océanographie
Ensemble des études et recherches effectuées sur la partie du globe terrestre recouverte par les mers : c'est-à-dire la masse des eaux, le sol et le sous-sol marins et les zones limites des mers (surface et littoral).
Introduction
L'océanographie est l'exemple même d'une science qui se définit non par son objet mais par le milieu qu'elle étudie. Elle entretient des liens très étroits avec de nombreuses disciplines scientifiques ; ainsi est-elle tour à tour physique ou biologie, chimie ou géologie, selon le domaine qu'elle étudie ou les méthodes qu'elle utilise. Mais elle garde une profonde unité, qu'elle tire du lien créé par la mer entre tous les éléments, vivants ou inanimés, qui sont enveloppés, recouverts ou transportés par elle.
L'océanographie fut à l'origine, l'apanage des marins, et son histoire s'est confondue pendant des siècles avec celle de la navigation. La science océanographique s'est réellement organisée à partir du xixe s. La campagne océanographique du « Challenger » (1872-1876) est souvent retenue comme point de départ de la recherche océanographique moderne. Très vite, les grandes nations maritimes créent des laboratoires, mettent sur pied des campagnes à la mer, et le besoin de normaliser les méthodes, de coordonner les programmes et de confronter les résultats amène la création d'organismes internationaux.
La biologie marine a été le précurseur des recherches marines dans les pays développés. En France, ces recherches se sont développées sur le littoral métropolitain dès le xixe s. Le premier laboratoire strictement marin créé en France fut en 1859 le laboratoire de biologie et de physiologie marine de Concarneau. Il fut suivi en 1863 par la station biologique d'Arcachon, puis en 1872 par la station biologique de Roscoff.
Océanographie et océanologie
Le terme « océanologie » est un néologisme de la fin des années 1960 qui tend à remplacer le mot « océanographie », jugé trop restrictif ; il veut exprimer le changement intervenu dans le monde actuel quant à la conception des relations avec l'océan, espace stratégique, économique, aire d'action pour le travail, l'exploitation ou le loisir. Il traduit la conjonction plus étroite des connaissances océanographiques et de l'utilisation du domaine océanique. Les activités océanologiques modernes interviennent dans l'exploitation des ressources vivantes par la pêche et l'aquaculture, dans celle des ressources minérales et des hydrocarbures, dans les transports maritimes, les loisirs marins, plaisance ou croisières. Ces activités mettent en œuvre des techniques de plus en plus perfectionnées à la fois pour l'exploitation et la conservation de l'océan. L'océanologie couvre aussi les aspects juridiques et économiques propres à cette mise en valeur. Les champs d'activités de l'océanologie peuvent donc être analysés sous leur double appartenance de disciplines scientifiques et techniques et de leurs applications maritimes. Ces dernières comprennent les pêches et l'aquaculture marines, qui représentent la facette milieu vivant ; la navigation et le génie océanique, que l'on peut relier au milieu liquide (masse d'eau) ; l'exploitation des ressources minérales ou fossiles et l'aménagement du littoral avec leur technologie associée, qui intéressent principalement le milieu solide (sol et sous-sol).
En France, l'apparition de la notion d'océanologie avec ses applications multiples a conduit à la création du Cnexo (Centre national pour l'exploitation des océans) en 1967. Cet organisme fut chargé de définir une politique nationale de recherche océanographique et participer à son financement, de coordonner efficacement les programmes de recherche des centres et laboratoires nationaux par l'établissement d'un programme national, de créer des équipements et des services communs. Le Cnexo a fusionné en 1984 avec l'ISTPM (Institut scientifique et technique des pêches maritimes) pour constituer un nouvel établissement public à caractère industriel et commercial, l'IFREMER (Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer).
Le milieu liquide
La Terre est la seule planète du système solaire à posséder une température de surface qui permette à l'eau d'y exister sous ses trois formes : solide, liquide et gazeuse. C'est donc la seule planète sur laquelle on trouve à la fois des glaciers, des nuages, de la pluie, des fleuves et des océans. 97 % des eaux de l'hydrosphère terrestre (non compris l'eau de la croûte et du manteau) seraient stockées dans le réservoir océanique. Les océans occupent par ailleurs 70,8 % de la surface du globe. On peut donc parler de la « planète océane » !
Toute l'eau des océans, ainsi d'ailleurs que l'air, la glace et les eaux fluviales, a une origine interne. Lors de la formation de notre planète, il y a 4,6 milliards d'années, un processus de dégazage de l'intérieur de celle-ci s'est initié. Ce phénomène, très vigoureux au début à cause de la chaleur élevée de la Terre, se poursuit encore aujourd'hui. Cependant l'intensité du dégazage va en décroissant avec le temps, car les éléments radioactifs responsables de la chaleur interne de la Terre se désintègrent et leur action thermique diminue au cours du temps. Les réserves aquatiques de la planète sont contenues dans le manteau, à quelque 400 kilomètres de la surface terrestre.
Les caractéristiques de l'eau de mer
La caractéristique essentielle de l'eau de mer est sa salure. La concentration moyenne de sels dissous est d'environ 3,5 % du poids. Les valeurs de la salinité sont habituellement exprimées en parties pour mille en poids. La composition chimique de l'eau de mer est constante : cela signifie que la valeur de la salinité totale peut varier mais que la proportion de la concentration de chaque ion majeur par rapport à la salinité totale reste constante. La salinité varie avec la profondeur et en surface suivant les zones géographiques. La salinité de surface dépend de l'équilibre entre les précipitations et l'évaporation. En mer ouverte, les valeurs de salinité varient de 39 ‰ à 32 ‰. À partir de 1 000 m de profondeur, l'influence des variations de surface s'estompe et les salinités ont une valeur constante comprise entre 34,5 et 35 ‰.
Le second paramètre important des propriétés physiques de l'eau de mer est la température. Celle-ci est déterminée principalement par la quantité d'insolation reçue. Elle dépend donc de la latitude, de la saison et de l'heure. Les océans ont une grande capacité thermique à cause de la température latente de leur masse d'eau et ils agissent comme tampon pour les variations de température du globe.
La connaissance de la salinité et de la température, ainsi que de la pression (profondeur), permet de déterminer la densité de l'eau de mer. En effet en surface la température et la salinité contrôlent seules la valeur de la densité mais en mer profonde la pression devient un paramètre important.
La circulation verticale dans les océans est contrôlée par les variations de température et de salinité, d'où son nom de circulation thermohaline. Ses principaux composants sont les eaux denses et froides produites autour des zones polaires, qui plongent et se propagent dans les zones les plus profondes des fonds marins.
Les masses d'eau d'origine et de propriétés différentes sont séparées par des fronts. Les processus de mélanges entre masses d'eau s'effectuent par diffusion moléculaire ou par mélange turbulent. Ce dernier est le plus efficace et le plus rapide ; le mélange horizontal est prédominant sur le mélange vertical à cause surtout de la stratification de densité.
Les mouvements de la mer
On ne peut aborder l'étude des mouvements de la mer sans recourir à l'hydrodynamique. Certains mouvements sont rigoureusement périodiques comme la force génératrice des marées, d'origine astronomique et dont la période est déterminée par les mouvements célestes, mais très diverse est la réponse des océans à ses sollicitations. D'autres forces sont apériodiques, et de durée plus ou moins longue, comme celles dues aux vents.
La rotation terrestre et la viscosité des eaux modifient le mouvement aussitôt qu'il existe. C'est le cas des grands courants océaniques, tels le Gulf Stream, branche occidentale renforcée du système de courant Nord-Atlantique, qui transporte par seconde plus de 50 millions de mètres cubes, sur des milliers de kilomètres.
Dans l'échelle des trajets décroissants viennent ensuite les courants de marée qui sont liés aux variations du niveau des mers sous l'effet des forces luni-solaires et périodiques comme elles. Ils transportent des molécules d'eau sur des distances de l'ordre du kilomètre, de la dizaine de kilomètres au plus, et qui sont surtout appréciables dans les parties peu profondes des mers.
L'agitation due à la houle et aux vagues, qui se fait sentir seulement dans une couche d'eau relativement peu épaisse, est grossièrement périodique et de l'ordre de la dizaine de mètres. Aux courants généraux, aux courants de marée, aux déplacements d'eau dus à la houle et aux vagues s'ajoute une agitation à plus ou moins grande échelle, qui est liée au caractère turbulent de tous les mouvements marins. On a mis en évidence, il y a une trentaine d'années, l'existence dans la mer de vastes tourbillons horizontaux atteignant jusqu'à 200 km de diamètre, aux limites constamment fluctuantes, notamment sur les bords de courants océaniques comme le Gulf Stream. Ces tourbillons sont probablement les agents les plus efficaces de la perte d'énergie par frottement que subissent les courants et qui les empêche de croître sous l'effet de la force d'entraînement des vents réguliers, plus ou moins constamment appliquée. Depuis, par l'utilisation des satellites, on a montré la présence généralisée de ces tourbillons océaniques, leur dimension et leur évolution dans l'espace et dans le temps.
La rotation terrestre a des effets différenciés selon la périodicité de ces courants, c'est-à-dire aussi suivant leur extension. Ces effets sont d'autant plus grands que la période du mouvement est plus longue, et la force de Coriolis qui résulte, pour tout mobile terrestre, de la rotation du globe, a une importance primordiale pour les grands courants océaniques, un effet appréciable sur la marée et les courants de marée, mais une influence négligeable sur les mouvements liés à la houle.
L'échelle des vitesses des mouvements marins est très large aussi. On rencontre des vitesses de plusieurs mètres par seconde pour toutes les catégories de courants. Mais il existe aussi des mouvements de l'ordre du centimètre par seconde, particulièrement dans les parties profondes des océans. Ces mouvements des eaux profondes, qui peuvent subir des accélérations considérables au cours des époques géologiques (glaciations), permettent un renouvellement par plongée des eaux superficielles polaires mais aussi transfert des eaux profondes plus chaudes vers les pôles. C'est un cycle thermodynamique où la source chaude est sous l'équateur et la source froide dans les régions polaires.
Le milieu vivant
Selon les spécialistes, les expressions « biologie marine » et « océanographie biologique » sont tantôt synonymes et interchangeables, tantôt différentes. La biologie marine s'attache aux aspects marins de la biologie ; elle est centrée sur la vie et les organismes vivants, et considère surtout les niveaux structuraux des individus et des populations ; l'océanographie biologique, d'un point de vue plus global, est centrée sur le milieu des mers et des océans et plus intégrée à l'ensemble de l'océanographie ; elle considère de préférence des niveaux d'organisation, tels ceux des écosystèmes et de la biosphère.
Les eaux salées ont été le berceau de la vie sur notre planète, comme en témoignent les rappels phylogéniques que constituent le sang ou la cavité amniotique des vertébrés. Nombre de phylums ou de classes taxinomiques n'ont pas quitté le milieu marin. À l'exception des vertébrés adultes, les êtres marins sont à peu près isotoniques avec l'eau de mer. La sustentation y est facile en raison des densités très voisines du milieu et de la matière vivante. La reproduction et le développement s'y réalisent aisément. Cependant, dès que la profondeur atteint quelques dizaines et surtout quelques centaines de mètres, le froid et plus encore l'obscurité sont des obstacles ou des handicaps importants pour la vie en mer. En effet, le rayonnement solaire, moteur fondamental, directement ou indirectement, de toute la vie sur la planète, ne pénètre que les couches superficielles des océans et des mers. On estime que la photosynthèse ne peut offrir un bilan positif que dans 1 à 2 % du volume des océans. Pourtant, on sait aujourd'hui que la vie existe dans les grandes profondeurs océaniques.
La vie dans les abysses
La question fondamentale de savoir jusqu'à quelle profondeur la vie pouvait subsister, dans ce milieu que l'on pressentait hostile, où règnent une obscurité totale, une forte pression et de très basses températures, a commencé à se poser au xviiie s. Elle a justifié pendant plus d'un siècle de nombreuses expéditions océanographiques.
Des découvertes successives ont montré que la vie était toujours présente dans les fonds de plus en plus profonds. À la fin de la première moitié du xxe s., une réponse définitive fut apportée par un navire danois, « la Galathea », qui réussit en 1951 l'exploit de traîner un chalut entre 9 820 m et 10 210 m, sur le fond de la fosse des Mariannes, dans le Pacifique, et rapporta quelques invertébrés.
Depuis, en particulier avec les plongées de submersibles de recherche, on a observé dans les grandes profondeurs une vie diversifiée et de grands animaux carnivores. La question de l'origine de la nourriture utilisée par la faune profonde s'est alors posée. On sait aujourd'hui que cette faune dépend à la base de la production photosynthétique de surface et de la matière organique qui atteint le fond. La faune profonde apparaît ainsi comme un exemple unique de système vivant qui utilise une matière organique synthétisée en surface, à plusieurs kilomètres de distance.
Une autre découverte d'importance a été, en 1977, celle d'oasis au fond des mers : des concentrations gigantesques d'animaux variés ont été mises en évidence par les submersibles scientifiques dans des zones d'exhalaisons hydrothermales. Ces sources sous-marines d'eau chaude (pouvant atteindre 300 °C) ont été observées à plusieurs milliers de mètres de profondeur et sont associées à une faune exubérante et à un grouillement de vie extraordinaire. L'existence de cette vie repose fondamentalement non pas sur le flux de matière organique provenant de la surface, mais sur l'exploitation par des bactéries de l'énergie chimique disponible dans les substances véhiculées par la circulation hydrothermale. Ces bactéries hyperthermophiles (pouvant vivre à des températures qui approchent 100 °C) d'origine abyssale ont des propriétés particulières étudiées actuellement en biotechnologie. En effet, ces micro-organismes constituent une source d'enzymes thermostables d'intérêt industriel.
Le milieu solide
Lorsque l'on parle des fonds sous-marins, on pense à leur profondeur (bathymétrie), à leur forme ou modelé (morphologie), mais également à la nature du sol. Le sol des fonds marins est constitué de trois classes d'échantillons, si l'on se fonde sur leur texture. On trouve surtout des sédiments meubles, qui se déforment sous le doigt ; mais aussi des sédiments consolidés, qui se déforment sous l'ongle ou la pointe d'une spatule ; et enfin de la roche, qui nécessite le marteau ou la scie pour être fractionnée.
Les différents composants d'un sédiment océanique peuvent être classés en quatre grandes catégories suivant leur origine : la fraction biogène, liée à l'activité biologique du plancton et des organismes marins ; la fraction volcanogène, résultant de l'activité volcanique ; la fraction détritique, héritée des continents ; et la fraction authigène, néoformée à partir des ions en solution dans l'eau de mer.
Ce n'est qu'à partir des années 1950, grâce au perfectionnement des matériels et des techniques d'étude (développement des sondeurs acoustiques et des appareillages de prélèvements d'échantillons sur le fond, adaptation à la mer des systèmes de recherche sismique des pétroliers), qu'est apparue une image globale de la structure de la « face cachée » de notre planète.
Morphologie des fonds océaniques
Les grands traits morphologiques qui caractérisent les fonds océaniques comprennent tout d'abord une immense chaîne de montagnes qui sillonne le globe dans tous les océans sur une distance d'environ 65 000 km ; cet ensemble de dorsales océaniques s'élève en moyenne à 2 000 m au-dessus de zones plates environnantes, les plaines abyssales, et sa largeur peut atteindre 2 000 km. Une vallée centrale, profonde parfois de plus de 1 000 m, le rift, entaille la crête des dorsales.
Un second trait morphologique majeur est constitué par les fosses. Ce sont des dépressions allongées et de faible largeur, dont les flancs ont des pentes très accentuées. Les plus profondes se trouvent dans l'océan Pacifique : la fosse des Mariannes dépasse 11 000 m de profondeur, et les fosses de Tonga-Kermadec, des Kouriles, des Philippines et de Bonin dépassent 10 000 m.
Entre les fonds océaniques et les continents s'étend une zone de transition aux pentes plus ou moins accusées, la marge continentale. Celle-ci est elle-même divisée en trois domaines principaux. À partir des bassins océaniques, on trouve le glacis continental, qui est un prisme sédimentaire aux formes relativement molles. Ce glacis est surmonté par la pente continentale, à déclivité plus importante. Enfin, au sommet de la pente, vers 200 m de profondeur, se trouve le plateau continental, plate-forme relativement horizontale.
La tectonique des plaques
En 1967, l'analyse des mesures de géophysique effectuées par les navires océanographiques sur tous les océans (sondages acoustiques ; mesures de gravité, de magnétisme, de réflexion et de réfraction sismiques…) et l'affinement des modèles, grâce à l'utilisation des ordinateurs, ont permis de proposer une hypothèse fondamentale : la tectonique des plaques.
Cette hypothèse, vite devenue une théorie, explique l'évolution de la structure externe de notre planète et intègre les notions de « dérive des continents » du géophysicien et météorologue allemand Alfred Wegener (1880-1930) et de renouvellement des fonds océaniques.
Selon la tectonique des plaques, l'écorce terrestre (sur une épaisseur d'environ 100 km) est constituée d'une douzaine de « plaques » qui se meuvent les unes par rapport aux autres et se renouvellent constamment. Ces plaques, considérées comme rigides, sont constituées de roches océaniques, de roches continentales ou de roches des deux types et forment la lithosphère. Elles se déplacent sur une couche visqueuse sous-jacente, l'asthénosphère. Dans leur mouvement relatif les unes par rapport aux autres, trois possibilités se présentent : l'écartement, le glissement et le rapprochement.
Quand deux plaques divergent, des roches profondes en fusion remontent et se solidifient à la frontière des deux plaques : c'est ce qui se produit dans les rifts sur les dorsales océaniques ; quand deux plaques se rapprochent, il y a compression et plongée d'une plaque sous l'autre : c'est ce qui se produit dans les fosses océaniques. Le glissement entre deux plaques entraîne des séismes et la formation de structures allongées appelées zones de fracture.
L'analyse des mouvements relatifs entre les plaques, en remontant l'échelle géologique, permet de comprendre les évolutions des différents océans et des continents qui les bordent. En effet les fonds océaniques, en raison de leur renouvellement, sont jeunes, beaucoup plus jeunes que les continents. Les échantillons les plus anciens, prélevés dans ces fonds par carottages ou forages, sont âgés de 160 millions d'années, alors que la planète a plus de 4 milliards d'années. Des océans disparus ont laissé des fragments de leurs fonds dans les blocs continentaux, sous forme de chaînes de montagnes, alors que le reste a été réabsorbé dans le manteau visqueux.
De la connaissance très récente des fonds marins, du cycle de vie de l'océan, nous retirons les éléments qui nous permettent progressivement de connaître et de comprendre le fonctionnement de notre planète.
Pour en savoir plus, voir les articles expansion des fonds océaniques, tectonique.
L'océanographie spatiale
Du fait de leur aptitude au stockage, au transport et à l’échange (avec l’atmosphère) de matière et d’énergie, les océans jouent un rôle déterminant dans les phénomènes climatiques. La compréhension des mécanismes mis en jeu passe notamment par une description des océans : courants, marées, houle, vagues, température, etc. Des données sur ces phénomènes doivent être recueillies de façon régulière sur de longues périodes et sur l’ensemble du Globe. Pour y aider, le satellite a pour lui des atouts importants : couverture dense et synoptique, à l’échelle planétaire, pendant des années, répétitivité des mesures, rapidité de la collecte et de la diffusion des résultats, etc. Lui seul est capable de fournir aux scientifiques le flux d’informations nécessaire à la mise au point des modèles mathématiques visant à rendre compte de la circulation atmosphérique générale.
Un satellite océanographique sert donc de plate-forme d’observation à divers instruments (altimètre, radiomètre, radar imageur, etc.) grâce auxquels on peut déterminer la température de surface de l’eau, la vitesse du vent sur la mer, l’étendue et l’âge des glaces océaniques, la teneur de l’atmosphère en vapeur d’eau et en eau liquide, la hauteur des vagues, etc. Néanmoins, comme ces données ne concernent que la surface des océans, des mesures complémentaires in situ demeurent indispensables, par exemple au moyen de navires spécialisés, de bouées dérivantes (dont les informations peuvent, elles aussi, être collectées par satellite), de courantomètres, de bouées immergées en profondeur, de mesures électromagnétiques du fond de mer et de sondages acoustiques.
L’observation des océans depuis l’espace a commencé véritablement en 1978 avec le lancement, par les États-Unis, de Seasat 1, le premier satellite océanographique. Depuis, l’océanographie spatiale s’est beaucoup développée avec des programmes tels que ERS (Europe), Topex-Poséidon (États-Unis-France), Radarsat (Canada), Adeos (Japon), Envisat (Europe), Jason (France-États-Unis), etc.
