Modes baroclines

La solution des équations du mouvement fait apparaître plusieurs modes baroclines verticaux qui s’établissent en fonction de la pycnocline, c’est-à-dire du profil de la masse volumique de l’eau de mer en fonction de la profondeur. Dans un océan stratifié, l’interface entre deux couches superposées est soumise à un phénomène d’oscillation dont la fréquence propre (normale) dépend de la différence de flottabilité entre les deux couches. A chaque interface correspond une vitesse de phase des ondes baroclines se propageant horizontalement.

La masse volumique augmente avec la profondeur, les eaux les plus denses se trouvant naturellement au fond des océans. L’évolution de la masse volumique avec la profondeur n’est toutefois pas uniforme. Dans les régions équatoriales et tropicales, il existe une couche d’eau près de la surface de masse volumique presque constante, puis une zone de transition dans laquelle la masse volumique croit très rapidement avec la profondeur. Cette couche dite pycnocline correspond en général à la thermocline. Aux profondeurs plus importantes la masse volumique évolue lentement. Aux hautes latitudes la masse volumique de la couche près de la surface est importante en raison de la basse température de l’eau de mer; le profil vertical est moins contrasté et la pycnocline moins facile à discerner.

La distinction des différents modes normaux se fait donc aux basses latitudes. Pour le premier mode barocline, l’interface se situe à la base de la pycnocline qui, à l’équateur, se trouve en moyenne à 255 m dans l’océan Pacifique, 220 m dans l’océan Atlantique et 180 m dans l’océan Indien. La vitesse de phase mesurée dans le Pacifique est d’environ 2,8 m/s, ce qui fait qu’une onde équatoriale de Kelvin met 2 mois pour traverser l’Océan Pacifique de la Nouvelle Guinée à l’Amérique du Sud. Les vitesses de phase ont été mesurées à 2,35 m/s et 2,30 m/s dans les océans Atlantique et Indien. Les variations altimétriques de la surface qui correspondent à ce mode de propagation sont le reflet des variations de profondeur de la thermocline, mais de signe opposé et d’environ 300 fois plus faible: une élévation de 5 cm de la surface correspond à un abaissement d’environ 15 m de la thermocline.

L’interface d’un autre mode important se situe au sommet de la pycnocline, c’est à dire en moyenne à 125 m, 30 m et 50 m respectivement dans les océans Pacifique, Atlantique et Indien, avec pour vitesses de phase 1,0 m/s dans le Pacifique et 0,28 m/s dans les deux autres océans. D’autres modes intermédiaires peuvent être identifiés, résultant probablement d’un couplage avec les deux modes principaux.

Glossaire

[i] Dans un milieu homogène, la propagation dans une direction donnée d’une onde monochromatique (ou sinusoïdale) se traduit par une simple translation de la sinusoïde à une vitesse appelée vitesse de phase ou célérité. Dans un milieu non dispersif, cette vitesse ne dépend pas de la fréquence (ou de la longueur d’onde). Dans ce cas toute onde complexe somme de plusieurs ondes monochromatiques subit aussi une translation globale de son profil, ceci sans déformation. Au contraire, dans un milieu dispersif la vitesse de phase dépend de la fréquence et l’énergie transportée par l’onde se déplace à une vitesse inférieure à la vitesse de phase, dite vitesse de groupe.

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