6Un océan en couches

Un jour d’été, on nage au large d’une plage dans une eau agréablement chaude. Puis on laisse pendre ses jambes — et les pieds trouvent une eau soudain froide, deux mètres à peine sous la surface. La mer n’est pas mélangée de haut en bas : elle est faite de couches, chaudes et légères en haut, froides et denses en bas. En plein océan, ce même étagement descend sur des kilomètres, et il décide où la mer est un désert et où elle grouille de vie. Ce chapitre étudie l’océan en profondeur : comment on le mesure, comment sa température et sa salinité changent vers le bas, pourquoi les couches sont stables, et où l’eau froide des profondeurs remonte vers la surface.

Tu sais déjà

L’eau de mer contient des sels dissous : sa salinité, environ 35 grammes de sel par kilogramme d’eau de mer en moyenne, varie d’une mer à l’autre. Les vents entraînent les courants de surface et les grands gyres circulaires ; des courants profonds d’eau froide et salée avancent lentement le long du fond de l’océan (livre 1, année 8). La masse volumique est la masse divisée par le volume (les livres de physique). Le phytoplancton, fait d’algues microscopiques, a besoin de lumière et de sels minéraux nutritifs pour croître par photosynthèse, et il nourrit le reste des chaînes alimentaires de l’océan (les livres de biologie).

6.1 Mesurer l’océan

L’océan couvre environ $362$ millions de $\mathrm{km}^{2}$ et sa profondeur moyenne est de $3682\,\mathrm{m}$ : quelque $1.33$ milliard de $\mathrm{km}^{3}$ d’eau. L’essentiel se trouve bien au-delà de la portée de la lumière, et on ne peut le mesurer qu’en y descendant des instruments.

Depuis un navire, les océanographes descendent au bout d’un câble un cadre portant des capteurs qui mesurent la conductivité de l’eau (dont on déduit sa salinité), sa température et la pression (donc la profondeur), entouré d’une couronne de bouteilles que l’on ferme à des profondeurs choisies pour rapporter à bord des échantillons d’eau. Depuis l’an 2000, une flotte de flotteurs robotisés a ajouté des millions de profils : chaque flotteur dérive avec les courants à $1000\,\mathrm{m}$ de profondeur, plonge tous les dix jours environ jusqu’à $2000\,\mathrm{m}$, puis remonte à la surface en mesurant température et salinité au passage, et transmet son profil par satellite.

Chiffres de 2026

Le réseau international Argo compte près de 4000 flotteurs actifs ; son trois millionième profil a été recueilli en juillet 2024.

Moyennés sur des décennies de mesures, ces profils donnent une image de l’océan en profondeur. Les profils de ce chapitre sont de telles moyennes, tirées du World Ocean Atlas 2023 des NOAA National Centers for Environmental Information.

6.2 La température en profondeur

La lumière solaire chauffe l’océan par le haut, dans sa couche de surface. Le vent et les vagues brassent cette eau chaude en une couche de température presque uniforme. En dessous, la température chute vite sur quelques centaines de mètres ; plus bas encore, elle baisse lentement jusqu’à l’eau froide qui remplit les bassins océaniques.

Définition 6.1 (Couche de mélange)

La couche de mélange est la couche de surface de l’océan, brassée par le vent et les vagues, dans laquelle la température et la salinité varient à peine avec la profondeur.

Définition 6.2 (Thermocline ; halocline ; pycnocline ; océan profond)

La thermocline est la couche située sous la couche de mélange, dans laquelle la température chute vite avec la profondeur. La couche dans laquelle la salinité change vite avec la profondeur est une halocline ; la couche dans laquelle la masse volumique augmente vite avec la profondeur est la pycnocline. En dessous s’étend l’océan profond, froid et lentement changeant.

Dans le Pacifique tropical, la couche de mélange est à $29.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ et épaisse d’environ $60\,\mathrm{m}$ ; entre $70\,\mathrm{m}$ et $300\,\mathrm{m}$, la température baisse de près de dix-neuf degrés, et à $1000\,\mathrm{m}$ elle n’est plus que de $4.5{}^{\circ}\mathrm{C}$. Dans l’Atlantique Nord, la surface est plus fraîche et la baisse plus progressive. Dans l’océan Arctique, toute la colonne reste à moins de deux degrés de $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ : il n’y a pour ainsi dire pas de couche de surface chaude.

Méthode 6.3 (Lire un profil océanique)

1. Repérer les axes : la profondeur augmente vers le bas, la grandeur mesurée se lit en haut.
2. La couche de mélange est la partie haute où la courbe est presque verticale ; sa profondeur est celle où la courbe commence à s’infléchir (une règle courante : là où la température a baissé de $0.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ par rapport à sa valeur de surface).
3. La thermocline est là où la courbe est la plus proche de l’horizontale : le plus grand changement sur la plus petite profondeur.
4. Plus bas, lire les valeurs profondes et comparer les sites à la même profondeur.

La couche de mélange change avec les saisons. En hiver, la surface perd de la chaleur, les tempêtes brassent la mer, et la couche de mélange s’approfondit ; en été, le soleil réchauffe une mince couche de surface que les vents, plus doux, ne peuvent mélanger vers le bas, et une thermocline saisonnière se forme près de la surface — l’eau froide que trouvent les pieds du nageur.

6.3 Salinité et masse volumique

La masse volumique de l’eau de mer dépend de sa température et de sa salinité. On la calcule par une formule adoptée au niveau international, l’équation d’état de l’eau de mer, ajustée sur des mesures de laboratoire.

Proposition 6.4 (Masse volumique de l’eau de mer)

La masse volumique de l’eau de mer augmente avec sa salinité et diminue quand sa température s’élève. À la pression de la surface, une eau de mer de salinité 35 a une masse volumique de $1028.1\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ et de $1023.3\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; l’eau pure à $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ a une masse volumique de $1000.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

Le graphique montre deux choses. Une unité de salinité ajoute environ $0.8\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Un degré de réchauffement retire environ $0.31\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $25{}^{\circ}\mathrm{C}$, $0.18\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $10{}^{\circ}\mathrm{C}$, mais seulement $0.06\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ près de $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ : dans les mers chaudes, c’est la température qui commande la masse volumique, dans les mers froides, c’est la salinité.

Remarque 6.5

Les masses volumiques de ce chapitre sont calculées à la pression de la surface. La pression de l’eau située au-dessus comprime un peu l’eau de mer, d’environ $4\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ par kilomètre de profondeur ; les océanographes comparent les masses d’eau à la même pression, pour que seules la température et la salinité comptent.

Dans le Pacifique tropical, la pycnocline coïncide avec la thermocline. Dans l’océan Arctique, la température change à peine, mais la salinité passe de 28 en surface, adoucie par les fleuves et la fonte des glaces, à 34.8 à $500\,\mathrm{m}$ : la halocline est la pycnocline. Dans chaque cas, la masse volumique augmente vers le bas.

Définition 6.6 (Stratification)

L’océan est stratifié quand sa masse volumique augmente avec la profondeur : l’eau plus légère repose sur l’eau plus dense, en couches.

Un océan stratifié est stable. Une parcelle d’eau poussée vers le bas dans une eau plus dense est plus légère que son environnement et remonte ; une parcelle poussée vers le haut redescend. Pour mélanger les couches, le vent doit lutter contre cet effet, et plus la pycnocline est marquée, plus c’est difficile : la thermocline est un couvercle qui sépare la surface de l’océan profond. L’océan profond est rempli d’une eau qui a plongé il y a longtemps depuis les mers polaires froides, où l’eau de surface devient assez dense pour couler (livre 1, année 8).

6.4 Les remontées d’eau

Définition 6.7 (Remontée d’eau)

Une remontée d’eau (on dit aussi « upwelling ») est la montée d’eau froide venue de sous la couche de surface, pour remplacer l’eau de surface que le vent repousse. Elle se produit le long de certaines côtes et en plein océan.

Le long d’une côte, le vent qui souffle parallèlement au rivage entraîne l’eau de surface ; à cause de la rotation de la Terre, l’eau ne suit pas simplement le vent mais en est déviée, vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud (le mécanisme est l’objet des volumes universitaires). Au large du Pérou, le vent souffle le long du rivage vers l’équateur, et l’eau de surface est repoussée vers le large ; de l’eau froide remonte près de la côte pour prendre sa place. Des remontées d’eau se produisent aussi le long de l’équateur, où les alizés écartent l’eau de surface de part et d’autre.

L’eau qui remonte n’est pas seulement froide. Sous la couche de surface éclairée, les restes de plancton mort qui coulent et se décomposent libèrent les sels minéraux nutritifs dont le phytoplancton a besoin. Ramenés à la lumière, ces nutriments font des régions de remontée d’eau les eaux les plus productives de l’océan, avec les zones de pêche les plus riches. Là où l’océan est fortement stratifié et où rien ne fait remonter l’eau profonde, la couche éclairée s’épuise en nutriments : le centre des gyres subtropicaux est le désert de l’océan.

6.5 Exercices

Exercice 6.1 ★

Définir la couche de mélange et la thermocline. Qu’est-ce qui brasse la couche de mélange ?

Solution

Solution de Exercice 6.1.

La couche de mélange est la couche de surface de l’océan dans laquelle la température et la salinité varient à peine avec la profondeur ; la thermocline est la couche située en dessous, dans laquelle la température chute vite avec la profondeur. Le vent et les vagues brassent la couche de mélange (aidés en hiver par le refroidissement de la surface).

Exercice 6.2 ★

Définir une remontée d’eau. Pourquoi les eaux des régions de remontée d’eau sont-elles riches en vie ?

Solution

Solution de Exercice 6.2.

Une remontée d’eau est la montée d’eau froide venue de sous la couche de surface, qui remplace l’eau de surface repoussée par le vent. L’eau qui remonte apporte des sels minéraux nutritifs dans la couche éclairée, où le phytoplancton les utilise pour croître ; le phytoplancton nourrit le reste de la chaîne alimentaire.

Exercice 6.3 ★

À l’aide des profils de température des trois sites, donner la température en surface et à $1000\,\mathrm{m}$ dans le Pacifique tropical et dans l’océan Arctique.

Solution

Solution de Exercice 6.3.

Pacifique tropical : environ $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ en surface et $4.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $1000\,\mathrm{m}$. Océan Arctique : environ $-1.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ en surface et près de $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $1000\,\mathrm{m}$.

Exercice 6.4 ★

Laquelle est la plus dense, une eau de mer de salinité 35 à $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ ou à $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? Une eau de mer de salinité 35 ou de l’eau pure, à la même température ? Utiliser les valeurs du chapitre.

Solution

Solution de Exercice 6.4.

À $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ ($1028.1\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ contre $1023.3\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $25{}^{\circ}\mathrm{C}$). L’eau de mer : à $4{}^{\circ}\mathrm{C}$, l’eau pure a une masse volumique de $1000.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, l’eau de mer de salinité 35 environ $1027.8\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ (lu sur le graphique).

Exercice 6.5 ★

Expliquer comment un flotteur profileur mesure un profil de l’océan, et pourquoi les flotteurs sont utiles là où les navires vont rarement.

Solution

Solution de Exercice 6.5.

Le flotteur dérive à $1000\,\mathrm{m}$, plonge à $2000\,\mathrm{m}$, puis remonte à la surface en mesurant au passage la température, la salinité (déduite de la conductivité) et la pression ; en surface, il transmet son profil par satellite et replonge. Les flotteurs dérivent avec les courants dans tout l’océan et fonctionnent pendant des années, en toutes saisons, loin des routes maritimes.

Exercice 6.6 ★★

L’océan couvre $361.84$ millions de $\mathrm{km}^{2}$ avec une profondeur moyenne de $3682\,\mathrm{m}$. Calculer son volume en kilomètres cubes. Quelle fraction de sa profondeur représentent les $100\,\mathrm{m}$ supérieurs ?

Solution

Solution de Exercice 6.6.

$361.84\times10^6 \times 3.682 \approx 1.33 \times 10^{9}\,\mathrm{km}^{3}$, environ $1.33$ milliard de kilomètres cubes. $100/3682 \approx 0.027$ : moins de $3\,\%$ de la profondeur moyenne.

Exercice 6.7 ★★

Dans le profil d’août de l’Atlantique Nord, la température vaut $22.7{}^{\circ}\mathrm{C}$ en surface, $22.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $15\,\mathrm{m}$, $21.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $20\,\mathrm{m}$ et $17.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $50\,\mathrm{m}$. À l’aide de la règle de la méthode, estimer la profondeur de la couche de mélange. Quel est le rythme moyen de baisse de la température entre $20\,\mathrm{m}$ et $50\,\mathrm{m}$, en degrés par mètre ?

Solution

Solution de Exercice 6.7.

$22.7 - 0.5 = 22.2{}^{\circ}\mathrm{C}$, atteint à $15\,\mathrm{m}$ : la couche de mélange a environ $15\,\mathrm{m}$ de profondeur. Entre $20\,\mathrm{m}$ et $50\,\mathrm{m}$ : $(21.8 - 17.3)/30 = 0.15{}^{\circ}\mathrm{C}$ par mètre.

Exercice 6.8 ★★

Au même site de l’Atlantique Nord, la surface est à $15.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ en février et à $22.7{}^{\circ}\mathrm{C}$ en août, tandis qu’à $300\,\mathrm{m}$ elle est à $13.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ les deux mois. Expliquer pourquoi l’eau profonde ne suit pas les saisons, et pourquoi la couche de mélange d’hiver est bien plus profonde que celle d’été.

Solution

Solution de Exercice 6.8.

Le soleil ne chauffe que la couche de surface, et le réchauffement et le refroidissement saisonniers ne se répartissent que dans la couche de mélange : sous la thermocline, l’eau en est coupée. En hiver, la surface se refroidit, devient plus dense et plonge dans l’eau sous-jacente, et les tempêtes brassent la mer : le mélange descend profond. En été, le soleil réchauffe une couche de surface légère qui flotte sur l’eau plus froide ; les vents, plus doux, ne peuvent l’enfoncer, et la couche de mélange reste mince.

Exercice 6.9 ★★

Vers $10{}^{\circ}\mathrm{C}$, une unité de salinité ajoute $0.78\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à la masse volumique et un degré de réchauffement en retire $0.18\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Combien de degrés de réchauffement compensent une unité de salinité ? Répondre à la même question vers $0{}^{\circ}\mathrm{C}$, où un degré ne retire que $0.06\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Que peut-on en conclure pour les mers polaires ?

Solution

Solution de Exercice 6.9.

$0.78/0.18 \approx 4.3$ degrés vers $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $0.78/0.06 = 13$ degrés vers $0{}^{\circ}\mathrm{C}$. Dans les mers polaires froides, de petites variations de salinité comptent bien plus pour la masse volumique que les variations de température : c’est la salinité qui y commande l’étagement.

Exercice 6.10 ★★

Dans l’océan Arctique, l’eau de surface est à $-1.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ avec une salinité de 28.1, et l’eau à $200\,\mathrm{m}$ à $-1.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ avec une salinité de 33.3. Leurs masses volumiques sont $1022.6\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ et $1026.8\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Qu’est-ce qui rend l’eau profonde plus dense ? Nommer la couche qui les sépare.

Solution

Solution de Exercice 6.10.

La température est la même : l’eau profonde est plus dense parce qu’elle est plus salée (33.3 contre 28.1). La couche qui les sépare, où la salinité change vite avec la profondeur, est une halocline ; ici, c’est aussi la pycnocline.

Exercice 6.11 ★★

Expliquer pourquoi un océan stratifié est stable, à l’aide d’une parcelle d’eau de surface poussée vers le bas par une vague.

Solution

Solution de Exercice 6.11.

Poussée vers le bas, la parcelle garde sa température et sa salinité, donc sa masse volumique. Entourée d’eau plus dense, elle est plus légère que l’eau qu’elle déplace : la poussée d’Archimède la ramène à son propre niveau. Une parcelle poussée vers le haut serait plus dense que son nouvel environnement et redescendrait. Les couches sont stables.

Exercice 6.12 ★★★

Un litre d’eau de mer de salinité 35 à $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ est chauffé à $25{}^{\circ}\mathrm{C}$. À l’aide des masses volumiques du chapitre, calculer sa masse, puis son nouveau volume. De combien s’est-il dilaté, en millilitres ? Une couche d’océan de $700\,\mathrm{m}$ d’épaisseur se réchauffe dans la même proportion : de combien son épaisseur augmente-t-elle ? (C’est une forte exagération du réchauffement réel de l’océan, utilisée ici seulement pour montrer l’effet.)

Solution

Solution de Exercice 6.12.

Masse : $0.001 \times 1028.1 = 1.0281\,\mathrm{kg}$. Nouveau volume : $1.0281/1023.3 \approx 0.001\,004\,7\,\mathrm{m}^{3}$, environ $1004.7\,\mathrm{mL}$ : il s’est dilaté d’environ $4.7\,\mathrm{mL}$, soit $0.47\,\%$. La couche de $700\,\mathrm{m}$ s’épaissirait de $700 \times 0.0047 \approx 3.3\,\mathrm{m}$.

Exercice 6.13 ★★★

Dans le Pacifique tropical, la masse volumique vaut $1021.6\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $50\,\mathrm{m}$ et $1026.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à $200\,\mathrm{m}$ ; dans l’Atlantique Nord en février, la température change à peine sur les $150\,\mathrm{m}$ supérieurs. Dans lequel des deux une tempête aurait-elle le plus de facilité à brasser l’eau jusqu’à $150\,\mathrm{m}$ ? Expliquer.

Solution

Solution de Exercice 6.13.

Dans l’Atlantique Nord en février. Les $150\,\mathrm{m}$ supérieurs y ont presque la même température, donc presque la même masse volumique : les brasser coûte peu. Dans le Pacifique tropical, la masse volumique augmente de $1026.0 - 1021.6 = 4.4\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ entre $50\,\mathrm{m}$ et $200\,\mathrm{m}$ : une pycnocline marquée, et la tempête devrait enfoncer de l’eau légère dans une eau bien plus dense.

Exercice 6.14 ★★★

Sur la carte de la chlorophylle, trouver deux régions riches en chlorophylle en plein océan, loin de toute côte, et une vaste région très pauvre en chlorophylle. À l’aide du chapitre, expliquer chacune.

Solution

Solution de Exercice 6.14.

Chlorophylle abondante loin des côtes : la bande qui longe l’équateur dans le Pacifique (et dans l’Atlantique), où les alizés entretiennent une remontée d’eau ; et les hautes latitudes, comme l’Atlantique Nord, où la couche de mélange d’hiver descend profond et fait remonter les nutriments. Chlorophylle très faible : le centre des gyres subtropicaux, fortement stratifiés, où rien ne fait remonter l’eau profonde et où la couche éclairée s’est épuisée en nutriments.

Exercice 6.15 ★★★

On suppose qu’un flotteur plonge de $1000\,\mathrm{m}$ à $2000\,\mathrm{m}$ en six heures, puis remonte à la surface en dix heures. Calculer sa vitesse verticale moyenne dans chaque phase, en centimètres par seconde. S’il fait une mesure toutes les $2\,\mathrm{s}$ pendant la remontée, combien de mesures un profil contient-il, et quelle profondeur en sépare deux en moyenne ?

Solution

Solution de Exercice 6.15.

Plongée : $1000/(6 \times 3600) \approx 0.046\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, environ $4.6\,\mathrm{cm}/\mathrm{s}$. Remontée : $2000/(10 \times 3600) \approx 0.056\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$, environ $5.6\,\mathrm{cm}/\mathrm{s}$. $36\,000/2 = 18\,000$ mesures, espacées en moyenne de $2000/18\,000 \approx 0.11\,\mathrm{m}$.

6.6 Problème : une station au large du Pérou

Problème 6.1

Problème du week-end — deux profils du Pacifique Sud

Le tableau donne la température et la salinité moyennes, ainsi que la masse volumique calculée à la pression de la surface, en deux lieux du Pacifique Sud : au large du Pérou ($13.5{}^{\circ}\mathrm{S}$, $77.5{}^{\circ}\mathrm{O}$) et au milieu du gyre subtropical ($20.5{}^{\circ}\mathrm{S}$, $110.5{}^{\circ}\mathrm{O}$).

	au large du Pérou			gyre
profondeur ($\mathrm{m}$)	${}^{\circ}\mathrm{C}$	salinité	$\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$	${}^{\circ}\mathrm{C}$	salinité	$\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$
0	19.0	35.08	1025.08	24.0	36.41	1024.71
25	17.4	35.06	1025.47	23.9	36.39	1024.73
50	15.8	35.03	1025.83	23.6	36.38	1024.80
100	13.7	34.93	1026.20	22.6	36.27	1025.02
200	12.4	34.89	1026.44	20.3	35.80	1025.30
300	11.1	34.80	1026.62	14.4	34.76	1025.92
500	7.9	34.60	1026.97	7.1	34.39	1026.92

Partie I — Lire les profils.

1. Quel site est le plus chaud en surface, et de combien ?
2. Quel site est le plus éloigné de l’équateur ? L’écart de température de surface est-il celui qu’on attendrait des seules latitudes ?
3. À l’aide de la règle de la méthode, estimer la profondeur de la couche de mélange dans le gyre.
4. Y a-t-il une couche de mélange au large du Pérou ? Décrire les $100\,\mathrm{m}$ supérieurs.
5. Entre quelles profondeurs la température baisse-t-elle le plus vite dans le gyre ? Donner le rythme, en degrés par centaine de mètres.
6. À quelle profondeur, à peu près, se trouve l’eau à $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur chaque site ?

Partie II — Les masses volumiques.

7. Vérifier que la masse volumique augmente avec la profondeur sur les deux sites. Qu’est-ce que cela indique sur leur stabilité ?
8. Dans le gyre, l’eau de surface est plus salée qu’au large du Pérou. Cela devrait-il la rendre plus dense ou plus légère ? Est-elle plus dense ?
9. Expliquer lequel des deux effets l’emporte.
10. Calculer l’augmentation de la masse volumique de la surface à $200\,\mathrm{m}$ au large du Pérou.
11. Calculer la même augmentation dans le gyre.

Partie III — Deux stratifications comparées.

12. Dans le gyre, où se trouve l’essentiel de l’augmentation de masse volumique des $500\,\mathrm{m}$ supérieurs : au-dessus ou en dessous de $200\,\mathrm{m}$ ?
13. Au large du Pérou, où se trouve-t-il ?
14. À $500\,\mathrm{m}$, comparer les deux sites. Que cela suggère-t-il sur l’eau profonde située sous les deux ?
15. Expliquer en quelques phrases comment la thermocline a été soulevée vers la surface au large du Pérou.
16. Le phytoplancton vit dans les quelques dizaines de mètres supérieurs. Sur quel site l’eau riche en nutriments venue de sous la thermocline est-elle à portée du brassage par le vent ? Expliquer.

Partie IV — Pourquoi les eaux péruviennes sont productives.

17. À quoi ressemblerait l’eau de surface au large du Pérou si le vent cessait de souffler le long du rivage pendant des mois ?
18. À l’aide de la carte de la chlorophylle, comparer les deux sites.
19. Expliquer pourquoi le gyre est appelé un désert de l’océan bien qu’il soit inondé de lumière solaire.
20. Calculer le rapport des augmentations de masse volumique de la surface à $200\,\mathrm{m}$ au large du Pérou et dans le gyre, et dire ce qu’il montre.

Solution

Solution de Problème 6.1.

1. Le gyre, de $24.0 - 19.0 = 5.0{}^{\circ}\mathrm{C}$.

2. Le gyre ($20.5{}^{\circ}\mathrm{S}$ contre $13.5{}^{\circ}\mathrm{S}$). Plus éloigné de l’équateur, il devrait être le plus frais : les seules latitudes ne peuvent expliquer qu’il soit plus chaud de $5{}^{\circ}\mathrm{C}$.

3. $24.0 - 0.5 = 23.5{}^{\circ}\mathrm{C}$, atteint entre $50\,\mathrm{m}$ (23.6) et $100\,\mathrm{m}$ (22.6), vers $50 + 50 \times 0.1/1.0 = 55\,\mathrm{m}$.

4. Non : la température baisse régulièrement dès la surface, de $1.6{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur les $25\,\mathrm{m}$ supérieurs et de $5.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur les $100\,\mathrm{m}$ supérieurs ; la thermocline commence à la surface.

5. Entre $200\,\mathrm{m}$ et $300\,\mathrm{m}$ : $20.3 - 14.4 = 5.9{}^{\circ}\mathrm{C}$ par centaine de mètres.

6. Au large du Pérou, entre $50\,\mathrm{m}$ et $100\,\mathrm{m}$ : environ $70\,\mathrm{m}$ par interpolation (le profil complet donne $65\,\mathrm{m}$). Dans le gyre, entre $200\,\mathrm{m}$ et $300\,\mathrm{m}$ : environ $200 + 100 \times 5.3/5.9 \approx 290\,\mathrm{m}$.

7. Oui, à tous les niveaux des deux colonnes : l’eau plus légère repose sur l’eau plus dense, et les deux colonnes sont stables.

8. Une eau plus salée devrait être plus dense ; pourtant l’eau de surface du gyre est plus légère : $1024.71\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ contre $1025.08\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

9. L’eau du gyre est plus salée d’environ 1.3 unité, ce qui ajoute environ $1.3 \times 0.8 \approx 1.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ; elle est plus chaude de $5{}^{\circ}\mathrm{C}$, ce qui retire environ $5 \times 0.27 \approx 1.4\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ à ces températures. La température l’emporte.

10. $1026.44 - 1025.08 = 1.36\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

11. $1025.30 - 1024.71 = 0.59\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

12. De la surface à $500\,\mathrm{m}$, la masse volumique augmente de $1026.92 - 1024.71 = 2.21\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, dont seulement $0.59\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ au-dessus de $200\,\mathrm{m}$ : l’essentiel, $1.62\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, se trouve sous $200\,\mathrm{m}$, dans la thermocline entre $200\,\mathrm{m}$ et $500\,\mathrm{m}$.

13. Au large du Pérou, la masse volumique augmente de $1026.97 - 1025.08 = 1.89\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ de la surface à $500\,\mathrm{m}$, dont $1.36\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ dans les $200\,\mathrm{m}$ supérieurs : l’essentiel se trouve près de la surface.

14. À $500\,\mathrm{m}$, les deux sites sont très semblables ($7.9{}^{\circ}\mathrm{C}$ et $7.1{}^{\circ}\mathrm{C}$, $1026.97\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ et $1026.92\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$) : la même eau froide s’étend sous les deux ; la différence tient à la distance à laquelle elle s’approche de la surface.

15. Le vent qui souffle le long du rivage vers l’équateur repousse l’eau de surface vers le large ; de l’eau venue d’en dessous remonte près de la côte pour prendre sa place. L’eau froide de la thermocline est aspirée vers le haut, si bien que la thermocline remonte en pente vers la côte et atteint presque la surface.

16. Au large du Pérou : de l’eau à $13{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $15{}^{\circ}\mathrm{C}$, venue de sous la thermocline, se trouve dans les $100\,\mathrm{m}$ supérieurs, à portée du brassage par le vent et de la lumière. Dans le gyre, elle se trouve sous $250\,\mathrm{m}$, sous une couche chaude et légère que le vent ne peut brasser aussi profond.

17. La remontée d’eau cesserait : l’eau de surface se réchaufferait au soleil, une couche chaude et légère se formerait en haut, et l’apport de nutriments à la couche éclairée s’amenuiserait.

18. La côte du Pérou est bleu clair à jaune (beaucoup de chlorophylle) ; le milieu du gyre du Pacifique Sud compte parmi les régions les plus foncées de la carte (très peu).

19. Le phytoplancton a besoin de nutriments autant que de lumière. Dans le gyre, la forte stratification maintient l’eau profonde, riche en nutriments, bien en dessous de la couche éclairée, et les nutriments de la couche de surface sont épuisés depuis longtemps.

20. $1.36/0.59 \approx 2.3$ : l’augmentation de masse volumique sur les $200\,\mathrm{m}$ supérieurs est environ 2.3 fois plus grande au large du Pérou que dans le gyre. La pycnocline, avec l’eau froide et riche en nutriments qui se trouve sous elle, a été soulevée dans les $200\,\mathrm{m}$ supérieurs au large du Pérou, tandis que dans le gyre elle se trouve plus profond, sous $200\,\mathrm{m}$.