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Partie 1 · Portrait de l'océan
Portrait de l'océan
L'Océan mondial recouvre environ 361 millions de km², soit 71 % de la surface terrestre. Il est divisé en cinq grands bassins interconnectés. Le plus grand est l'océan Pacifique (180 millions de km²), suivi de l'océan Atlantique (106 millions de km²) et de l'océan Indien (75 millions de km²). Viennent ensuite les bassins des régions polaires, avec l'océan Austral (30 millions de km²) et l'océan Arctique (14 millions de km²).
Les bassins plus petits sont appelés des mers. On distingue les mers enclavées (bassin entouré de terres émergées, communiquant avec l'océan par un détroit : la Méditerranée, la Baltique, la mer Rouge…) et les mers bordières (bassin circonscrit par des péninsules, des îles ou des hauts-fonds : la Manche, la mer des Caraïbes, la mer de Norvège…).
Mers et océans abritent une riche biodiversité et jouent un rôle essentiel dans le maintien de l'équilibre climatique. Leurs propriétés physico-chimiques — température, salinité, concentration en nutriments — varient en fonction de la latitude et des saisons.
Partie 1 · Portrait de l'océan
La salinité des océans
La salinité correspond à la concentration totale de sels dissous dans un échantillon d'eau. Elle se mesure en grammes par kilogramme ou en pourcentage. Dans les océans, la salinité est d'environ 3,5 %, ce qui signifie que pour 1 000 grammes d'eau de mer, environ 35 grammes sont des sels dissous. Elle résulte de divers processus naturels :
- L'érosion des roches : l'eau de pluie dissout des minéraux (chlorure de sodium, calcium, magnésium, potassium, sulfate), ensuite transportés par les rivières jusqu'à l'océan.
- Le volcanisme sous-marin libère également des minéraux dans l'eau de mer.
- L'évaporation : lorsque l'eau de mer s'évapore, les sels restent, augmentant la concentration.
- La formation de glace : les sels sont exclus de la glace, ce qui augmente la salinité de l'eau environnante.
- Les activités humaines (agriculture, industrie, déchets) peuvent accroître la salinité de certaines zones côtières.
Ainsi, bien que la salinité moyenne soit de 3,5 %, elle varie à travers le monde : les régions où l'évaporation est forte (zones tropicales) ont des eaux plus salées, tandis que les régions à fortes précipitations ou recevant beaucoup d'eau douce des rivières sont moins salées.
Partie 1 · Portrait de l'océan
La température des océans
La température des océans varie entre −2 °C (congélation de l'eau de mer pour une salinité de 35 g/L) et 32 °C (maximum atteint en surface). Sa répartition dépend de plusieurs facteurs : le rayonnement solaire (principale source de chaleur ; l'équateur reçoit davantage d'énergie que les pôles), les variations saisonnières, les courants océaniques (le Gulf Stream transporte l'eau chaude des tropiques et adoucit les côtes de l'Europe occidentale) et la profondeur (la surface est généralement plus chaude que les couches profondes).
Partie 1 · Portrait de l'océan · Structure verticale
La zone épipélagique (ou photique)
Le milieu océanique est composé de différentes zones, chacune avec ses caractéristiques. À la surface, la zone épipélagique laisse pénétrer la lumière du soleil, qui permet la photosynthèse des organismes planctoniques, base de la chaîne alimentaire marine. Plus profondément, dans les zones mésopélagique et bathypélagique, règnent l'obscurité et le froid. Dans les profondeurs abyssales, sous des pressions écrasantes et une noirceur totale, se déploient des écosystèmes uniques.
La zone épipélagique (du grec epi, « à la surface », et pelagikos, « de la mer ») repose sur le plateau continental. Elle est aussi appelée zone photique car c'est là que les rayons du soleil pénètrent suffisamment pour que la photosynthèse puisse se produire. Dans les eaux libres et claires, elle s'étend de la surface jusqu'à 200 mètres ; près des côtes, elle se réduit à environ 50 mètres, car les sédiments et particules charriés par les rivières et les vagues réfléchissent la lumière et l'empêchent de pénétrer.
La limite de la zone photique est atteinte lorsque la puissance du rayonnement résiduel est inférieure à 1 % de la puissance incidente : on quitte alors la zone photique pour la zone aphotique.
La photosynthèse
Dans les zones littorales, la photosynthèse est principalement réalisée par les plantes aquatiques (algues, varech) qui poussent sur le fond. Toutes les algues possèdent des chloroplastes renfermant de la chlorophylle a. Selon les groupes, elles possèdent d'autres pigments (caroténoïdes, phycobilines) : les caroténoïdes des algues brunes absorbent dans le bleu, la phycoérythrine des algues rouges dans le vert, ce qui explique leur répartition en profondeur.
Cependant, la photosynthèse des algues ne représente qu'une petite partie de la production primaire. La majorité est réalisée par le phytoplancton, ces algues microscopiques flottantes qui constituent la base de la pyramide alimentaire : environ 90 % de la vie marine se concentre dans la zone épipélagique.
Les variations de température
La zone épipélagique est l'endroit où la température de l'eau varie le plus. Dans les régions tropicales, elle peut atteindre 25 °C, mais c'est dans la mer Rouge que sont enregistrés les records (32 °C en été). À l'inverse, près des pôles, la température de surface peut descendre jusqu'à −2 °C, sous le point de congélation de l'eau douce.
À retenir : l'eau douce gèle à 0 °C mais l'eau salée a un point de congélation plus bas. Celui-ci dépend de la salinité : pour une salinité de 10 %, le point de congélation est −7 °C ; pour 23 %, il est de −21 °C.
Partie 1 · Portrait de l'océan · Structure verticale
La zone aphotique
Dans l'océan ouvert, seule une infime fraction de la lumière se propage jusqu'à 150-200 mètres. Au-delà, l'océan est plongé dans l'obscurité : c'est la zone aphotique (« privée de lumière »). Les organismes photosynthétiques ne peuvent s'y développer ; on n'y trouve que des poissons et des invertébrés, qui se nourrissent des particules tombant de la zone épipélagique ou remontent y chasser. La zone aphotique se divise en quatre : la zone mésopélagique (200-1 000 m), la zone bathypélagique (1 000-4 000 m), la zone abyssale (4 000-6 000 m) et enfin les fosses océaniques (> 6 000 m).
Dans la zone mésopélagique supérieure, l'eau peut encore se mélanger et la température varie ; mais vers 500 à 800 mètres, elle chute très rapidement. Cette zone de transition est appelée la thermocline. En dessous, la température reste très stable (2 à 4 °C environ), jusque dans les plaines abyssales.
Partie 1 · Portrait de l'océan
Les reliefs et les fosses océaniques
Le fond océanique est plein de reliefs : plaines, chaînes de montagnes sous-marines, canyons… Ces formations sont dues à la tectonique des plaques. Lorsque les plaques glissent l'une sous l'autre (subduction) ou convergent, cela peut mener à la formation de dorsales et de volcans sous-marins ; un volcan assez gros peut atteindre la surface et former une île (l'Islande, les îles Hawaï).
Lorsque les plaques divergent, des cheminées hydrothermales peuvent se former, semblables à des geysers sous-marins : les fumeurs noirs, riches en soufre, se forment quand le magma est proche de la surface ; les fumeurs blancs, plus froids, contiennent des minéraux dissous (calcium, silicium).
Dans les plaines abyssales, on observe parfois des effondrements et des canyons profonds appelés fosses. L'ensemble des fosses océaniques constitue la zone hadale (de Hadès, dieu grec des Enfers). Cinq fosses dépassent 10 kilomètres de profondeur : Tonga, Kouriles, Philippines, Kermadec et Mariannes. Le point le plus profond connu, le Challenger Deep, se situe dans la fosse des Mariannes (Pacifique), à 10 924 mètres — à comparer aux 8 849 m de l'Everest.
Partie 2 · La circulation océanique
La circulation thermohaline
La circulation océanique planétaire est contrôlée par le chauffage différentiel établi entre les régions équatoriales et polaires. Elle comprend des courants chauds et des courants froids. Les courants chauds évoluent le long de l'équateur (certains vers l'Ouest, d'autres vers l'Est) puis remontent vers les hautes latitudes (Kuroshio, Gulf Stream, courant du Brésil…). Les courants froids, à l'inverse, naissent dans les régions polaires (courant du Labrador, courant Oyashio…) et migrent vers les moyennes latitudes (courant des Canaries, courant du Pérou…). L'ensemble forme un énorme courant circulatoire planétaire, appelé « Global Conveyor Belt » : il déplace l'eau tout autour de la planète, et il lui faut 1 000 ans pour effectuer un circuit complet.
Le graphique ci-dessous montre l'évolution de la température (a) et de la salinité (b), en moyenne annuelle, le long d'une section nord-sud traversant l'Atlantique à 22° W. On remarque que les eaux chaudes (16 °C) et salées (36 g/kg) surnagent les eaux plus froides (2 °C) et moins salées (34,5 g/kg) venues de l'Antarctique : les courants océaniques n'évoluent pas à la même profondeur.
Les courants tropicaux forment la composante superficielle de la circulation planétaire, tandis que les courants venus des hautes latitudes en constituent la composante profonde. D'un point de vue énergétique, cette circulation transporte une partie de la chaleur excédentaire des basses latitudes vers les pôles et tend ainsi à rééquilibrer la balance énergétique de la planète. Comme elle est contrôlée par deux paramètres-clés — la température et la salinité —, on la qualifie de thermohaline.
Partie 2 · La circulation océanique
L'exemple de la Circulation Méridienne de Retournement Atlantique
Lorsque l'eau chaude de l'Atlantique provenant de l'équateur atteint la région polaire froide du Nord via le Gulf Stream, elle se refroidit rapidement. L'eau y gèle, mais seule l'eau douce se transforme en glace : le sel est laissé derrière, ce qui rend l'eau environnante de plus en plus salée. Cette eau froide et salée, devenue dense, coule en masse vers les profondeurs : cet enfoncement est le principal moteur de la circulation en eaux profondes. Le refroidissement se produit aussi près de l'Antarctique, mais dans une moindre mesure.
Partie 2 · La circulation océanique
Le rôle de la circulation océanique dans l'équilibre climatique
La circulation thermohaline réduit le déséquilibre thermique entre les régions tropicales et les pôles : les eaux tropicales chaudes s'éloignent vers les hautes latitudes tandis que les eaux froides redescendent vers les basses latitudes. Elle régule aussi les climats côtiers : le Gulf Stream, relayé par le courant Nord-Atlantique, transmet une partie de sa chaleur à l'atmosphère le long des côtes européennes. À latitude égale, le climat de la Bretagne est ainsi beaucoup plus tempéré que celui du Québec.
Une circulation modifiée par le réchauffement climatique. La circulation étant déterminée par la température, toute variation du climat pourrait la modifier. Les scientifiques craignent que la fonte des glaces n'affaiblisse la circulation en ajoutant de l'eau douce dans l'Arctique. Une étude publiée dans Nature Geoscience (Caesar et al., 2021) a trouvé des preuves cohérentes d'un ralentissement du Gulf Stream (environ 15 %) depuis l'an 400, jamais aussi faible depuis 1 600 ans. Paradoxalement, malgré le réchauffement global, de nombreuses régions d'Amérique du Nord et d'Europe risquent de se refroidir.
Partie 3 · La formation des courants océaniques
La formation des courants océaniques
Un courant marin est un grand mouvement d'eau orienté dans une direction générale. Les courants peuvent être temporaires ou durables, proches de la surface ou en profondeur. Les plus forts façonnent le climat mondial en déplaçant la chaleur autour du monde. À la surface, ils sont principalement alimentés par quatre facteurs interconnectés : le vent, le rayonnement solaire, la gravité et la rotation de la Terre.
Partie 3 · La formation des courants océaniques
Les courants marins induits par le vent
Le vent est l'une des principales forces qui animent les courants de surface. Lorsque l'air se déplace à la surface de l'océan, il entraîne avec lui les couches supérieures de l'eau par friction (force de résistance entre deux matériaux qui se touchent et se déplacent l'un sur l'autre). Les courants de surface sont ainsi alimentés par des régimes de vents constants, eux-mêmes créés par le chauffage différentiel de la planète (cellules de convection).
Bien que l'océan semble être une surface plane, il s'agit en réalité d'une série de « collines » et de « vallées » d'eau. Là où les courants convergent, l'eau est poussée en une légère colline (haute pression) ; là où ils divergent, elle s'enfonce en une dépression (basse pression).
Partie 3 · La formation des courants océaniques
Les tourbillons océaniques
Lorsque le vent souffle sur la couche superficielle, la friction attire l'eau vers l'avant. Comme tout objet en mouvement à la surface de la Terre, cette couche est déviée par la force de Coriolis (vers la droite dans l'hémisphère Nord) : la couche la plus superficielle s'éloigne d'environ 45° de la direction du vent. Chaque couche entraîne la suivante en se déviant un peu plus, créant un effet de spirale d'Ekman, du nom de l'océanographe qui l'a découvert au début du XXᵉ siècle.
Chaque couche perd de l'énergie et se déplace plus lentement. Lorsque toutes les couches de la spirale sont prises en compte, la direction nette de l'eau est perpendiculaire à la direction du vent (transport d'Ekman) ; ce transport change d'un hémisphère à l'autre.
Upwellings et downwellings
Lorsque le vent souffle de manière cyclonique, les eaux de surface sont chassées vers l'extérieur : cette divergence entraîne la remontée d'eaux plus profondes (upwelling), phénomène appelé pompage d'Ekman. À l'inverse, en conditions anticycloniques, la convergence des eaux de surface entraîne une plongée des eaux (downwelling), qui apporte de l'oxygène aux couches profondes (oxygénation).
Partie 3 · La formation des courants océaniques
Les gyres océaniques
Il existe cinq grands gyres — des courants expansifs qui traversent des océans entiers — dans l'Atlantique Nord, l'Atlantique Sud, le Pacifique Nord, le Pacifique Sud et l'océan Indien. Comme les eaux de surface, les gyres du Nord tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, ceux du Sud dans le sens inverse.
Au centre des gyres se trouvent des zones relativement calmes. La mer des Sargasses, connue pour ses vastes étendues d'algues flottantes (Sargassum), se situe dans le gyre de l'Atlantique Nord : c'est la seule mer dépourvue de frontières terrestres.
Aujourd'hui, les gyres sont aussi des zones où s'accumulent les plastiques et les débris marins. Le plus célèbre est le « Great Pacific Garbage Patch », mais les cinq gyres sont tous des centres d'accumulation de plastique.
