Reproduire le phénomène El Niño à échelle réduite

Reproduire le phénomène El Niño à échelle réduite

Reproduire le phénomène
El Niño à échelle réduite
Gaël Alory, Thierry Delcroix, Isabelle Dadou
Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales,
Université de Toulouse / Institut de recherche pour le développement /
Conseil national des astronomes et physiciens, Toulouse
[email protected]
’expérience proposée ici a pour but
de reproduire à échelle réduite le
phénomène El Niño-Oscillation
australe (ENSO en anglais) qui génère
de fortes anomalies climatiques d’une
année à l’autre, dans l’océan Pacifique
tropical et au-delà, et d’en comprendre
les principaux mécanismes. Elle peut
être présentée à un public de collégiens,
lycéens ou étudiants ou être mise en
place par ceux-ci dans le cadre de travaux personnels encadrés. Elle s’est
aussi avérée pertinente lors de manifestations scientif iques pour le grand
public.
L
Préparation
de l’expérience
But pédagogique : comprendre les
principaux mécanismes du phénomène
El Niño.
Public : du collège à l’enseignement
supérieur, discours adaptable. L’expérience est un bon support pour un travail
personnel encadré.
Matériel nécessaire : un aquarium,
15 litres d’eau, 3 litres d’alcool ménager à 95%, 4 litres d’huile alimentaire,
du colorant, un sèche-cheveux (à brancher sur une prise avec disjoncteur différentiel), un tuyau flexible transparent de 1 mètre de long ; éventuellement 3 bacs séparés, de l’eau, du sel, un
glaçon, une seringue, une bouilloire, un
sac plastique.
Site internet : une vidéo est disponible
sur le site de la revue :
http://irevues.inist.fr/la-meteorologie
Le matériel principal nécessaire pour
réaliser l’expérience est un aquarium,
que l’on peut fabriquer soi-même à partir de plaques de verre assemblées avec
de la colle silicone en prenant soin
d’assurer une bonne étanchéité. Dans
notre cas, l’aquarium a été construit
avec des plaques de 5 mm d’épaisseur
avec pour dimensions une longueur de
70 cm, une largeur de 10 cm et une hauteur de 30 cm. Il est bien sûr possible
d’utiliser un aquarium du commerce qui
respecte à peu près ces proportions.
L’aquarium représente une large section
équatoriale de l’océan Pacifique, dont
la longueur est délimitée à l’ouest par
l’archipel indonésien et à l’est par le
continent sud-américain.
L’aquarium est rempli avec deux liquides de nature différente. Pour représenter les eaux froides profondes, on
verse d’abord l’alcool et l’eau dans
des proportions d’un volume d’alcool
pour cinq volumes d’eau (soit respectivement 2,5 et 12,5 litres dans notre cas),
un peu de colorant bleu, puis on
mélange le tout. Pour représenter les
eaux chaudes de surface, on ajoute
ensuite de l’huile alimentaire (3,5 litres
dans notre cas) jusqu’à obtenir une
couche d’environ 5 cm de hauteur, flottant au-dessus du mélange eau-alcool.
On veillera à ne pas trop remplir l’aquarium pour limiter les risques d’éclaboussures lors de l’expérience. Il peut
se créer lors du remplissage une émulsion entre les deux liquides, qui disparaît au bout de quelques minutes pour
laisser place à une interface bien nette.
Cette interface représente la thermocline, zone de transition entre les eaux
chaudes (légères) et froides (plus
denses) de l’océan. L’ajout d’alcool
ménager à 95% (de masse volumique
~810 kg/m3) à l’eau permet d’obtenir
un liquide de masse volumique
(~970 kg/m3) plus proche de celle de
l’huile (~920 kg/m3) L’interface entre
les deux couches est alors plus facile à
mettre en mouvement, ce qui permettra
de mieux visualiser le résultat de l’expérience. L’accessoire final pour mettre en
mouvement cet océan équatorial miniature est un sèche-cheveux, de préférence
à vitesse et température réglable (choisir
l’air froid) et avec un embout plat. Il
représente l’action du vent sur l’océan.
Déroulement
de l’expérience
La mise en action se déroule en deux
phases. D’abord, l’expérimentateur
se place à la droite de l’aquarium
(schématisant les côtes sud-américaines)
avec le sèche-cheveux en main, son
embout étant légèrement incliné vers la
surface du liquide, en maintenant bien sûr
une distance de sécurité avec le liquide
d’au moins 5 cm (figure 1a). Cette phase
Enseignement
11
La Météorologie - n° 89 - mai 2015
12
reproduit l’action des alizés soufflant de
l’est vers l’ouest à la surface de l’océan :
les eaux chaudes sont poussées du côté
gauche de l’aquarium (schématisant
l’ouest du bassin et l’archipel indonésien) : la thermocline s’incline, devenant
plus profonde à l’ouest et moins profonde
à l’est. L’équilibre qui s’établit représente
les conditions moyennes du Pacifique
tropical (figure 2a). Ensuite, l’expérimentateur éteint le sèche-cheveux
(figure 1b), ce qui représente l’affaiblissement des alizés lors d’un événement
El Niño (figure 2b). La thermocline
s’aplatit alors, puis oscille légèrement
autour de la position horizontale avant de
se stabiliser. L’expérience peut être répétée à volonté. À la fin de l’expérience, les
liquides peuvent être récupérés dans des
bidons par siphonage de l’aquarium
à l’aide d’un tuyau flexible, pour être
réutilisés ultérieurement.
Préparation
de l’expérience
L’expérience permet d’introduire des
notions océanographiques en lien avec
les phases El Niño et La Niña du phénomène ENSO (Aceituno, 1993) telles
que l’effet du vent sur l’océan, la
thermocline et la stratification verticale.
Ce peut aussi être le point de départ
pour des notions plus complexes qu’on
ne peut reproduire dans l’aquarium
comme les ondes équatoriales, les couplages entre l’océan et l’atmosphère, les
téléconnexions ou encore le rôle des
océans sur le climat.
Avant même la mise en mouvement de
l’expérience, la superposition des deux
couches liquides met en évidence le
phénomène de stratification verticale.
Dans la réalité, l’océan tropical est
effectivement constitué d’une couche
superf icielle chauffée par le soleil,
« flottant » au-dessus d’eaux profondes
plus froides, donc plus denses, entre
lesquelles il y a peu d’échanges.
L’interface entre ces deux couches,
appelée thermocline, est une zone de
fort gradient de température ; elle se
situe dans le Pacifique équatorial autour
de l’isotherme 20 °C. Pour l’expérience,
c’est l’utilisation de deux liquides à la
même température mais de densités différentes et non miscibles qui permet
d’assurer une stratification très stable.
Pour se rapprocher de la réalité et illustrer le rôle de la température et de la salinité sur la densité de l’eau de mer et sa
stratification, des expériences complémentaires peuvent être réalisées. On
La Météorologie - n° 89 - mai 2015
a
b
Figure 1. Expérience reproduisant dans l’aquarium (a) les conditions moyennes et (b) les conditions
El Niño dans l’océan Pacifique tropical.
peut commencer par introduire dans un
bac d’eau à température ambiante un
glaçon d’eau colorée. Celui-ci flotte, la
glace étant de densité plus faible que
l’eau liquide, mais libère en fondant de
l’eau plus froide (donc plus dense) que
l’eau environnante, finissant par former
au fond du bac une couche colorée. À
l’inverse, si l’on introduit au fond du bac
à l’aide d’une seringue de l’eau colorée
très chaude (que l’on aura préalablement
chauffée dans une bouilloire), celle-ci,
moins dense, va remonter pour former
une couche colorée en surface.
L’influence de la salinité peut être montrée en utilisant trois bacs de salinités et
donc de densités croissantes : un premier bac est rempli d’eau douce, un
deuxième d’eau de salinité moyenne
(par exemple, 35 g/l, qui correspond à la
salinité moyenne dans l’océan) et un
troisième d’eau de salinité élevée (par
exemple, plus de 200 g/l, comme pour la
mer Morte). Si l’on remplit d’eau provenant du deuxième bac un petit sac
plastique que l’on noue ensuite soigneusement (ou mieux, une bulle d’eau utilisée pour la pêche), celui-ci plongera au
fond du premier bac, mais flottera à la
surface du troisième.
warm pool, un réservoir d’eaux à plus
de 28 °C occupant une surface comparable à celle de l’Europe et dont l’épaisseur peut dépasser 100 m. À l’est du
Pacifique, les alizés, combinés à la
force de Coriolis, génèrent des courants
de surface qui divergent à l’équateur et
entraînent une remontée d’eaux froides
par upwelling. Ce mécanisme ne peut
être fidèlement reproduit ici, la force de
Coriolis étant négligeable à l’échelle de
l’aquarium. Toutefois, il est possible,
pour s’en approcher, de faire remonter
la couche inférieure jusqu’à la surface
en augmentant légèrement l’inclinaison
du sèche-cheveux (gare aux éclaboussures !). Pour résumer, les alizés sont
responsables de la constitution à l’ouest
de la warm pool et de la pente de la
thermocline caractéristiques des conditions moyennes de l’océan Pacifique
tropical (figure 2a), reproduites dans la
première phase de l’expérience (figure
1a). Le phénomène El Niño se caractérise par un affaiblissement ou même
une inversion des alizés qui se traduit
par un étalement vers l’est des eaux
chaudes et un aplatissement de la
thermocline (figure 1b) reproduits dans
la deuxième phase de l’expérience
(figure 2b).
Le vent agit sur l’océan par la force de
friction qu’il exerce à sa surface, ce qui
transfère de la quantité de mouvement.
L’effet du vent le plus visible dans la
réalité est la création de vagues à la surface de la mer. On observe ce phénomène dans notre expérience : des
ondulations apparaissent et se propagent
à la surface de l’aquarium, de la même
façon qu’un vent suffisamment puissant
et établi peut générer une houle à la surface de l’océan. Un autre effet du vent,
moins superficiel et difficilement observable dans la réalité, est la création de
courants océaniques. Dans notre expérience, cet effet est mis en évidence par
le déplacement de l’huile qui, poussée
par le souffle du sèche-cheveux, s’accumule vers la gauche de l’aquarium.
Dans la réalité, les alizés soufflant de
l’est concentrent les eaux chaudes à
l’ouest du Pacifique tropical, formant la
Le vent génère aussi dans l’océan des
ondes longues équatoriales : des ondes
de Kelvin qui se propagent d’ouest en
est et des ondes de Rossby qui se propagent d’est en ouest. Les premières
traversent tout le Pacif ique en 2 à
3 mois, les secondes plus lentes en 6 à
9 mois. En se propageant, elles déplacent la thermocline vers le haut (upwelling) ou vers le bas (downwelling). Les
ondes de Kelvin peuvent se transformer
en ondes de Rossby de même signe en
se réfléchissant contre une côte et vice
versa. Ces ondes jouent un rôle important dans le développement du phénomène El Niño qui peut être initié, dans
l’ouest du bassin, par des anomalies de
vent d’ouest, que ce soit des coups
de vent d’ouest ou un affaiblissement
des alizés (Belamari et al., 2005). Ces
anomalies génèrent des ondes de Kelvin
de downwelling entraînant à l’est un
13
La Météorologie - n° 89 - mai 2015
Figure 2. Schéma du Pacifique tropical (a) dans des conditions moyennes et (b) en période El Niño : la circulation générale atmosphérique est représentée
par des flèches noires, les températures de surface de l’océan par le code de couleurs (du vert au rouge), la thermocline est indiquée par la surface bleue.
approfondissement de la thermocline et
des ondes de Rossby d’upwelling entraînant à l’ouest une remontée de celle-ci.
C’est donc par le biais de ces ondes que
la baisse des alizés entraîne un aplatissement de la thermocline. De plus, la
réflexion au bord ouest des ondes de
Rossby en ondes de Kelvin et/ou la
réflexion au bord est des ondes de Kelvin
en ondes de Rossby pourraient contribuer à mettre fin à un épisode El Niño,
selon les théories de l’oscillateur retardé
ou de l’oscillateur advectif-réflectif
(Suarez et Schopf, 1988 ; Picaut et al.,
1997). Ces ondes ne peuvent exister sans
force de Coriolis et ne sont donc pas
reproduites dans l’expérience. En revanche, un autre type d’onde longue est
généré dans notre expérience : il s’agit
d’une seiche interne, qui est couramment
observée dans les lacs (par ex. Lemmin
et al., 2005). C’est cette onde qui, après
l’arrêt du sèche-cheveux, fait basculer de
droite à gauche l’interface entre nos deux
liquides avant de s’amortir. Il est possible
de faire l’analogie avec les ondes de
Kelvin et Rossby : ce basculement correspond aussi à la propagation d’un
approfondissement de thermocline vers
la droite puis vers la gauche après
réflexion sur le bord et ainsi de suite, il
évoque la succession des deux phases El
Niño et La Niña du phénomène ENSO.
Le point faible de cette expérience est de
présenter ENSO comme un phénomène
océanique forcé par l’atmosphère : les
eaux chaudes, d’abord concentrées à
l’ouest par les alizés, se mettraient à
osciller d’ouest en est lorsque ceux-ci
s’arrêtent jusqu’à amortissement du
mouvement, tel un ressort comprimé
qui est brusquement relâché. Il convient
de corriger cette image, car le couplage
océan-atmosphère, difficile à reproduire à échelle réduite, est en réalité au
cœur du phénomène ENSO. L’état
moyen (figure 2a) n’est pas maintenu
uniquement par les vents et la force de
Coriolis. La remontée de la thermocline
à l’est sous l’effet du vent provoque un
refroidissement en surface qui entraîne,
entre l’ouest et l’est, une différence de
température de l’eau et par conséquent
aussi de l’air au-dessus de l’océan. La
pression de l’air à la surface de l’océan
est donc plus forte à l’est qu’à l’ouest,
ce qui génère des vents d’est, les alizés :
la boucle est bouclée. L’interaction entre
le vent et la pente de la thermocline est
telle que l’on peut se demander, comme
dans le cas de l’œuf et de la poule,
lequel est apparu en premier. Au-dessus
de la warm pool, il y a convection
atmosphérique : l’air chaud et humide
apporté par les alizés monte et forme
des nuages de type cumulonimbus qui
entraînent de fortes pluies. Au contraire,
les hautes pressions de l’est du
Pacifique sont associées à la descente
d’air sec. Complété par des vents
d’ouest en altitude, ce circuit atmosphérique définit ce que l’on appelle la
cellule de Walker (figure 2). Le couplage océan-atmosphère opère aussi
pendant le développement d’un phénomène El Niño : l’affaiblissement des
alizés entraîne une réduction de la pente
de la thermocline, donc de la différence
de température entre l’est et l’ouest, ce
qui affaiblit davantage les alizés. C’est
une rétroaction positive qui amplifie le
développement du phénomène. Ce
phénomène est amorti par différentes
rétroactions négatives selon les théories
oscillatoires (Wang et Picaut, 2004),
dont certaines impliquent le retour des
ondes réfléchies au bord ouest comme
mentionné ci-dessus.
L’expérience permet aussi de sensibiliser
le public aux méthodes et au besoin vital
d’observations de l’océan pour comprendre ENSO. Suite au phénomène El Niño
particulièrement fort de 1982-1983, un
réseau d’observation a été développé
dans le Pacifique tropical. Les mouillages instrumentés TAO-Triton, qui
mesurent l’évolution des conditions
météo-océaniques dans la bande équatoriale, épicentre du phénomène El Niño,
en sont l’élément central. Leur site internet (http://www.pmel.noaa.gov/tao/), très
bien conçu, donne accès à des informations grand public sur El Niño et permet de réaliser, de façon interactive,
graphiques et animations à partir des
observations les plus récentes. En particulier, il est possible de réaliser des
sections équatoriales de la structure
thermique de l’océan, comparables à
l’image que renvoie notre aquarium.
Aussi, des sections longitude-temps de la
température de surface de la mer et du
vent de surface permettent de voir le
développement du phénomène, son irrégularité et sa période interannuelle (de 2
à 7 ans). Il est très utile de parcourir ce
site en complément de l’expérience.
Lors de notre expérience, il peut paraître surprenant que le souffle du sèchecheveux affecte beaucoup plus
l’interface entre les deux couches liquides que la surface de notre océan miniature. Ceci s’explique par la différence
de densité beaucoup plus faible entre
deux liquides qu’entre un liquide et un
gaz comme l’air, qui rend l’interface
liquide plus facile à mettre en mouvement. Il existe bien dans la réalité des
variations de niveau de la mer (détectables par satellites) associées à ENSO,
plus faibles, mais qui reflètent celles de
la thermocline. Un approfondissement
de 20 m de la thermocline correspond à
environ 10 cm d’augmentation du
niveau de la mer (Rébert et al., 1985),
en raison des différences de densité
entre les eaux situées en dessous et audessus de la thermocline. En effet, un
La Météorologie - n° 89 - mai 2015
14
approfondissement local de la thermocline dans une colonne d’eau augmente
la proportion d’eaux chaudes donc la
température moyenne, et, par dilatation,
la hauteur de cette colonne d’eau,
comme pour une colonne de mercure
dans un thermomètre. Cette propriété
permet de suivre de façon continue la
propagation des ondes équatoriales
impliquées dans le développement d’El
Niño grâce aux satellites altimétriques
qui mesurent les variations locales du
niveau de la mer avec une précision
centimétrique. El Niño entraîne également des variations interannuelles du
niveau moyen global de la mer
(Cazenave et al., 2012).
Pour finir, le phénomène El Niño ne
pourra être présenté sans évoquer au
moins quelques-unes de ses conséquences, qui ont largement motivé
l’étude du phénomène (McPhaden et
al., 2006). Les remontées d’eaux froides et riches en nutriments à l’est du
Pacif ique sont très favorables à la
pêche, notamment celle de l’anchois au
Pérou. L’affaiblissement de cet upwelling pendant El Niño frappe durement
cette pêcherie. Ce sont d’ailleurs les
pêcheurs péruviens qui ont baptisé
le phénomène El Niño (« l’enfant
[Jésus] »), en remarquant qu’il atteint
généralement son pic aux alentours de
Noël. Comme le montre la cellule de
Walker, en conditions moyennes
(figure 2a), le climat du Pacifique tropical est humide à l’ouest (Indonésie,
Papouasie-Nouvelle Guinée, nord de
l’Australie) du fait de la convection
atmosphérique au-dessus des eaux
chaudes, mais aride à l’est (Pérou,
Chili). Les zones de convection et les
pluies associées se déplacent avec les
eaux chaudes vers l’est pendant El
Niño, ce qui entraîne sécheresses à
l’ouest et inondations à l’est du bassin
océanique (figure 2b). De même, les
cyclones se forment généralement à
l’ouest du Pacifique tropical, mais plutôt dans le centre du bassin pendant El
Niño, suivant le déplacement de la zone
d’eaux chaudes propices à leur génération. De nombreux autres impacts plus
lointains ont pu être attribués à El
Niño. Lors d’El Niño exceptionnels
tels que ceux de 1982-1983 et 19971998, ces impacts ont des conséquences graves en termes d’économie et de
vies humaines.
Reconstruire les événements El Niño
du passé en analysant des paléo-enregistrements (Cobb et al., 2003) et anticiper les modifications des principales
caractéristiques d’El Niño sous l’effet
du réchauffement global (Collins et al.,
2010) sont des questions difficiles qui
font l’objet de nombreuses recherches.
Des études récentes suggèrent que le
changement climatique pourrait doubler la fréquence des événements El
Niño extrêmes (Cai et al., 2014).
Bibliographie
Aceituno P., 1993. El Niño, l’oscillation australe, et
ENSO : des noms qui prêtent à confusion pour une
interaction complexe entre l’océan et l’atmosphère. La
Météorologie, 3, 44-48.
Belamari S., Redelsperger J.-L., Pontaud M., 2005.
Rôle des coups de vent d’ouest dans le déclenchement d’El Niño. La Météorologie, 49, 28-37.
Conclusion
L’expérience décrite ici permet de mettre en scène de façon simple le phénomène El Niño et quelques-uns de ses
principaux mécanismes. Elle peut être
présentée en utilisant les différents éléments pédagogiques fournis et en
adaptant le niveau de vocabulaire et les
explications selon le public. La notion
de couplage océan-atmosphère est sans
doute un point clé sur lequel on peut
insister pour corriger l’image un peu
réductrice qu’elle donne d’ENSO.
L’expérience est un bon support pour
un projet de classe ou un travail d’initiative personnelle encadré, qui peut
s’accompagner d’une recherche documentaire sur ce phénomène climatique.
Cai W., Borlace S., Lengaigne M., van Rensch P.,
Collins M., Vecchi G., Timmermann A., Santoso A.,
McPhaden M.J., Wu L., England M.H., Wang G.,
Guilyardi E., Jin F.-F., 2014. Increasing frequency of
extreme El Niño events due to greenhouse warming. Nat. Clim. Change, 4, 111-116. doi:
10.1038/nclimate2100
Cazenave A., Dieng H.B., Munier S., Henry O.,
Meyssignac B., Palanisamy H., Llovel W., 2012.
L’influence d’El Niño et de La Niña sur le niveau de la
mer. La Météorologie, 79, 34-39.
Cobb K.M., Charles C.D., Cheng H., Edwards R.L.,
2003. El Niño/Southern Oscillation and tropical Pacific
climate during the last millennium. Nature, 424, 271276.
Collins M., An S.-I., Cai W., Ganachaud A., Guilyardi E.,
Jin F.-F., Jochum M., Lengaigne M., Power S.,
Timmermann A., Vecchi G., Wittenberg A., 2010. The
impact of global warming on the tropical Pacific and El
Niño. Nat. Geosci., 3, 391-397.
Lemmin U., Mortimer C.H., Bäuerle E., 2005. Internal
seiche dynamics in Lake Geneva. Limnol. Oceanogr.,
50, 207-216.
Remerciements
McPhaden M.J., Zebiak S.E., Glantz M.H., 2006. ENSO
as an integrating concept in earth science. Science,
314, 1739-1745.
Nous remercions Frédéric Marin, Eric
Guilyardi et Olivier Boucher pour des
discussions et/ou des remarques constructives qui nous ont permis d’améliorer cet article, ainsi que Kévin
Guerreiro pour son aide.
Picaut J., Masia F., du Penhoat Y., 1997. An advectivereflective conceptual model for the oscillatory nature
of ENSO. Science, 277, 663-666.
Rébert J.P., Donguy J.R., Eldin G., Wyrtki K., 1985.
Relations between sea level, thermocline depth, heat
content, and dynamic height in the tropical Pacific
Ocean. J. Geophys. Res., 90, 11719-11725.
Suarez M.J., Schopf P.S., 1988. A delayed action
oscillator for ENSO. J. Atmos. Sci., 45, 3283- 3287.
Wang C., Picaut J., 2004. Understanding ENSO physics—a review. In: Earth’s climate: the oceanatmosphere interaction, American Geophysical Union,
21-48. doi: 10.1029/147GM02
Dix sites web pour en savoir plus
http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001192/119213F.pdf
http://www.meteo.org/phenomen/el-nino.htm
http://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/ocean-indicators-products/el-nino-bulletin.html
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/el-nino-commentaires.xml
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/oscillation-nino-nina.xml
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim1/rechfran/4theme/paleo/corauxarchives.html
http://www.pmel.noaa.gov/tao/
http://iri.columbia.edu/our-expertise/climate/forecasts/enso/current/
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/MJO/enso.shtml
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/ElNinoColor/el_nino_color.php