Mesurer les OCEANS

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Comment évalue-t-on le niveau de la mer, comment mesure-t-on ses variations ? Quels sont les résultats des études menées sur la mesure de l'élévation du niveau des océans ? Ce dossier proposé par Bruno Voituriez, Océanographe,
apporte des réponses à ces questions.

Au travers des mesures des variations de la fonte des glaciers, des eaux continentales, de la température de la surface des océans et des spécificités de la circulation océanique, lla mesure du niveau de la mer et de ses variations permet de déterminer le niveau moyen de la mer. C'est sans doute le meilleur indice que l’on puisse avoir du changement climatique. L'élévation du niveau de la mer est une préoccupation internationale depuis quelques années. Des moyens sont mis en place pour la mesurer, d'année en année, afin de prévenir des risques.

Source : Futura Sciences

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On parle beaucoup de l'élévation du niveau des océans, due au réchauffement climatique, mais comment détermine-t-on ce niveau et comment peut-on mesurer ses variations ?



Les données satellitaires permettent d'évaluer l'élévation du niveau des océans. © Aviso

On détermine le niveau de la surface de la mer par rapport à une surface géométrique de référence proche de la surface de la Terre : c'est l'ellipsoïde de référence. Par rapport à celui-ci le niveau des océans intègre deux composantes : les variations du champ de pesanteur dont l'océan au repos est une surface équipotentielle (géoïde) et les mouvements dynamiques de l'océan qui induisent des variations de son niveau par rapport à ce géoïde.


Grâce aux satellites altimétriques on mesure les variations spatiales et temporelles du niveau des océans sur la quasi-totalité de leur surface. En prenant comme surface de référence le « géoïde » on en déduit les courants marins et leurs variations. En faisant la moyenne des mesures par rapport à l'ellipsoïde de référence on évalue le niveau moyen de l'océan qui est le meilleur indicateur du changement climatique puisqu'il intègre à la fois le réchauffement lui-même d'une part et les transferts d'eau douce vers l'océan venant de la fonte des calottes polaires et des glaciers et aussi de la variation des réservoirs continentaux que le changement climatique provoque d'autre part.



Les moyens satellitaires (altimétrie, géolocalisation et transmission de données, gravimétrie) permettent d'évaluer avec précision l'élévation du niveau moyen de l'océan et d'en faire un bilan en mesurant la contribution de chacune des composantes.

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Pour parler du niveau de la mer et de ses variations il faut une référence géométrique fixe : c’est l’ellipsoïde de référence qui est au plus prés de la forme de la Terre.

Hauteur du géoïde en mètres par rapport à l’ellipsoïde de référence. © Cnes, GRGS, CNRS

Par rapport à cette référence absolue le niveau des océans est la somme de deux composantes.

La première représente la surface qui serait celle des océans en l’absence de tout mouvement, ce que naguère on appelait la « surface des eaux tranquilles » pour illustrer l’horizontale. C’est une surface équipotentielle du champ de pesanteur ou géoïde ; c'est-à-dire qu’en en tout point la force de pesanteur lui est perpendiculaire. Comme la Terre n’est pas homogène, la pesanteur à sa surface varie et la surface de l’océan, géoïde, épouse les variations spatiales du champ de pesanteur qui font du « géoïde » une sorte de patatoïde fait de creux et de bosses.

Ainsi par exemple entre l’océan Indien au sud de l’Inde et le Pacifique ouest du côté de l’Indonésie observe-t-on, par rapport à l’ellipsoïde de référence, une différence de niveau de la surface de l’océan-géoïde proche de 150 mètres.

La deuxième composante est due aux mouvements de l’océan et aux courants qui induisent par rapport à ce géoïde des variations du niveau de la mer : c’est ce que l’on appelle la topographie dynamique de la surface de l’océan dont, on déduit les courants marins.
Si l’on s’intéresse aux variations du niveau moyen des océans c’est l’ellipsoïde géométrique qu’il faut prendre comme référence ; si ce sont les courants et leurs variations (la dynamique) qui nous préoccupent c’est le géoïde la bonne référence.

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Depuis le lancement en 1992 du satellite Topex/Poseidon (Cnes/Nasa) suivi de Jason 1 en 2001 et Jason 2 en 2008, on mesure maintenant régulièrement et de manière continue sur la quasi-totalité de l’océan le niveau de la mer par altimétrie satellitaire avec une précision centimétrique.

Principe de l'altimétrie satellitaire :

Qu'est-ce que l'altimétrie satellitaire ? Le principe en est simple. Le satellite dont on suit précisément l’orbite et dont on connaît donc l’altitude est muni d’un radar qui envoie un signal électromagnétique à la verticale qui se réfléchit à la surface de l’océan. Du temps de trajet aller-retour de l’onde, connaissant la vitesse de la lumière, on déduit la distance du satellite à l’océan donc le niveau de la surface de la mer par rapport à l’ellipsoïde ou au géoïde. L’orbite de cette série de satellites fait que la totalité de l’océan entre 66°N et 66°S est couverte en dix jours.

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On entend souvent parler du niveau des océans, mais quels sont les éléments qui le déterminent ? Qu'est-ce qui fait son niveau moyen ?

Le niveau moyen des océans dépend de plusieurs éléments. C’est d’abord la forme du « récipient » qui le contient : la géométrie des bassins océaniques qui varie au cours du temps.

C’est aussi le champ de pesanteur dont les variations peuvent induire des variations de la forme du géoïde et donc de celle de la surface de l’océan (par rapport à l’ellipsoïde de référence). C’est ensuite la masse océanique : la quantité d’eau contenue dans le récipient dépend des quantités échangées avec les autres réservoirs d’eau de la planète : les glaciers, les calottes polaires (Groenland, Antarctique) et les eaux continentales (rivières, lacs, eaux souterraines etc.).

Enfin la température de l’océan et dans une moindre mesure sa salinité qui déterminent son volume. L’augmentation en cours et à venir de la température de la Terre ne peut qu’induire une élévation de ce niveau puisqu’elle échauffe l’océan et fait fondre glaciers et calottes polaires. D’où la nécessité de la détecter et d’en suivre l’évolution de manière à en évaluer l’ampleur à venir.

L'une des nombreuses conséquences imputées au réchauffement climatique est la hausse du niveau moyen de la mer. Quelles ont été les mesures du XX^e à aujourd'hui, et que nous apprennent-elles ?

Les marégraphes historiques, puits qui amortissaient les mouvements de la mer et filtraient la marée, mesurent localement les variations du niveau de la mer. Leur couverture géographique le long des côtes et dans les îles n’est pas optimale et liés à la côte ils enregistrent aussi les mouvements verticaux de la croûte terrestre, le rebond postglaciaire qui est modélisé mais aussi les mouvements induits par l’activité tectonique et le volcanisme que l’on ne sait pas corriger. Les études fondées sur ces observations s’accordent pour conclure à une élévation du niveau moyen de la mer de 1,8 mm/an au cours du XX^e siècle.

Les mesures du niveau de la mer faites avec précision et de manière ininterrompue par les satellites altimétriques depuis 1992 (Topex/Poseidon opérationnel de 1992 à 2006 et ses successeurs toujours en activité, Jason 1 - 2001 et Jason - 2008) font apparaître une élévation moyenne du niveau de la mer de 3,3 mm/an (qui inclut le rebond postglaciaire de 0,3 mm/an) de 1993 jusqu’à maintenant.

Une élévation irrégulière du niveau des mers

Cette accélération est attribuée au changement climatique induit par l’accroissement dans l’atmosphère des gaz à effet de serre conséquence des activités humaines. On constate que cette élévation ne se fait pas à un rythme constant. Le contraire eut d’ailleurs été étonnant compte tenu de la complexité du système. Ainsi note-t-on un « accident » notable en 1997-1998 que l’on relie à l’ampleur de l’alternance Niño/Niña caractéristique de cette période qui modifie considérablement la répartition du contenu thermique océanique et du régime des pluies dans le Pacifique équatorial.

... le niveau de la mer, comme les autres paramètres climatiques, est soumis à une variabilité pluriannuelle et décennale qu’il importe d’analyser en liaison avec ces autres paramètres.

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Les techniques d'étude des variations des calottes polaires :

L’interférométrie appliquée aux radars à ouverture synthétique embarqués sur satellite (ERS1/2…) fournit des mesures de l’écoulement des glaciers et donc de leur décharge dans l’océan pour peu que l’on connaisse l’épaisseur du glacier. On arrive ainsi à estimer le bilan net de masse des calottes polaires. Le satellite gravimétrique Grace fait de son côté depuis 2003 la mesure directe du bilan de masse total des calottes glaciaires arctique et antarctique.


Chacune des techniques a ses propres incertitudes : les mesures de Grace par exemple doivent être corrigées du GIA ; correction particulièrement sensible pour l’Antarctique où le signal « GIA » est du même ordre de grandeur que celui de la variation de masse glaciaire. Néanmoins les résultats obtenus s’accordent assez bien et montrent très clairement une accélération de la perte de masse des calottes polaires durant la dernière décennie.

Accélération qui fait que la contribution de la fonte des calottes polaires à l’élévation du niveau de la mer est de plus en plus importante.

Accélération qui fait aussi que le GIEC dans son quatrième rapport (2007) prévient que la contribution des calottes polaires aux scénarios d’élévation du niveau de la mer qu’il projette à l’horizon 2100 (entre 18 et 51 cm) pourrait être beaucoup plus importante (jusqu'à 1 mètre) en cas d’accélération de l’écoulement vers la mer des glaciers, comme les observations récentes le montrent.


Évolution des calottes polaires (Antarctique et Groenland) depuis 2003 déduite de Grace (en gigatonnes). © Velicogna 2009 GRL( Geophysical Research Letter)


D’abord la « lubrification » du soubassement rocheux du fait de l’infiltration de l’eau fondue en surface en été via les crevasses. C’est surtout semble-t-il valable pour le Groenland. Ensuite la « cassure » de l’extrémité flottante des glaciers sur l’océan (ice shelf) qui favorise leur écoulement. Cassure due à la fragilisation de l’ « ice shelf » au contact d’une eau de mer qui s’échauffe provoquant une fonte du glacier à sa base et la cassure qui libère de la place pour l’écoulement du glacier en amont.



Le bilan est le suivant : de 1993 à 2003 la contribution totale des calottes polaires à l’élévation du niveau de la mer était de 0,4 mm/an (à égalité 0,2 pour le Groenland et l’Antarctique) soit à peu près 13 % du total. Elle a plus que doublé par la suite : 1,1 mm/an (0,4 pour le Groenland, 0,7 pour l’Antarctique) de 2003 à 2009 soit alors 40 % du total (2,6 mm/an). Parallèlement, on l’a vu l’expansion thermique chutait de 1,6 mm/an (près de la moitié du total) à 0,6 mm/an, soit 15 % seulement du total.

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Autres articles à lire :
Les variations des glaciers continentaux et l'élévation du niveau de la mer

Les variations des eaux continentales et l'élévation du niveau de la mer

Le rebond postglaciaire

Bilan global du niveau de la mer entre 1993 et 2009

La mesure directe des variations de la masse océanique

Les variations du niveau de la mer selon les régions

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La mer, incontestablement et inexorablement, monte… Elle le fait à un rythme variable aux échelles pluriannuelles et décennales qui intègrent les réponses propres des différentes composantes qui y contribuent au réchauffement global d’une part et à toutes les échelles de variation climatique d’autre part…


Ce rythme risque de s’accroître compte tenu de l’accélération du mouvement vers la mer des glaciers qui bordent les calottes polaires et dont les processus sont encore mal pris en compte dans les modèles. Avec à l’horizon 2100 une perspective d’élévation du niveau moyen des océans qui pourrait atteindre 1 mètre, perspective nettement supérieure à la projection la plus pessimiste du quatrième rapport du Giec qui était de 51 centimètres.



Nous disposons des moyens techniques opérationnels d’observation pour en suivre le mouvement, en déterminer et quantifier les différentes contributions, comprendre les mécanismes qui les relient et donc améliorer et alimenter les modèles prévisionnels d’évolution du climat. Il faut assurer leur pérennité. À développement durable… système durable d’observation de la planète Terre pour comprendre et prévoir l’évolution de notre biosphère. Ainsi à défaut, le cas échéant, d’avoir pris les mesures nécessaires en temps utile pour s’assurer dans l’avenir un confort climatique, l’Homme aura au moins la consolation de comprendre le pourquoi des désagréments auxquels il sera exposé.



Source : Bruno Voituriez pour Futura Sciences

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D'autres informations paraîtront sur ce sujet... dans le but de permettre à chacun de se faire une idée plus juste de la situation et de la comprendre... sans avoir à prendre pour argent comptant certaines informations qui font dans le catastrophisme journaleux... histoire de vendre... !!

De toutes les manières, je pense que nous sommes tous conscients que les événements se répètent à plus ou moins longue (ou brève) échéance... La terre a déjà connu des bouleversements climatiques : réchauffements, refroidissements, ce n'est pas d'aujourd'hui... montée des eaux, fonte des glaces, etc... Mais c'est peut-être la première fois que l'homme est responsable pour la majeure partie de la situation que nous vivons actuellement.

Il appartient donc à chacun d'entre-nous de faire des efforts et de contribuer, chacun à sa mesure, à diminuer, à défaut de stopper, la machine en marche... Il ne faut pas croire que ses actions c'est une goutte dans l'"océan". Goutte à goutte, le tonneau se remplit, déborde, forme une rivière... qui rejoint la mer...