché d'autres conditions initiales, comme une stratification moins représentative de l'océan Arctique réel, les résultats du modèle correspondaient moins bien aux observations.

"Nous sommes les premiers à proposer une explication simple à ce que nous voyons, c'est-à-dire que les tourbillons souterrains restent vigoureux toute l'année, et les tourbillons de surface, dès qu'il y a de la glace, se frotter à cause des effets de friction, ", explique Marshall.

Maintenant qu'ils ont confirmé que la friction et la stratification de la glace ont un effet sur les tourbillons arctiques, les chercheurs pensent que cette relation aura un impact important sur le façonnement de l'Arctique au cours des prochaines décennies. D'autres études ont montré que la glace arctique estivale, recule déjà plus vite d'année en année, disparaîtra complètement d'ici 2050. Avec moins de glace, les eaux seront libres de tourbillonner en tourbillons, en surface et en profondeur. L'augmentation de l'activité tourbillonnaire en été pourrait apporter de la chaleur d'autres parties du monde, réchauffant davantage l'Arctique.

À la fois, l'Arctique hivernal sera recouvert de glace dans un avenir prévisible, note Meneghello. Le réchauffement de l'Arctique entraînera-t-il davantage de turbulences océaniques tout au long de l'année ou une plus grande variabilité au fil des saisons ? Cela dépendra de la force de la banquise.

Indépendamment, « si nous entrons dans un monde où il n'y a pas de glace du tout en été et une glace plus faible en hiver, l'activité de tourbillon va augmenter, " Meneghello dit. "Cela a des implications importantes pour les choses qui se déplacent dans l'eau, comme les traceurs et les nutriments et la chaleur, et des commentaires sur la glace elle-même.