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Apparition du courant de bord ouest Kuroshio

Proposition de sujet : Comment apparaît un courant de bord Ouest comme le Gulf Stream ?

Introduction :

a) Courants de bord ouest

Les courants de bord ouest-océaniques sont concentrés dans d'étroites bandes de 50 à 500 km de large et leur vitesse maximale en surface peut atteindre 1 mètre par seconde. À cette vitesse, il faut plus d'un mois pour dériver de 30° N. à 50° N. La vitesse décroît rapidement en fonction de la distance à la côte et de la profondeur (celle-ci est de l'ordre d'une centaine de mètres).

b) L'exemple du Gulf Stream

Le Gulf Stream est d'origine tropicale et ses eaux sont beaucoup plus chaudes que les eaux environnantes. Sa position est marquée par un front thermique important, les eaux chaudes étant dans l'axe du courant. Une branche se dirige vers l'Europe en se refroidissant progressivement, chauffant l'atmosphère sur son passage : c'est la dérive nord-atlantique.

La contribution du Gulf Stream à l'équilibre climatique des régions tempérées d'Europe est très importante : lorsque la dérive remonte vers le nord-est, une évaporation intense vers l'atmosphère se produit et, comme on le dit traditionnellement, elle apporte les eaux chaudes vers l'Europe, permettant à ce continent de bénéficier d'un climat très modéré (avec des écarts de température beaucoup plus limités que ceux existant le long d'un même parallèle en Amérique du Nord). Une partie des eaux ayant traversé l'océan Atlantique se retrouvent dans le courant des Canaries. Elles coulent vers le sud le long de la côte d'Afrique, puis tournent vers l'ouest, dans le courant nord-équatorial, dirigé vers l'ouest sur la route des alizés de nord-est. C'est dans cette région tropicale qu'elles se réchauffent à nouveau.

c) Le Kuroshio, l'équivalent du Gulf Stream dans le Pacifique

L'équivalent du Gulf Stream dans l'océan Pacifique subtropical est le Kuroshio (« courant noir »), qui coule le long de la côte orientale des îles japonaises. Il est le second plus grand courant marin du monde et traverse l'océan Pacifique.

Le courant chaud du Kuroshio est un courant de bord ouest, formé par les vents d’est. Il confère aux régions de l'Ouest américain un climat semblable à celui de l'Europe de l'Ouest (mais l'océan étant beaucoup plus long à traverser, son effet est plus faible que celui de la dérive nord-atlantique). Une partie des eaux est entraînée vers le sud dans le froid courant de Californie, puis se retrouve vers l'ouest dans le courant nord-équatorial, sous les alizés de nord-est. On y observe de fortes turbulences, des variations de direction, de vitesse et de température très importantes.

Le Kuroshio est considéré comme commençant sur la côte est de Taiwan, là où le Courant Nord-Equatorial passe d'écoulement vers l'ouest vers un écoulement plutôt dirirgé vers le nord. Le Kuroshio transporte des copépodes, des calamars et plein d'autres être vivants marins.

Ses eaux chaudes maintiennent en vie les récifs coralliens au large de la côte est du Japon (ceux-ci font partie des récis les plus au Nord au monde). Comme le Gulf Stream, ce courant large de 100 km produit de nombreux tourbillons. Certains d'entre eux ont un diamètre de 70 km et vont jusqu'à 1 500 m de profondeur. Le Kuroshio a une température qui va de 2°C à 25°C. Les différences de température peuvent causer des upwelling de nutriments, générant une explosion de phytoplanctons. Les phytoplanctons sont consommés par les zooplanctons, consommés par des petits poissons, eux-mêmes consommés par de plus gros poissons.

Comme l'Atlantique Nord, l'ouest du Pacifique Nord a un nombre de contre-courants et de plus petites branches de courant tous liés à des mécanismes complexes dont le Kuroshio est à l'origine.

C'est bien de souligner les analogies des 2 courants (il y a aussi des tourbillons associés au GS et bien sûr une activité biologique intense). Il faudrait aussi dire qu'il y a d'autres courants de bord ouest dans l'hémisphère sud le long des 3 continents, mais ils sont moins bien caractérisés que le GS et le Kuroshio.

I) Phénomènes liés à l'apparition du Kuroshio

a) Le vent : un facteur dominant

Le Kuroshio est lié aux vents d'ouest (westerlies) et aux alizés (trade winds). Ces vents ont une influence sur les couches d'eau de surface et donc aux couches plus profondes (jusqu'à 800m de profondeur) de proche en proche. Cependant, cette influence diminue avec la profondeur. Le vent est le facteur dominant dans l'apparition du Kuroshio, tout comme le Gulf Stream. En effet, en exerçant une pression sur la couche d'eau de surface, le vent met celle-ci en mouvement : il est donc à l'origine des courants de surface. Les vents d'ouest soufflent de l'ouest vers l'est alors que les alizés sont des vents soufflant de l'est vers l'ouest. Dans l'hémisphère nord, les vents d'ouest soufflent essentiellement du sud-ouest. Notons que l'influence des vents d'ouest sont moindres par rapport à celui des alizés.

Sur la carte de gauche, les flèches bleues et rouges représentent les directions des courants. Les flèches blanches, quant à elles, représentent le sens du vent.

La direction des vents est modifiée par la force de Coriolis (force résultant de la rotation de la Terre).

b) Les ondes de Rossby

Les ondes de Rossby sont des ondes décrivant de longs mouvements ondulatoires de la circulation atmosphérique et se propagent vers l'ouest. Lorsqu'une colonne d'air bouge, elle conserve son tourbillon potentiel :

q = (f+ξ)/H = constante

avec :

f : le paramètre de Coriolis (f=0 à l'équateur f=fmax au pôle Nord)
ξ : tourbillon qui mesure la vitesse à laquelle l'air tourne autour de son propre axe (ξ>0 pour un écoulement cyclonique)
H : hauteur de la colonne d'air

Ce tourbillon potentiel décrit un mouvement vertical dans l'atmosphère et dans l'océan. Ainsi, lorsqu'une colonne d'air change de latitude, f variera et ξ et H compenseront alors cette variation. Or, dans l'atmosphère, H peut être considéré comme constante. C'est donc ξ qui variera dans le sens opposé à f.

Par exemple, si l'on se place dans l'hémisphère Nord, une colonne d'air se déplaçant vers le Sud verra sa valeur de f diminuer et donc celle de ξ augmenter tout en étant >0. La colonne d'air se met donc à tourner dans le sens cyclonique. Cette rotation déplace alors les colonnes d'air voisines. La colonne située à l'est entamera une montée vers le Nord et tournera dans le sens anticyclonique. Ces colonnes d'air déplacent au fur et à mesure leurs voisines. Un déplacement vers l'ouest d'une structure ondulatoire peut alors être mis en avant : c'est une onde de Rossby.

Comme ξ compense f, les tourbillons tournent plus rapidement près de l'équateur. Circulant vers l'ouest, les ondes de Rossby près de l'équateur pourront alors mettre quelques mois à atteindre le Japon en partant de la Californie tandis que celles plus proches du pôle Nord mettront des années.

c) Le transport d'Ekman

Le fait que l'action des vents engendre les courants de surface est appelé le transport d'Ekman. Cette action est transmise aux couches plus profondes avec une diminution progressive de la vitesse du courant induit.

Plus la profondeur est importante, plus le courant est sensible à la force de Coriolis. Ainsi apparaît la spirale d'Ekman, déterminant la trajectoire moyenne du courant marin en fonction de celle du vent. Le déplacement moyen est de 90° à la droite du vent dans l'hémisphère Nord.

II) L'influence de l'inclinaison de la côte japonaise

a) Modèle numérique

Nous avons choisi un modèle bidimensionnel basé sur les équations de Navier-Stokes. Les équations du mouvement sont :

(∂u/∂t) + u (∂u/∂x) + v (∂u/∂y) - fv = -g' (∂h/∂x) (1)
(∂v/∂t) + u (∂v/∂x) + v (∂v/∂y) - fu = -g' (∂h/∂y) (2)

avec -g' (∂h/∂x) = -g (Δρ/ρ0) (∂h/∂x) = -(1/ρ0) (∂P/∂x).

L'équation de continuité est :

(∂h/∂t) + (∂uh/∂x) + (∂vh/∂y) = 0

Signification des différents termes :

u et v sont les composantes horizontales non turbulentes ou « moyennes » de la vitesse du mouvement
u' et v' sont les composantes turbulentes de la vitesse du mouvement
f est le paramètre de Coriolis
P est la pression
ρ0 est la densité de référence de l'eau de mer au sens de l'hypothèse de Boussinesq

Interprétation physique des termes :

∂u/∂t ⇔ variation locale de la vitesse en fonction du temps
u (∂u/∂x) + v (∂u/∂y) ⇔ advections horizontales
-(1/ρ0)*(∂P/∂x) ⇔ gradient de pression
fv ⇔ terme de Coriolis
Les 3 derniers termes sont les termes de turbulence

Pour le moment, nous ne prenons pas en compte les termes turbulents qui peuvent être ajoutés aux équations de Navier-Stokes. Nous verrons par la suite si les ajouter est nécessaire pour mieux représenter le Kuroshio dans notre modèle. Ces termes sont :

A*h*Δu = -(∂u'u'/∂x)-(∂u'v'/∂y) pour (1)
A*h*Δv = -(∂v'u'/∂x)-(∂v'v'/∂y) pour (2)
𝛕(y) pour (1) (voir selon la direction du vent)

avec Δu le laplacien de u, 𝛕(y)=-𝛕0*cos(πy/D) (simple gyre) ou 𝛕(y)=-𝛕0*cos(2πy/D) (double gyre)

Il est nécessaire qu'une couche limite apparaisse afin que la conservation de la masse soit respectée. Cette couche limite, due à la présence de côtes, permettra à l'eau de revenir en sens inverse. Des côtes sont donc placés à chaque arête du bassin rectangulaire : la côte ouest représente la côte japonaise, la côte est représente la côte californienne.

Dans le fichier parameter.h, les paramètres implantés sont :

jpj=102 (longueur du bassin)
jpi=102 (largeur du bassin)

jpj et jpi sont les nombres de cases de la grille (dont 2 points de terre parmi les 102 points). jpi représente la longitude : (jpi-2)*dx = 100 * 20 000m = 2 000 km dans notre cas. jpj représente la latitude: (jpj-2)*dy = 100 * 20 000m = 2 000 km dans notre cas. Dans le fichier makefile, les clés utilisées sont :