Impacts de la turbulence de sous-mésoéchelle profonde sur la circulation océanique – DEEPER

Pour mieux comprendre ce qui se passe dans les grandes profondeurs de l’océan, le projet DEEPER s’est appuyé sur des simulations numériques très avancées, comparables à des « océans virtuels ». Ces simulations permettent de reproduire le comportement de l’océan de manière réaliste, depuis les grands courants qui traversent les bassins jusqu’aux mouvements beaucoup plus fins, de quelques kilomètres seulement, qui jouent un rôle clé dans le mélange des eaux.

L’enjeu était double : obtenir une résolution suffisamment fine pour représenter ces petits mouvements et les ondes internes qui se propagent en profondeur, tout en couvrant un espace assez vaste pour représenter l’ensemble de l’océan Atlantique. Pour relever ce défi, les chercheurs ont utilisé le modèle numérique CROCO et réalisé plusieurs simulations de plus en plus détaillées, avec des mailles allant de 6 kilomètres à 1 kilomètre. Ces simulations intègrent un relief sous-marin réaliste, l’action du vent, les échanges avec l’atmosphère et l’effet des marées. Pour la première fois, il a ainsi été possible d’étudier à très haute résolution les interactions entre les courants profonds et le relief sur l’ensemble de l’Atlantique, un élément essentiel pour comprendre la circulation des eaux abyssales et leur mélange.

Afin de mieux identifier les mécanismes en jeu, certaines simulations ont été conçues pour isoler le rôle des ondes internes, en les supprimant volontairement. Cette comparaison a permis de mieux distinguer ce qui relève des différents types de mouvements océaniques.

La réalisation de ces « océans numériques » a nécessité des moyens de calcul exceptionnels, mobilisant de puissants supercalculateurs. Les simulations ont produit une quantité de données sans précédent, équivalente à plusieurs millions de films en haute définition. Pour les analyser, des outils informatiques spécifiques ont été développés, permettant de visualiser l’océan en quatre dimensions (espace et temps) et de suivre l’évolution des courants, des tourbillons et des remontées d’eaux profondes.

Enfin, des simulations encore plus détaillées ont été réalisées sur des régions clés de l’Atlantique, comme le Gulf Stream ou la dorsale médio-atlantique, avec une précision allant jusqu’à quelques centaines de mètres. Ces « zooms » ont permis de mieux comprendre comment les petits mouvements locaux influencent le mélange des eaux et, à terme, la circulation océanique à l’échelle du globe.

Le projet DEEPER a permis de faire des progrès décisifs dans la compréhension de l’océan profond, une région encore très mal connue mais essentielle au fonctionnement du climat. Les travaux montrent que la circulation des eaux en profondeur résulte d’une interaction étroite entre les grands courants, le relief sous-marin, les ondes internes et la turbulence, c’est-à-dire les mouvements chaotiques de l’eau.

Un premier résultat important concerne la façon dont l’eau circule près du fond de l’océan. Les résultats du projet ont mis en évidence une organisation commune à l’échelle des grands bassins : l’eau a tendance à s’écouler vers le bas le long des pentes sous-marines, tandis qu’une remontée plus lente se produit au-dessus. Ce mécanisme joue un rôle clé dans la remontée des eaux profondes, l’aération des bassins abyssaux et le lien entre l’océan profond et la circulation à grande échelle. Il montre que les pentes sous-marines sont des zones essentielles pour la transformation des masses d’eau.

Le projet a également révélé l’importance du mélange des eaux en profondeur. Les interactions entre les courants et le relief génèrent une turbulence intense près du fond, notamment autour des monts sous-marins. Ce mélange localisé mais intense permet aux eaux profondes de remonter et influence fortement la dispersion des substances dissoutes, comme les nutriments ou certains éléments chimiques.

Ces résultats montrent que les mécanismes actuellement utilisés dans les modèles climatiques pour représenter ce mélange sont encore incomplets.

DEEPER a aussi mis en lumière le rôle des ondes internes, produites par les marées ou le vent, qui transportent de l’énergie à l’intérieur de l’océan. Ces ondes interagissent avec les courants et le fond marin, alimentant le mélange et dissipant l’énergie des grands mouvements océaniques. La structure des couches proches du fond contrôle ainsi une part importante de l’équilibre énergétique de l’océan.

Les recherches ont également amélioré la compréhension des processus qui transportent des substances issues des sources hydrothermales comme le fer, essentielles à la vie marine. Leur dispersion dépend fortement des courants profonds, des tourbillons et du mélange lié au relief.

Enfin, le projet a mis en évidence l’existence et le rôle majeur de tourbillons profonds, comparables à de gigantesques « bulles » d’eau en rotation. Ces structures peuvent piéger et transporter des masses d’eau et des substances sur de longues distances, contribuant fortement aux échanges et à la variabilité de l’océan profond.

Dans leur ensemble, ces résultats montrent que les petits mouvements en profondeur, longtemps négligés, sont en réalité essentiels pour comprendre la circulation de l’océan, le mélange des eaux et le transport de matière. Les intégrer correctement dans les modèles est une étape clé pour améliorer les prévisions climatiques.

Le projet DEEPER ouvre de nouvelles perspectives pour mieux comprendre et anticiper le fonctionnement de l’océan profond, à des échelles encore largement inexplorées. Grâce à des simulations numériques très détaillées, les chercheurs ont confirmé le rôle central des interactions entre la turbulence, les ondes internes et le relief sous-marin dans l’organisation de la circulation en profondeur.

Ces travaux ont aussi mis en évidence les limites des outils actuels. Pour représenter pleinement les échanges d’énergie et les interactions fines entre ondes et turbulence, des simulations encore plus avancées seront nécessaires. Elles permettront d’étudier les ondes internes et les petits mouvements de l’océan avec un niveau de détail inédit, ouvrant la voie à une compréhension plus complète de la dynamique profonde.

Le projet souligne également l’importance du mélange des eaux abyssales dans la redistribution globale de la chaleur, du carbone et des nutriments. Ces mécanismes influencent directement le climat et la grande circulation océanique mondiale. Ils contrôlent aussi le transport de substances naturelles ou d’origine humaine, comme les éléments chimiques, les polluants ou les déchets plastiques, jusque dans les profondeurs de l’océan.

L’exploitation de volumes de données océaniques sans précédent permet désormais d’analyser l’océan profond dans toutes ses dimensions, à la fois dans l’espace et dans le temps. L’utilisation de l’intelligence artificielle ouvre des perspectives nouvelles, comme la détection automatique des zones de mélange intense, la prévision de la dispersion des substances dissoutes ou des plastiques, et le développement d’un véritable « jumeau numérique » de l’océan profond, capable de simuler et d’anticiper son évolution presque en temps réel.

Ces avancées offrent des perspectives concrètes pour améliorer les modèles climatiques, mieux représenter la circulation profonde et les transformations des masses d’eau, et fournir des outils utiles à une gestion plus durable des océans. Elles contribueront notamment à un meilleur suivi du carbone, des nutriments et des plastiques, et à une meilleure anticipation des effets du changement climatique et de la pollution sur les écosystèmes des grands fonds.

La circulation méridienne de retournement contrôle les flux de chaleur et de carbone dans l'océan sur de longues périodes. Les eaux denses qui plongent dans les abysses aux hautes latitudes doivent remonter à la surface. La vision classique est que cette remontée des eaux abyssales est due au mélange turbulent associé au déferlement des ondes internes dans l’océan intérieur. Mais cela a été contredit par les observations, et un nouveau paradigme a émergé au cours des dernières années: la branche profonde de la circulation est façonnée par des processus turbulents très localisés qui génèrent un mélange près du fond de l'océan. Cependant, ces processus turbulents de fine échelle ne sont pas bien compris ni paramétrisés, ce qui limite la précision des modèles océaniques et climatiques. Les études théoriques commencent à mettre en évidence le rôle joué par ces processus de sous-méso-échelle (< 30 km) dans la couche de fond océanique. Mais il manque encore une vision claire de cette phénoménologie et des impacts sur la circulation de grande échelle.

Les objectifs du projet DEEPER sont (1) de quantifier les impacts des processus de sous-méso-échelle profonds sur le mélange et les transformations de masses d'eau, (2) d'explorer les moyens de paramétriser ces impacts en utilisant des méthodes d'apprentissage automatique.

Des simulations numériques seront utilisées pour caractériser les processus de sous-méso-échelle et leurs interactions avec les ondes internes dans l'océan profond à l’aide du modèle CROCO. Ce problème nécessite des simulations qui résolvent les processus de sous-méso-échelle (1-30 km), et un domaine suffisamment vaste pour générer des niveaux réalistes d'ondes internes et permettre d'évaluer les impacts sur la circulation à grande échelle. Ce sera la première fois qu'un modèle avec coordonnées verticales suivant la topographie - particulièrement avantageux pour étudier les interactions courant-topographie - sera utilisé à une résolution inférieure au kilomètre sur un domaine aussi vaste que l'océan Atlantique.

Nous quantifierons comment les processus sous-méso-échelle et les ondes internes modifient les budgets d'énergie et de flottabilité, le mélange et les transformations de masse d'eau. Nous caractériserons l'impact des flux de vorticité potentielle liés aux processus diabatiques de fond sur la circulation de grande échelle. Nous caractériserons ensuite les processus responsables du mélange dans les différentes régions de l'océan Atlantique: déferlement de la marée interne, des ondes proche-inertielles ou des ondes de sillage; formation de sauts hydrauliques; instabilité de petite échelle comme l'instabilité gravitationnelle, centrifuge ou symétrique. Nous étudierons également les processus qui entraînent la restratification de la couche inférieure, tels que l'instabilité barocline ou la frontogenèse profonde. Nous sélectionnerons quelques régions particulières et étudierons plus en détail les processus en jeu au moyen de simulations à très haute résolution, en utilisant la version non hydrostatique de CROCO, et des études de processus idéalisées. Cette descente d'échelle permettra de vérifier la sensibilité des processus à la résolution et la validité de l'hypothèse hydrostatique.
Enfin, nous utiliserons des méthodes d'apprentissage automatique pour paramétriser ces processus pour des simulations plus grossières. Un réseau neuronal profond sera entrainé à l'aide de simulations les plus réalistes pour prédire le mélange et les flux turbulents de flottabilité pour des simulations plus grossières. Cette paramétrisation sera ensuite testée sur d'autres régions géographiques et appliquée à différents modèles numériques (en particulier la simulation eNATL60 utilisant le modèle NEMO). L'objectif à long terme sera de pouvoir la mettre en œuvre dans une simulation climatique globale pour évaluer les impacts sur la circulation de retournement sur de longues échelles de temps.