Teneur en chaleur des océans

La teneur en chaleur des océans (OHC) ou l'absorption de chaleur des océans (OHU) est l'énergie absorbée et stockée par les océans . Pour calculer la teneur en chaleur des océans, il est nécessaire de mesurer la température des océans à de nombreux endroits et à différentes profondeurs. L'intégration de la densité surfacique d'un changement d' énergie enthalpique sur un bassin océanique ou sur l'ensemble de l'océan donne l'absorption totale de chaleur des océans. Entre 1971 et 2018, l'augmentation de la teneur en chaleur des océans a représenté plus de 90 % de l'excès d'énergie de la Terre dû au réchauffement climatique . Le principal facteur de cette augmentation a été causé par l'homme via ses émissions croissantes de gaz à effet de serre . En 2020, environ un tiers de l'énergie ajoutée s'était propagée à des profondeurs inférieures à 700 mètres.

En 2023, les océans du monde ont de nouveau atteint les températures les plus chaudes de l'histoire et ont dépassé le précédent record de 2022. Les cinq observations de chaleur océanique les plus élevées à une profondeur de 2 000 mètres ont eu lieu au cours de la période 2019-2023. Le Pacifique Nord, l'Atlantique Nord, la Méditerranée et l' océan Austral ont tous enregistré leurs observations de chaleur les plus élevées depuis plus de soixante ans de mesures mondiales. La teneur en chaleur des océans et l'élévation du niveau de la mer sont des indicateurs importants du changement climatique .

L'eau de mer peut absorber beaucoup d' énergie solaire car l'eau a une capacité thermique bien supérieure à celle des gaz atmosphériques. En conséquence, les premiers mètres de l'océan contiennent plus d'énergie que l' atmosphère terrestre entière . Depuis avant 1960, des navires et des stations de recherche ont échantillonné les températures de surface de la mer et les températures à plus grande profondeur partout dans le monde. Depuis 2000, un réseau en expansion de près de 4 000 flotteurs robotisés Argo a mesuré les anomalies de température, ou l'évolution de la teneur en chaleur de l'océan. Avec l'amélioration des observations au cours des dernières décennies, il a été analysé que la teneur en chaleur de la partie supérieure de l'océan a augmenté à un rythme accéléré. Le taux net de changement dans les 2 000 premiers mètres de 2003 à 2018 était de+0,58 ± 0,08 W/m2 ⁽ ou gain énergétique moyen annuel de 9,3 zettajoules ). Il est difficile de mesurer les températures avec précision sur de longues périodes tout en couvrant suffisamment de surfaces et de profondeurs. Cela explique l'incertitude des chiffres.

Les changements de température des océans ont des répercussions considérables sur les écosystèmes marins et terrestres. Par exemple, ils ont de multiples répercussions sur les écosystèmes côtiers et sur les communautés qui dépendent de leurs services écosystémiques . Les effets directs comprennent les variations du niveau de la mer et de la glace de mer , les changements dans l' intensité du cycle de l'eau et la migration de la vie marine.

Le contenu thermique des océans est un terme utilisé en océanographie physique pour décrire un type d' énergie potentielle thermodynamique stockée dans l'océan. Il est défini en coordination avec l' équation d'état de l'eau de mer. TEOS-10 est une norme internationale approuvée en 2010 par la Commission océanographique intergouvernementale .

Le calcul de la teneur en chaleur des océans est étroitement lié à celui de l'enthalpie à la surface de l'océan, également appelée enthalpie potentielle . Les changements d'OHC sont ainsi plus facilement comparables aux échanges de chaleur de l'eau de mer avec la glace, l'eau douce et l'air humide. L'OHC est toujours signalé comme un changement ou comme une « anomalie » par rapport à une ligne de base. Les valeurs positives quantifient alors également l'absorption de chaleur océanique (OHU) et sont utiles pour diagnostiquer où va la majeure partie des gains énergétiques planétaires dus au réchauffement climatique.

Pour calculer la teneur en chaleur des océans, il est nécessaire de mesurer la température des océans à partir d'échantillons d' eau de mer recueillis à différents endroits et à différentes profondeurs. L'intégration de la densité surfacique de chaleur océanique sur un bassin océanique, ou sur l'ensemble de l'océan, donne la teneur en chaleur totale de l'océan. Ainsi, la teneur en chaleur totale de l'océan est une intégrale volumique du produit de la température, de la densité et de la capacité thermique sur la région tridimensionnelle de l'océan pour laquelle des données sont disponibles. La plupart des mesures ont été effectuées à des profondeurs inférieures à environ 2 000 m (1,25 mile).

La densité surfacique de la chaleur océanique entre deux profondeurs est calculée comme une intégrale définie :

où est la capacité thermique spécifique de l'eau de mer , h2 est la profondeur inférieure, h1 est la profondeur supérieure, est le profil de densité de l'eau de mer in situ et est le profil de température conservateur . est défini à une profondeur unique h0 généralement choisie comme la surface de l'océan. En unités SI , a pour unités les joules par mètre carré (J·m ⁻² ).

En pratique, l'intégrale peut être approximée par sommation en utilisant une séquence régulière et par ailleurs bien comportée de données in situ, notamment la température (t), la pression (p), la salinité (s) et leur densité correspondante (ρ). Les températures conservatrices sont des valeurs traduites par rapport à la pression de référence (p0) à h0. Un substitut connu sous le nom de température potentielle a été utilisé dans des calculs antérieurs.

Les mesures de la température en fonction de la profondeur de l'océan montrent généralement une couche supérieure de mélange (0 à 200 m), une thermocline (200 à 1 500 m) et une couche océanique profonde (> 1 500 m). Ces limites de profondeur ne sont que des approximations. La lumière du soleil pénètre jusqu'à une profondeur maximale d'environ 200 m, dont les 80 premiers mètres constituent la zone habitable pour la vie marine photosynthétique, couvrant plus de 70 % de la surface de la Terre. L'action des vagues et d'autres turbulences de surface contribuent à égaliser les températures dans toute la couche supérieure.

Contrairement aux températures de surface qui diminuent avec la latitude, les températures des profondeurs océaniques sont relativement froides et uniformes dans la plupart des régions du monde. Environ 50 % du volume total des océans se situe à des profondeurs inférieures à 3 000 m (1,85 miles), l’ océan Pacifique étant la plus grande et la plus profonde des cinq divisions océaniques. La thermocline est la transition entre les couches supérieures et profondes en termes de température, de flux de nutriments, d’abondance de la vie et d’autres propriétés. Elle est semi-permanente dans les tropiques, variable dans les régions tempérées (souvent la plus profonde en été) et peu profonde voire inexistante dans les régions polaires.

Les mesures de la teneur en chaleur des océans sont difficiles, en particulier avant le déploiement des flotteurs profileurs Argo . En raison de la mauvaise couverture spatiale et de la mauvaise qualité des données, il n’a pas toujours été facile de faire la distinction entre les tendances à long terme du réchauffement climatique et la variabilité du climat . Parmi ces facteurs de complication, on peut citer les variations causées par El Niño-Oscillation australe ou les changements de la teneur en chaleur des océans causés par des éruptions volcaniques majeures .

Argo est un programme international de flotteurs robotisés de profilage déployés dans le monde entier depuis le début du 21e siècle. Les 3 000 unités initiales du programme se sont étendues à près de 4 000 unités en 2020. Au début de chaque cycle de mesure de 10 jours, un flotteur descend à une profondeur de 1 000 mètres et dérive avec le courant pendant neuf jours. Il descend ensuite à 2 000 mètres et mesure la température, la salinité (conductivité) et la profondeur (pression) au cours d'une dernière journée de remontée à la surface. À la surface, le flotteur transmet le profil de profondeur et les données de position horizontale via des relais satellites avant de répéter le cycle.

Depuis 1992, les altimètres TOPEX/Poseidon et les séries de satellites Jason ont observé l'OHC intégré verticalement, qui est une composante majeure de l'élévation du niveau de la mer. Depuis 2002, GRACE et GRACE-FO surveillent à distance les changements océaniques grâce à la gravimétrie . Le partenariat entre Argo et les mesures par satellite a ainsi permis d'améliorer en permanence les estimations de l'OHC et d'autres propriétés océaniques mondiales.

L'absorption de chaleur par les océans représente plus de 90 % de l'absorption totale de chaleur planétaire, principalement en raison des changements de la composition de l'atmosphère terrestre causés par l'homme. Ce pourcentage élevé est dû au fait que les eaux situées à la surface et en dessous de la surface des océans - en particulier la couche mixte supérieure turbulente - présentent une inertie thermique bien plus grande que la croûte continentale exposée de la planète, les régions polaires couvertes de glace ou les composants atmosphériques eux-mêmes. Un corps doté d'une grande inertie thermique stocke une grande quantité d'énergie en raison de sa capacité thermique volumétrique et transmet efficacement l'énergie en fonction de son coefficient de transfert thermique . La majeure partie de l'énergie supplémentaire qui pénètre dans la planète via l'atmosphère est ainsi absorbée et retenue par l'océan.

L'absorption de chaleur planétaire ou le contenu thermique représente la totalité de l'énergie ajoutée ou retirée du système climatique. Il peut être calculé comme une accumulation au fil du temps des différences observées (ou déséquilibres ) entre le rayonnement total entrant et sortant. Les changements du déséquilibre ont été estimés depuis l'orbite terrestre par CERES et d'autres instruments à distance , et comparés aux relevés in situ des variations de l'inventaire thermique dans les océans, les terres, la glace et l'atmosphère. Obtenir des résultats complets et précis à partir de l'une ou l'autre méthode de comptabilisation est un défi, mais de différentes manières que les chercheurs considèrent comme étant pour la plupart indépendantes les unes des autres. Les augmentations du contenu thermique planétaire pour la période bien observée de 2005 à 2019 sont censées dépasser les incertitudes de mesure.

Du point de vue de l'océan, l' irradiation solaire équatoriale plus abondante est directement absorbée par les eaux de surface tropicales de la Terre et entraîne la propagation globale de la chaleur vers les pôles. La surface échange également l'énergie qui a été absorbée par la basse troposphère par l'action du vent et des vagues. Au fil du temps, un déséquilibre soutenu dans le bilan énergétique de la Terre permet un flux net de chaleur vers ou depuis les profondeurs océaniques plus importantes via la conduction thermique , la descente et la remontée d'eau . Les rejets d'OHC dans l'atmosphère se produisent principalement par évaporation et permettent le cycle planétaire de l'eau . Les rejets concentrés associés aux températures élevées de la surface de la mer contribuent à provoquer des cyclones tropicaux , des rivières atmosphériques , des vagues de chaleur atmosphériques et d'autres événements météorologiques extrêmes qui peuvent pénétrer loin à l'intérieur des terres. Ensemble, ces processus permettent à l'océan d'être le plus grand réservoir thermique de la Terre qui fonctionne pour réguler le climat de la planète, agissant à la fois comme un puits et une source d'énergie.

Du point de vue des régions couvertes de terre et de glace, leur part d’absorption de chaleur est réduite et retardée par l’inertie thermique dominante de l’océan. Bien que l’augmentation moyenne de la température de la surface terrestre ait dépassé celle de la surface de l’océan en raison de la plus faible inertie (coefficient de transfert de chaleur plus faible) de la terre ferme et de la glace, les températures augmenteraient plus rapidement et de manière plus importante sans l’océan dans son ensemble. Des mesures de la rapidité avec laquelle la chaleur se mélange dans les profondeurs de l’océan sont également en cours pour mieux boucler les bilans énergétiques océaniques et planétaires.

De nombreuses études indépendantes menées ces dernières années ont révélé une augmentation sur plusieurs décennies de la teneur en chaleur des océans supérieurs qui a commencé à pénétrer dans les régions plus profondes. La partie supérieure de l'océan (0 à 700 m) s'est réchauffée depuis 1971, alors qu'il est très probable que le réchauffement se soit produit à des profondeurs intermédiaires (700 à 2 000 m) et que les températures des océans profonds (en dessous de 2 000 m) aient augmenté. L'absorption de chaleur résulte d'un déséquilibre persistant du bilan énergétique de la Terre , causé principalement par l'augmentation anthropique des gaz à effet de serre atmosphériques . Il existe un degré de confiance très élevé dans le fait que l'augmentation de la teneur en chaleur des océans en réponse aux émissions anthropiques de dioxyde de carbone est essentiellement irréversible à l'échelle temporelle humaine.

Des études basées sur des mesures Argo indiquent que les vents de surface de l'océan , en particulier les alizés subtropicaux de l' océan Pacifique , modifient la distribution verticale de la chaleur océanique. Cela entraîne des changements dans les courants océaniques et une augmentation du retournement subtropical , qui est également lié aux phénomènes El Niño et La Niña . En fonction des fluctuations stochastiques de la variabilité naturelle, pendant les années La Niña, environ 30 % de chaleur supplémentaire de la couche supérieure de l'océan est transportée vers l'océan plus profond. En outre, des études ont montré qu'environ un tiers du réchauffement observé dans l'océan se produit dans la couche océanique de 700 à 2000 mètres.

Des études de modélisation indiquent que les courants océaniques transportent davantage de chaleur vers les couches plus profondes pendant les années La Niña, suite à des changements dans la circulation des vents. Les années avec une absorption accrue de chaleur océanique ont été associées à des phases négatives de l' oscillation interdécennale du Pacifique (IPO). Ceci est particulièrement intéressant pour les climatologues qui utilisent les données pour estimer l' absorption de chaleur océanique .

La teneur en chaleur de la partie supérieure de l'océan dans la plupart des régions de l'Atlantique Nord est dominée par la convergence du transport de chaleur (un endroit où les courants océaniques se rencontrent), sans grands changements dans la relation température/salinité. De plus, une étude de 2022 sur le réchauffement anthropique de l'océan indique que 62 % du réchauffement des années 1850 à 2018 dans l'Atlantique Nord le long de 25°N est conservé dans les eaux situées en dessous de 700 m, où un pourcentage important de la chaleur excédentaire de l'océan est stocké.

Une étude réalisée en 2015 a conclu que l’augmentation de la teneur en chaleur de l’océan Pacifique était compensée par une distribution brutale de l’OHC dans l’océan Indien.

Bien que les 2000 m supérieurs des océans aient connu un réchauffement en moyenne depuis les années 1970, le rythme de réchauffement des océans varie selon les régions, l'Atlantique Nord subpolaire se réchauffant plus lentement et l'océan Austral absorbant une quantité disproportionnée de chaleur en raison des émissions anthropiques de gaz à effet de serre.

Le réchauffement des eaux profondes en dessous de 2000 m a été le plus important dans l'océan Austral par rapport aux autres bassins océaniques.

Le réchauffement des océans est l'une des raisons du blanchissement des coraux et contribue à la migration des espèces marines . Les vagues de chaleur marines sont des régions où les températures de l'eau sont constamment élevées et potentiellement mortelles. La redistribution de l'énergie interne de la planète par la circulation atmosphérique et les courants océaniques produit une variabilité climatique interne , souvent sous la forme d' oscillations irrégulières , et contribue à maintenir la circulation thermohaline mondiale .

L'augmentation de l'OHC est responsable de 30 à 40 % de l'élévation du niveau de la mer à l'échelle mondiale entre 1900 et 2020 en raison de la dilatation thermique . C'est également un accélérateur de la fonte de la glace de mer , des icebergs et des glaciers de marée . La perte de glace réduit l'albédo polaire , amplifiant les déséquilibres énergétiques régionaux et mondiaux. Le recul de la glace qui en résulte a été rapide et généralisé pour la glace de mer arctique , et dans les fjords du nord comme ceux du Groenland et du Canada . Les impacts sur la glace de mer de l'Antarctique et les vastes plates-formes de glace de l'Antarctique qui se terminent dans l' océan Austral ont varié selon les régions et augmentent également en raison du réchauffement des eaux. La rupture de la plate-forme de glace de Thwaites et de ses voisins de l'Antarctique occidental a contribué à environ 10 % de l'élévation du niveau de la mer en 2020.

L'océan fonctionne également comme un puits et une source de carbone, avec un rôle comparable à celui des régions terrestres dans le cycle du carbone de la Terre . Conformément à la dépendance à la température de la loi de Henry , les eaux de surface qui se réchauffent sont moins capables d'absorber les gaz atmosphériques, y compris l'oxygène et les émissions croissantes de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre provenant de l'activité humaine. Néanmoins, le taux d'absorption du dioxyde de carbone anthropique par l'océan a environ triplé du début des années 1960 à la fin des années 2010, une augmentation proportionnelle à l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique.

Le réchauffement des profondeurs océaniques pourrait encore les faire fondre et libérer une partie des vastes réserves d’hydrates de méthane gelés qui s’y sont naturellement accumulées.