Les masses d'eaux

et leurs propriétés

Chaque goutte d'eau plongée dans la mer prend ses propriétés physiques et chimiques initiales au contact de l'atmosphère, à la surface de l'océan.

La température (T) et la salinité (S) de cette goutte sont les deux propriétés essentielles qui vont permettre de la caractériser, et constituer en quelque sorte sa carte d'identité. Avec la pression (P), T et S déterminent la densité de l'eau de mer : il s'agit de son poids par unité de volume. Dans l'océan, les gouttes d'eau les plus lourdes s'écoulent en-dessous des gouttes d'eau les plus légères. Les gouttes d'eau de densité identique se regroupent donc aux mêmes niveaux de profondeur en volumes homogènes pour former ce que l'on appelle les masses d'eaux océaniques.

L'océan est ainsi constitué d'une multitude de masses d'eaux, chacune aux caractéristiques T et S bien définies et constantes, tant qu'elles ne sont pas mélangées à d'autres masses d'eaux ou tant qu'elles ne subissent pas d'échange de chaleur (réchauffement à l'équateur, refroidissement aux pôles) et d'eau douce (pluies) avec l'atmosphère.

C'est pour cette raison que les océanographes cherchent continuellement à mesurer ces paramètres physiques de température et de salinité partout dans l'océan, de la surface jusqu'aux plus grandes profondeurs. La température et la salinité sont de véritables traceurs qui permettent d'identifier et de suivre les différentes masses d'eaux depuis leur région de formation, et ainsi mieux comprendre les mouvements et les variations dans les océans.

Imaginez une goutte d'eau à la mer ...

une question de 

sels dissous

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SALINITÉ

DENSITÉ

Histoire

d'équilibre

En savoir plus...

Unités

toutes les unités

de mesures des caractéristiques physiques des masses d'eaux

Chiffres-clés

variations de température, salinité, et densité  

dans l'océan

Concrètement...

les outils essentiels

TEMPÉRATURE

une affaire de 

quantité de chaleur

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DENSITÉ

Histoire

d'équilibre

 

TEMPÉRATURE

une affaire de 

quantité de chaleur

La notion de température est reliée à la notion de chaud et de froid, qui sont des notions assez subjectives. Scientifiquement, on relie la température de la goutte d'eau de mer à la quantité de chaleur contenue dans cette goutte. La température, notée T, se mesure en degrés Celsius (°C), degré Fahrenheit (°F) ou en Kelvin (K). Dans l'océan, les eaux sont principalement chauffées par le soleil.

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Répartition horizontale à la surface de l'océan

A l'échelle mondiale, ce sont les satellites qui ont récemment permis d'approfondir la connaissance de la température de surface, notée SST (Sea Surface Température). A la surface de l'océan, les eaux les plus froides se situent au niveau des pôles et les eaux les plus chaudes sont situées au niveau des régions équatoriales, là où l'intensité du chauffage solaire est maximum. 

Carte mondiale de la température de surface (SST) de l'océan (en °C) obtenue à partir de mesures en mer collectées entre 2002 et 2012.

Dans les régions polaires, la couche de surface est beaucoup plus froide et peut même atteindre des températures négatives en hiver, car la présence de sel dans l'eau de mer abaisse son point de congélation* en-dessous de 0°C.

Une des régions où la température de surface est la plus chaude est le Pacifique Equatorial Ouest : les océanographes font référence à cet énorme volume d'eau chaude qui s'étend sur plusieurs milliers de kilomètres et d'une température proche de 30°C comme à une piscine d'eau chaude !

Répartition verticale en profondeur dans l'océan

Malgré l'atténuation progressive du rayonnement solaire avec la profondeur, on remarque que près de la surface, la température est souvent la même sur plusieurs dizaines, parfois centaines de mètres : on parle de couche mélangée océanique* car c'est une couche en permanence agitée par le vent et mélangée grâce aux flux* de chaleur et d'eau douce. 

Exemple de profil vertical caractéristique de la variation de la température en fonction de la profondeur, avec le positionnement de la couche mélangée et de la thermocline.

La couche mélangée est isolée des eaux les plus profondes par une zone où la température décroît très rapidement, appelée la thermocline*, qui sépare donc les eaux chaudes de surface des eaux profondes les plus froides. Il existe une thermocline permanente dans la plupart des régions du globe, à l'exception des régions polaires, où les eaux sont continuellement mélangées sur plusieurs milliers de mètres. 

 

L'eau de mer est constituée à 96,5% d'eau pure et de 3,5% d'autres substances comme les sels, les gaz dissous et les substances organiques. La salinité représente la part des sels dissous dans une goutte d'eau de mer. La salinité des océans dépend globalement de l'équilibre entre évaporation (qui concentre le sel) et apports d'eau douce (comme la pluie, qui le dilue).

une question de 

sels dissous

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SALINITÉ

L'eau de mer est salée depuis la nuit des temps. Au moment de la formation des océans il y a environ 4,2 milliards d'années, le ruissellement des eaux de pluie sur le continent a progressivement arraché des sels d'origine minérale (cristaux) à la croûte continentale. 

En surface, le vent provoque l'évaporation de l'eau douce, qui pousse la vapeur d'eau vers l'atmosphère et laisse derrière elle sels et minéraux trop lourds pour se vaporiser. L'eau de mer devient ainsi de plus en plus salée. La salinité des océans dépend donc globalement de cet équilibre entre l'évaporation - plus ou moins importante selon la température de surface et la force du vent, et qui concentre le sel, comme dans les marais salants ! - et l'apport d'eau douce, par les pluies et le ruissellement par les rivières, qui dilue le sel.  

La salinité, notée S, se mesure sur une échelle de salinité (psu, practical salinité unit) mais on peut aussi la mesurer en gramme par kilogramme (g.kg-1), gramme par litre (g.L-1) ou pour mille (°/°°). Mais les océanographes ont l'habitude de ne pas associer d'unité à la salinité de l'océan car elle est mesurée à partir de la conductivité électrique, c'est-à-dire la capacité des ions présents dans l'eau de mer à conduire un courant électrique.

Sais-tu que

les deux principaux sels présents sous forme d'ions* dans l'eau de mer sont le sodium (Na+) et le Chlorure (Cl-) qui s'associent pour former le chlorure de sodium (NaCl) - celui que l'on extrait pour obtenir notre sel de table ! 

Répartition horizontale à la surface de l'océan

A l'échelle mondiale, ce sont les satellites qui ont récemment apporté la connaissance de la salinité de surface, notée SSS (Sea Surface Salinity). A la surface de l'océan, les zones les plus salées sont dans les zones où l'évaporation excède les précipitations (par exemple dans l'Océan Atlantique). Les zones les moins salées sont situées dans les régions où les précipitations dominent : aux hautes latitudes sujettes à moins d'évaporation, et à l'équateur, où les précipitations sont intenses. 

Carte mondiale de la salinité de surface (SSS) de l'océan (en °C) obtenue à partir de mesures en mer collectées entre 2002 et 2012.

Dans les régions polaires, la salinité est assez faible et peut même atteindre des valeurs inférieures à 34 dans l'océan arctique et à la périphérie du continent antarctique, du fait des précipitations et de la fonte saisonnière des glaces. 

Les mers intérieures, quant à elles, donnent naissance à des propriétés en salinité très différentes suivant leur bilan évaporation-précipitation. On peut comparer par exemple les deux mers semi-fermées que sont la Méditerranée et la Mer Rouge où l'évaporation domine et qui sont celles qui produisent l'eau la plus salée au monde, à la Mer Noire peu salée, où les eaux profondes sont stagnantes et les apports en eau douce dominés par les précipitations et le ruissellement par les rivières. 

Répartition verticale en profondeur dans l'océan

Au-dessous de 1000 mètres, il y a assez peu de variations et les valeurs restent comprises entre 34.5 et 35 psu. On appelle halocline* la zone de transition forte qui sépare les eaux les plus salées (en surface ou en profondeur) des eaux les moins salées (en surface ou en profondeur). 

Exemple de profil vertical caractéristique de la variation de la salinité en fonction de la profondeur, avec positionnement de l'halocline.

 

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Avec la pression (P), T et S permettent de déterminer la masse volumique (ou masse par unité de volume) de l'eau de mer, communément appelée densité par les océanographes et qui représente la masse d'un mètre cube d'eau de mer. Dans l'océan, les gouttes d'eau qui ont des valeurs de T et S identiques peuvent se regrouper et flotter à la même profondeur dans une région donnée. Elles forment alors des volumes homogènes appelés masses d'eaux océaniques.

DENSITÉ

Histoire

d'équilibre

Dans l'océan, les variations de la température et de la salinité ont un effet contraire sur la densité. Le réchauffement de l'eau de mer aura pour effet de la rendre moins dense (donc plus légère) alors qu'une augmentation de salinité aura pour effet de l'alourdir. L'eau douce et chaude est donc généralement moins dense que l'eau froide et salée. Par contre, une eau chaude et salée pourra avoir la même densité qu'une eau froide et douce : on dit alors que les effets de sel et de température se compensent. 

Répartition horizontale à la surface de l'océan

Carte mondiale de la densité de surface (SSD) de l'océan  (en kg.m-3) obtenue à partir de mesures en mer collectées entre 2002 et 2012.

A l'échelle mondiale, ce sont les satellites qui ont permis de calculer la densité de surface,  notée SSD (Sea Surface Density). A la surface de l'océan, la densité croit globalement de l'équateur jusqu'aux hautes latitudes, comme la température. Les plus grandes valeurs de densité se trouvent dans 3 grandes régions où les eaux sont très froides et très salées : l'une en Atlantique Nord, autour des Mers du Labrador et d'Irminger ; les deux autres dans l'Océan Austral, sous les deux grands plateaux de glace de l'Antarctique au sein de la Mer de Weddell et de la Mer de Ross. 

Masses d'eaux et stratification verticale

Dans l'océan, les gouttes d'eau qui ont des valeurs de température et de salinité identiques peuvent se regrouper aux mêmes niveaux de profondeur dans une région donnée. Elles forment alors des volumes homogènes appelés masses d'eaux océaniques.

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Section verticale de température en fonction de la profondeur, réalisée pendant une campagne WOCE du nord au sud de l'Atlantique

De la surface aux plus grandes profondeurs, l'océan a une tendance naturelle à se stratifier* de manière stable. C'est-à-dire qu'il positionne les masses d'eaux les moins denses au-dessus des masses d'eaux les plus denses, pour atteindre un certain équilibre. Sur la verticale, on appelle donc pycnocline* la zone de forte variation de densité qui sépare les eaux les plus légères en surface des eaux les plus lourdes en profondeur. 

Exemple de profil vertical caractéristique de variation de la densité fonction de la profondeur, avec positionnement de la pycnocline. 

Dans les régions tempérées et tropicales, on remarque que la thermocline et la pycnocline sont souvent confondues. Cela signifie que ce sont les variations de température qui pilotent les variations de densité. Dans les régions polaires en revanche, c'est la halocline qui est confondue avec la pycnocline. En effet dans ces régions, la température est proche de zéro partout sur la verticale et c'est donc la salinité qui fait varier la densité.

 

En pratique...

Chiffres-clés

Les variations de densité en surface dans l'océan sont très faibles, moins de 3% au total ! 

La masse volumique de l'eau de mer est de 1025 kg.m-3, plus élevée que celle de l'eau douce (1000 kg.m-3). Ce qui signifie qu'un litre d'eau de mer est plus lourd qu'un litre d'eau douce !

concrètement...

 Pour identifier les différentes masses d'eau à différentes profondeurs et pouvoir suivre leur évolution, les océanographes utilisent le diagramme T-S. Ce diagramme confirme qu'une augmentation de la température (ou une diminution de la salinité) conduit à une diminution de la densité. A l'inverse, une baisse de température (ou une augmentation de la salinité) augmente la densité de l'eau de mer. 

La température moyenne de l'océan est de 3.7°C !

Pas bien chaud, mais pas très étonnant quand on sait que seuls les 200 premiers mètres de l'océan sont baignés par la lumière solaire, alors que la profondeur moyenne des océans est de 3682 mètres ! Cette couche de surface d'environ 200 mètres, baignée par le soleil, constitue la couche euphotique* et elle est propice au développement de la photosynthèse pour le phytoplancton notamment. Au-delà de 1000 mètres dans l'océan, c'est le noir complet !

La salinité moyenne de l'océan est de 34.7 !

C'est proche des valeurs de salinité des eaux profondes, qui sont en réalité les plus volumineuses ! 

Et ce même si la salinité des eaux de surface peut varier entre 30 et 38 psu grâce aux flux d'eau douce (les pluies, les rivières et l'évaporation) et même si 50% des masses d'eaux de l'océan mondial ont une salinité comprise entre 34.6 et 34.8 !

Unités

Notée T,  elle se mesure en

degré Celsius (°C) ou en Kelvin (K)

Température

Notée S, elle se mesure sur une échelle de salinité (psu, practical salinity unit) mais on peut aussi la mesurer en gramme par kilogramme (g.kg-1), gramme par litre (g.L-1) ou pour mille (°/°°).

Mais les océanographes ont l'habitude de ne pas associer d'unité à la salinité de l'océan, car elle est mesurée à partir de la conductivité électrique, c'est-à-dire la capacité de sions présents dans l'eau de mer à conduire un  courant électrique.

Salinité

Densité

Notée rho( symbole grec),  elle se mesure en kilogramme par mètre cube (kg.m-3).

Diagrammes T-S caractéristiques obtenus en différents points positionnés sur la carte géographique (en vignette) du nord au sud de l'Atlantique. 

Une fois une masse d'eau isolée de la surface, ses caractéristiques de température et de salinité sont conservatives et ne peuvent être modifiées que par mélange avec une masse d'eau de caractéristiques différentes. 

 

Les diagrammes T-S sont donc très utiles pour identifier, à partir de leurs propriétés T et S, les masses d'eaux rencontrées par exemple à l'occasion d'un profil vertical collecté en mer. On peut connaître ainsi leur origine et déterminer si elles se sont mélangées avec des masses d'eaux voisines.