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La connaissance des courants marins : observations, mesures, calculs

En dehors du cas particulier d'un courant de surface s'écoulant à proximité immédiate des côtes, la détection (donc l'identification) des courants marins, et encore plus leur mesure, ont toujours été un véritable défi pour les navigateurs et les océanographes.

Jusqu'à une époque très récente, le seul principe utilisable était d'observer le déplacement d'objets portés en surface par le courant, le plus souvent des navires mais aussi divers types de flotteurs, ce qui supposait d'être en mesure de déterminer leur position à différents intervalles de temps, et leur éventuel déplacement propre par rapport à la masse d'eau.

Courants de surface et courants de fond

La grande majorité de ce type d'observations de courants furent effectuées sur des navires, et dépendaient donc de la qualité des données de navigation puisque le courant était déduit de la différence entre la position estimée (mesure du cap, de la vitesse et de la dérive due au vent) et la position réelle (latitude et longitude). Compte tenu des instruments et techniques utilisés sur les navires participant aux grands voyages d'exploration et de découverte, les observations de courants ne pouvaient être que qualitatives et très grossières. Cependant, à une époque où le calcul de la longitude ne s'appuyait que sur des appareils de mesure du temps aussi rudimentaires que les sabliers, les premiers explorateurs des mers tropicales firent, à la fin du 15° et au début du 16° siècle, l'observation convergente (et exacte) que les courants de ces régions portent vers l'ouest. Dans certains cas particuliers, un courant portant à terre pouvait être détecté par un écart manifeste de la route estimée ; c'est ainsi que le courant de Guinée a été découvert en 1593.

La situation s'améliora quelque peu lorsque la mise au point des horloges de marine, dans la deuxième moitié du 18° siècle, permit un calcul beaucoup plus sûr et plus précis de la longitude. Les observations se multiplièrent alors que démarrait une ère d'intense exploration maritime et scientifique du monde, mais restaient exclusivement descriptives et qualitatives.

De plus, elles ne concernaient que les courants de surface, à quelques rares exceptions près. La mesure des courants profonds était d'autant moins envisageable que la possibilité même de leur existence était très controversée parmi les savants. Bien qu'elle soit la seule à expliquer le paradoxe d'un flux continu entrant dans une mer fermée, l'hypothèse d'un sous-courant sortant de Méditerranée par le détroit de Gibraltar fut ainsi âprement débattue pendant des décennies ; elle avait pourtant fait l'objet d'observations répétées de la part de navigateurs dès le milieu du 17° siècle puis, au 19° siècle, d'expériences destinées à la vérifier.

Flotteurs lagrangiens et flotteurs eulériens

Les écarts de route des navires n'étaient pas la seule manière d'étudier les courants de surface. Les objets flottants conçus et lâchés en mer dans ce but explicite constituent un cas particulier de mesure indirecte, couramment utilisé à partir du 19° siècle. Des bouteilles renfermant un message à renvoyer à un organisme scientifique ont été lâchées en 1846 sur la côte ouest des Etats-Unis, et leur usage s'est généralisé à de nombreuses études régionales. Ce principe est toujours utilisé sous la forme améliorée de cartes dérivantes, mais s'applique plutôt à l'étude des circulations de petite échelle. Il est cependant très limité par la sensibilité de ces flotteurs à l'action du vent et des vagues qui s'ajoute à celle du courant, mais surtout par le fait que, dans les cas les plus favorables (c'est-à-dire quand le flotteur est retrouvé en mer et n'est pas resté échoué pendant une durée inconnue), l'information disponible ne porte que sur les deux extrémités du parcours du flotteur (dates et positions de lâcher et de récupération), sans aucune indication sur la trajectoire suivie.

Mais les bouteilles dérivantes de l'US Coast and Geodetic Survey ont désormais de lointains héritiers : les technologies électroniques ont donné une nouvelle vie à ces flotteurs passifs (dits "lagrangiens") en leur permettant d'enregistrer leur trajectoire. Des bouées de surface équipées de systèmes de positionnement (Argos ou GPS) et d'émission des données par satellite dérivent à la même vitesse que la masse d'eau (donc indépendamment du vent) grâce une ancre flottante immergée à la profondeur adéquate : elles permettent donc un suivi très précis et très fréquent du déplacement de la masse d'eau. Depuis les années 1990, le suivi de courants profonds est effectué par des flotteurs dérivants de subsurface appelés profileurs (Rafos, Marvor, Provor), à la technologie beaucoup plus élaborée. Grâce à une flottabilité variable, ils se maintiennent à une profondeur programmée à l'avance où ils sont entraînés passivement par le courant ; leurs positions successives sont calculées au fur et à mesure de la dérive en fonction des signaux acoustiques d'émetteurs disposés sur le fond en des points fixes. Les profileurs sont programmés pour remonter périodiquement à la surface et envoyer par satellite toutes les positions enregistrées depuis la dernière émission.

L'autre principe de la mesure in situ des courants est dit "eulérien" ; il consiste à déterminer à une fréquence plus ou moins élevée les deux composantes du mouvement de l'eau en un point fixe : la vitesse (mesurée par la rotation d'une hélice) et la direction (mesurée par l'orientation d'une pale). Les premiers ont été inventés au début du 20° siècle par le Suédois Ekman ; le problème principal à résoudre était l'enregistrement des données pendant que l'instrument était sous l'eau : nombre de tours par unité de temps, orientation. Cela se faisait grâce à des dispositifs mécaniques complexes où des billes tombaient à intervalles réguliers dans différents réceptacles selon l'orientation du courant, qu'il fallait en outre relever et lire entre chaque mesure. Les courantomètres eulériens actuels utilisent des rotors performants et des compas magnétiques pour une mesure en continu, et stockent l'information sous forme numérique.

Une mesure acoustique des courants !

L'océanographie moderne dispose aussi d'outils courantométriques reposant sur des principes totalement différents. Le plus largement utilisé est l'ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), mis au point au début des années 1980 ; il ne mesure pas le déplacement de l'eau elle-même mais celui des particules de petite taille, vivantes ou inertes, qui y dérivent passivement. Cette mesure utilise l'effet Doppler, responsable de la modification de fréquence des sons réfléchis par un objet en mouvement par rapport à la source sonore : les ultrasons émis par la source ADCP sont réfléchis par les particules planctoniques ou inertes, et l'analyse de la fréquence de cet écho par rapport à la fréquence d'émission permet de calculer la vitesse et la direction de leur déplacement relatif l'un part rapport à l'autre. Si la source est fixe, ce déplacement est celui du courant. Si la source est fixée sous la coque d’un navire, le déplacement propre de celui-ci doit être connu avec la plus grande précision pour en déduire le déplacement réel des particules, donc le courant ; ceci est possible grâce aux performances des systèmes actuels de positionnement actuels par satellite. L'ADCP permet d'obtenir en continu des mesures de courants à différentes profondeurs à partir d'un navire en route ; il peut également être posé sur le fond ou installé sur un câble avec d'autres instruments de mesure.

Les courants déduits de la chimie et de relief de l'océan

Bien qu'anecdotique par rapport à la généralisation de la mesure acoustique des courants, l'utilisation de traceurs chimiques liés à l’activité humaine (tritium, fréons) ou naturels (carbone 14) a conduit, depuis les années 1970, à des avancées significatives sur les déplacements de certaines masses d'eau. C'est ainsi que les fréons (ensemble de différentes molécules de chlorofluorocarbones utilisées notamment pour les systèmes de réfrigération) se sont avérés être d'efficaces traceurs de la circulation profonde dite "de bord ouest" impliquant une eau d'origine polaire s'écoulant vers le sud sur le fond de l'Atlantique ouest. En plongeant en raison de sa densité élevée, cette eau a perdu tout contact avec l'atmosphère ; sa concentration en fréons n'évolue donc plus et reflète la concentration atmosphérique existant au moment de sa plongée. Comme celle-ci a varié quantitativement et qualitativement au cours du temps, les dosages des diverses molécules de fréons en différents endroits fournissent une information essentielle sur cette circulation très profonde et très lente, donc plus difficile et coûteuse à étudier par d'autres moyens.

Enfin, les satellites ont apporté une contribution importante à la connaissance de la circulation océanique. Ce ne sont pas les courants eux-mêmes qui peuvent être mesurés directement depuis l'espace, mais la topographie de la surface océanique qui en traduit une des causes. Un des moteurs des déplacements de masses d'eau, notamment en profondeur, est en effet la différence de pression entre deux points : analogues aux anticyclones et aux dépressions de l'atmosphère, les "bosses" et les "creux" de la surface marine induisent des courants qu'il est possible de calculer avec les outils théoriques de la physique des fluides et des moyens de calculs performants. Depuis le lancement en 1992 du satellite franco-américain Topex-Poseidon, puis de ses successeurs Jason (lancé en 2001) et Jason 2 (lancé en 2008), une couverture altimétrique de l'océan est disponible en permanence.

Pour aller plus loin sur la Toile…

Capteurs et instrumentation utilisés en océanographie physique
Laboratoire de physique des océans, IUEM, Brest
15. Mesures eulériennes des courants
16. Mesures lagrangiennes des courants

Voir aussi la bibliographie générale

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