Ondes gyrales de longue période

Le fonctionnement des ondes gyrales de longue période s’obtient en résolvant les équations du mouvement des ondes baroclines quasi-stationnaires de très grande longueur d’onde aux moyennes latitudes. La solution, c’est-à-dire les ventres ainsi que les courants modulés polaires et radiaux de l’onde gyrale, est obtenue en appliquant l’approximation du cône β (Pinault, 2016).

L’efficacité du forçage solaire et orbital résulte du déséquilibre entre les flux entrant et sortant au travers de la surface de l’océan. En l’absence de résonance des ondes gyrales le flux entrant est équilibré essentiellement par l’évaporation. A contrario l’abaissement de la thermocline et l’accélération du courant radial convergent alors que l’intensité du forçage croît fait que l’onde gyrale se comporte comme un puits de chaleur en raison du downwelling. Une demi-période plus tard, le soulèvement de la thermocline et l’accélération du courant radial divergent alors que l’intensité du forçage décroît fait que l’onde gyrale restitue la chaleur accumulée : elle se comporte alors comme une source de chaleur en raison de l’upwelling. Le déséquilibre est d’autant plus grand que l’oscillation de la thermocline est plus ample, ce qui renforce la contre-réaction positive agissant sur la vitesse du courant polaire en réduisant le gradient de température entre les basses et hautes latitudes du gyre.

Un quart de période avant le maximum de l’irradiance solaire, le courant polaire est anticyclonique. Le flux de chaleur transporté par le courant de bord ouest en direction des pôles favorise l’abaissement de la thermocline, donc l’accélération du courant polaire. La vitesse du courant polaire atteint son maximum à peu près en même temps que le maximum de l’irradiance solaire. Cette boucle de contre-réaction positive augmente considérablement l’efficacité du forçage solaire et orbital. Dépendant elle-même  du gradient thermique entre les latitudes extrêmes du gyre, elle est donc fortement contrôlée par l’extension des calottes polaires.

Lorsque la résonance gyrale se produit, elle prend le pas sur les phénomènes non résonants. Comme cela se produit pour les longueurs d’onde plus courtes, la résonance détermine les forces géostrophiques à l’échelle du bassin et occulte les phénomènes non résonants dont l’impact est moindre, ceci en raison de la compétition entre phénomènes résonants et non résonants à l’échelle du gyre. Les phénomènes résonants absorbent le maximum d’énergie solaire car l’onde et le forçage sont synchronisés. Dans le cas contraire, au cours de son évolution l’onde se trouve nécessairement en opposition de phase avec le forçage et son amplitude est donc moindre. Puisqu’un seul mode peut subsister autour du gyre en raison de la grande longueur des ondes gyrales qui impose les forces géostrophiques à l’échelle du bassin, il est nécessairement résonant.

L’accélération du courant polaire de l’onde gyrale refroidit les courants tropicaux en réduisant leur temps de séjour aux basses latitudes. Mais il s’ensuit une augmentation du forçage radiatif, donc le  réchauffement global de la planète, suite à la réduction de l’écart de température entre les basses et hautes latitudes du gyre. Ceci a pour effet de réduire la puissance radiative émise qui est proportionnelle à la puissance quatrième de la température selon la loi de Stefan. A contrario, le ralentissement du courant polaire engendre un refroidissement de la planète en augmentant l’écart de température entre les hautes et basses latitudes.

Simulation des ondes gyrales de 128 ans de période

Les fondements physiques des ondes gyrales ne peuvent être établis qu’en résolvant les équations du mouvement.

Cependant celles-ci ne prennent pas en compte la boucle de contre-réaction positive de l’oscillation de la thermocline et de la vitesse du courant polaire, ce qui conduit à sous-estimer l’amplitude de l’onde gyrale : l’abaissement de la thermocline accélère le courant polaire lorsqu’il s’écoule de manière anticyclonique, donc le courant de bord ouest. Il s’ensuit un accroissement du flux thermique transporté depuis les tropiques en direction des pôles, ce qui abaisse davantage la thermocline.

Sur les trois vidéos qui suivent, les ventres des ondes gyrales sont représentés ainsi que les courants polaires et radiaux : l’énergie thermique est emmagasinée dans le ventre de l’onde gyrale sur une demi-longueur d’onde apparente (la longueur d’onde vue par un observateur immobile).

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Comme le montre la simulation dynamique de l’onde gyrale, son enroulement autour du gyre correspond à une demi longueur d’onde apparente. Le ventre suivant, en opposition de phase par rapport au précédent, est extérieur au gyre et se dirige vers le pôle. De la sorte, les ventres et les nœuds sont communs à toutes les ondes gyrales, quelle que soit leur période, à l’intérieur comme à l’extérieur du gyre.

Le ventre, qui est formé de deux renflements de part et d’autre de la ligne médiane du gyre, reste à peu près uniforme, tandis que le courant polaire accélère aux hautes latitudes, en raison de l’amincissement de la couche de mélange. Le courant radial a la même propriété. Le ventre est en quadrature par rapport au forçage, étant un quart de période en retard. Le courant polaire est en phase avec le ventre lorsqu’il s’écoule de manière cyclonique et les courants radiaux sont en phase avec le forçage quand ils convergent vers la ligne médiane du gyre.

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