vignette|300x300px|La circulation thermohaline mondiale correspond au couplage de plusieurs cellules de convection océaniques et participe à la redistribution de la chaleur. vignette|Animation de la circulation thermohaline.
La circulation thermohaline, appelée aussi circulation océanique profonde, est la circulation océanique engendrée par les différences de densité (masse volumique) de l'eau de mer, à l'origine de courants marins de profondeur. Ces différences de densité proviennent des écarts de température et de salinité des masses d'eau, d'où le terme de thermo et halin .
À l'échelle de la Terre, la circulation océanique de surface et la circulation océanique profonde forment une immense boucle de circulation que l’on nomme boucle thermohaline à l'origine d'un grand cycle qui brasse les eaux et convoie la chaleur à l'échelle du globe.
Caractéristiques Température, salinité et densité sont reliées par la fonction d'état. de l'eau de mer. Les eaux refroidies et salées plongent au niveau des hautes latitudes dans l'Atlantique-Nord (Norvège, Groenland, et mer du Labrador) et descendent vers le sud, à des profondeurs comprises entre , formant l'eau profonde Nord-Atlantique. La remontée de ces eaux se fait principalement par mélange vertical dans tout l'océan. Les scientifiques estiment qu'une molécule d'eau fait ce circuit entier en environ . Il existe également des zones de formation d'eau dense dans l'océan Austral, au niveau des mers de Ross et de Weddell.. Dans la réalité, il est difficile de séparer la circulation engendrée par les gradients de densité seuls des autres sources de mouvement des masses d'eau, telles que le vent ou les marées.. Pour étudier cette circulation à grande échelle, les scientifiques préfèrent donc utiliser une notion mieux définie : la circulation méridienne de retournement (CMR ou MOC pour ).
La circulation thermohaline a des conséquences encore mal estimées aujourd'hui sur le climat.
Circulation méridienne de retournement La notion de circulation thermohaline est imprécise et il en existe plusieurs définitions. Si elle est majoritairement vue comme la circulation liée aux forçages thermique et halin qui lui donnent son nom, il est maintenant établi que ces seuls forçages ne sont pas suffisants pour maintenir cette circulation et que le mélange turbulent lié au vent et aux marées joue un rôle primordial, notamment dans la remontée des eaux profondes.. Progressivement, la notion de circulation méridienne de retournement, ou MOC, s'est substituée à celle de circulation thermohaline..
Définition La MOC correspond à la fonction de courant méridien. Elle s'obtient en intégrant la composante méridienne de la vitesse de courant suivant la longitude et la profondeur. :
où désigne la fonction de courant, x la longitude, y la latitude, z la profondeur et t le temps. Son unité est le Sverdrup (i.e. ).
Contrairement à la circulation thermohaline, elle correspond à l'intégration de la vitesse, tous processus physiques confondus, et par conséquent, inclut la circulation liée au vent. L'intégration suivant la longitude peut être globale, ou être restreinte à un bassin, comme c'est le cas pour la circulation méridienne de retournement Atlantique, ou AMOC pour . Elle peut également être définie comme la valeur maximale de la fonction de courant, ou la valeur maximale à une latitude donnée. Ces définitions permettent de réduire l'information à une simple série temporelle, mais suppriment toute information sur la structure méridienne et verticale de cette circulation. L'utilisation de l'une ou l'autre définition dépend du problème posé. La MOC est beaucoup utilisée dans la communauté scientifique, car elle est bien définie et facilement calculable par les modèles d'océan..
Circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) Lorsque l'intégration zonale de la vitesse se limite au bassin atlantique, on parle d'AMOC pour « ».
C'est dans l'océan Atlantique que la circulation méridienne de retournement est la plus intense et la plus étudiée. Elle est constituée de deux cellules convectives. Dans la cellule supérieure, les eaux chaudes et salées de surface sont transportées vers le nord, où elles se densifient sous l'effet de leur refroidissement. La perte de flottabilité de ce flux d'eau l'amène alors à plonger pour devenir l'. Cette eau profonde est transportée vers le sud à une profondeur comprise entre 1 et . Une partie finit par remonter en surface dans l'océan Austral, fermant ainsi la cellule.. Le transport vers le sud de l'eau profonde nord-atlantique et sa remontée au niveau de la divergence antarctique forment également la branche supérieure de la seconde cellule convective. Cette cellule est alors fermée par la formation d'eau profonde et d'eau de fond au niveau de la mer de Weddell, qui tapissent le fond de l'océan Atlantique.
À , les débits moyens des cellules supérieure et inférieure sont estimés à 18,7 ± 2,1 Sv et 2 ± 0,5 Sv. respectivement.
Observations La très grande échelle de l'AMOC rend son observation difficile.
Les premières estimations étaient basées sur des sections hydrographiques zonales, c'est-à-dire suivant un parallèle, à quelques latitudes choisies, majoritairement , et dans l'Atlantique Nord et et dans l'Atlantique Sud. Ces mesures ont fourni une première estimation de la valeur de l'AMOC à un instant donné, mais doivent être longuement répétées pour estimer sa variabilité. En 2010, l'échantillonnage temporel reste faible, ce qui peut engendrer des erreurs liées au phénomène de repliement de spectre. Ainsi, la diminution d'AMOC identifiée à partir de sections hydrographiques répétées en 1957, 1981, 1992, 1998 et 2004 à 26,5° N. était en 2010 suspectée d'être dominée par la variabilité intra-annuelle..
Depuis , dans le cadre du projet international Rapid Climate Change Program (RAPID), on mesure en continu (deux mesures par jour) l'AMOC à , ce qui a amélioré l'évaluation de sa variabilité pour les échelles mensuelles à interannuelles. La série temporelle est cependant encore trop courte pour évaluer une variabilité décennale.
En 2009 un dispositif similaire à RAPID a été déployé dans l'Atlantique Sud à : SAMBA pour « »..
Début 2021, Nature Geoscience publie une étude concluant au début de ralentissement (plus important que ceux qui se sont produits au moins dans les précédents) et en , le sixième rapport d'évaluation du GIEC, en se basant sur les données et modélisations disponibles, estime que l'AMOC ralentira « très probablement » au , asséchant ainsi l'Europe..
Variabilité En 2008, un cycle saisonnier de d'amplitude est décrit à sur ans (2004-2008), avec un maximum de transport en automne et un minimum au printemps. Mais ce cycle saisonnier n'est plus clairement identifiable sur les observations faites les huit années suivantes (2008-2016).. À cette même latitude, la variabilité journalière est élevée, atteignant ..
Il n'existe pas encore de série temporelle d'observation assez longue de l'AMOC pour décrire de manière fiable sa variabilité décennale à multidécennale, mais en 2005, des études montrent que l'oscillation atlantique multidécennale de la température de surface est liée à l'AMOC. Ceci suggère des cycles à ces échelles de temps.. Cette variabilité multidécennale était observée dans de nombreux modèles, mais au début des années 2000 il n'y a pas d'accord entre scientifiques sur les processus qui la contrôlent.
De 2010 à 2021, un consensus se précise sur le fait qu'un ralentissement de l'AMOC est en cours, qu'il n'a jamais été aussi marqué depuis au moins ans, et que sa continuation aurait des conséquences météorologiques néfastes à l’échelle de la planète. Les chercheurs ont contourné le manque de séries longues de mesure en utilisant des données indirectes, résumées par une étude publiée début 2021 dans Nature Geoscience. Les auteurs s'y appuient d'une part sur les données de plus en plus précises acquises entre 1960 et 2015, et d'autre part sur l’observation de plusieurs facteurs indirects maintenant solidement documentés montrant que . Ce consensus est repris par le sixième rapport du GIEC qui estime que l'AMOC ralentira « très probablement » encore au , en asséchant l'Europe (Nature Geoscience a publié début 2021 une étude montrant un début de ralentissement, plus important que ceux qui se sont produits au moins dans les ans précédents)..
En 2024, 44 scientifiques alertent sur un risque d'effondrement de l'AMOCOpen Letter by Climate Scientists to the Nordic Council of Ministers. Reykjavik, October 2024 aux conséquences climatiques très lourdes. Selon une étude publiée le dans la revue Geophysical Research Letter, le nord-ouest du territoire européen serait affecté par un froid caractérisé par des températures hivernales chutant par endroits de 15 degrés, et par l'avancement de la banquise arctique à proximité des côtes écossaises.
Conséquences du ralentissement Selon Didier Swingedouw (CNRS, université de Bordeaux) interrogé en : « dans la région du Sahel, une diminution de l’Amoc entraînerait une baisse importante des précipitations, avec des répercussions humaines importantes dans cette région très peuplée ». Selon Jean-Baptiste Sallée (chercheur, laboratoire LOCEAN ; université Paris-Sorbonne) « en Europe du Nord, une diminution de l’Amoc a comme conséquence une augmentation de la fréquence des tempêtes et une augmentation du niveau des mers en Amérique du Nord et en Europe. Elle produira aussi une baisse importante de la production biologique marine ». Pour Didier Swingedouw (CNRS, université de Bordeaux) « il est aussi possible qu’en Europe, le contraste entre les saisons soit plus marqué, avec des hivers plus rigoureux et des étés très chauds ». Pour Didier Swingedouw, la question n'est plus de savoir si le ralentissement est certain, il est « très probable. La question est plutôt de quantifier l’amplitude de cette baisse et son horizon temporel. »..
Le ralentissement de l'AMOC pourrait entraîner la libération d'hydrates de méthane dans certaines eaux peu profondes de l'Atlantique. Les eaux profondes ne seraient plus refroidies par les eaux arctiques, et en se réchauffant libéreraient le méthane.
Moteurs de la circulation thermohaline Convection profonde L’eau de mer est d’autant plus dense que sa température est basse et sa salinité élevée. La colonne d’eau océanique est généralement stratifiée de manière stable, avec les eaux les plus denses ( plus lourdes) au fond, et les eaux moins denses ( plus légères) en surface. À la surface, les échanges de chaleur et d’eau douce avec l’atmosphère modifient la densité de l’eau. Dans certains cas, ces modifications peuvent créer une instabilité avec des eaux en surface plus denses que les eaux sous-jacentes. Il se crée alors une cellule de convection locale, générant un mélange vertical des eaux. Ce mélange homogénéise les propriétés de l’eau sur la colonne ( température, salinité, etc.), et engendre un flux de masse vers le fond..
Ce processus, responsable de la formation d’eau dense dans l’Atlantique Nord, a longtemps été considéré comme le moteur principal de la circulation thermohaline ou de l’AMOC. Une production importante d’eau dense augmenterait l’intensité du transport de ces eaux vers le sud en profondeur. Cette anomalie de transport de masse vers le sud est compensée par une augmentation du transport vers le nord en surface, ce qui revient à une augmentation de l’intensité de l’AMOC. C’est ce paradigme qui a valu à l’AMOC le nom de circulation thermohaline. Cependant, l’amélioration des observations et de l’échantillonnage, ainsi que l’amélioration des modèles, ont progressivement mis en évidence que la variabilité de la formation d’eau dense n’est pas directement reliée à la variabilité de l’AMOC. Le vent et les tourbillons jouent également un rôle important.
Rôle La circulation océanique contribue de manière substantielle à la redistribution de chaleur sur le globe terrestre..