Appréhender le réchauffement climatique à partir de la dynamique océanique à petite échelle

En septembre dernier, le projet de recherche EUREC4A-OA (1) a obtenu le soutien financier des deux programmes JPI Ocean & Climate, d'importantes plateformes intergouvernementales européennes créées en 2011, ouverte à tous les États membres de l'Union Européenne et pays associés qui investissent dans la recherche marine et sur le climat. Ce projet international de recherche climatique réunit les agences de recherche nationales de quatre pays : la France l’Allemagne, l’Italie et la Norvège. Son but ? Améliorer la représentation des interactions océan-atmosphère à petite échelle dans les modèles climatiques, par des approches innovantes d'observation et de modélisation, pour mieux comprendre l’ampleur du réchauffement climatique à venir. Aux commandes de cette étude, Sabrina Speich, professeure au département de géosciences de l’ENS-PSL et chercheuse au Laboratoire de Météorologie Dynamique.

L’importance de la dynamique océanique pour l’étude du climat

Ce projet ambitieux s’inscrit dans la continuité de la campagne de terrain EUREC4A (2), menée début 2020, et à laquelle la chercheuse avait contribué en étudiant la dynamique océanique. « L’océan est le milieu dans lequel le réchauffement se concentre », explique Sabrina Speich. « Il absorbe 90% du surplus de la chaleur générée par l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre, due aux activités humaines, tandis que seulement 1% de ce surplus se retrouve dans l’atmosphère. On peut donc dire, sans hésiter, que le réchauffement global coïncide avec le réchauffement de l’océan ». Ce phénomène a de nombreux impacts sur le système climatique et sur la société, dont certains restent à élucider.
Sabrina Speich s’est penchée sur ces questions dans les eaux de l’Atlantique nord-tropical, entre la Barbade et la Guyane Française. En hiver dans cette région, des vents constants soufflent, de petits nuages se forment dans l’atmosphère et d’intenses courants tourbillonnants sillonnent l’océan, brassant des eaux aux températures plus élevées qu’aux alentours. Ces tourbillons pourraient jouer un rôle clé dans les flux de gaz et d’énergie circulant entre l’océan et l’atmosphère, comme par exemple le flux qui permet la capture de CO2 et de chaleur par l’océan.

Une mission scientifique internationale de grande envergure

La campagne de terrain EUREC4A, soutenue par le Programme mondial de recherche sur le climat, a regroupé sur un mois une quantité incroyable de plateformes d’observations, utilisées ensemble pour la toute première fois. Ainsi, ce ne sont pas moins de 4 avions de recherche, 4 navires océanographiques hauturiers, 5 drones à voiles, une trentaine de bouées dérivantes, des flotteurs profilants Argo, 7 planeurs sous-marins, et des drones volant à la surface de l’océan jusqu’à des distances de 1000 km qui ont été mobilisés. Un dispositif international d’envergure et de haut niveau technologique impliquant 7 pays : la France, l’Allemagne, les États-Unis, le Royaume-Uni, l’Italie et la Pologne et l’Institut Météorologique des Caraïbes. « Ceci nous a permis d’échantillonner une grande surface à haute résolution spatio-temporelle - dans l’atmosphère et dans l’océan - en mesurant les variables physiques et biogéochimiques », précise Sabrina Speich.

Cette grande quantité de données, recueillies de manière aussi unique qu’inédite, est soumise à un processus complexe de validation et de calibration qui, après plusieurs mois de travail, est en passe d’être finalisé. « Nous pourrons ainsi tendre vers une meilleure compréhension des processus à petite échelle océanique qui n’ont été ni observés auparavant ni simulés explicitement par les modèles numériques. Cette connaissance est indispensable afin d’améliorer les modèles numériques de la prévision du temps, mais aussi ceux simulant les futures projections de notre système climatique », précise la chercheuse.

Des interactions non-linéaires entre l’océan et l’atmosphère

Les processus physiques animant les deux fluides géophysiques que sont l’océan et l’atmosphère agissent sur un continuum d’échelles spatiales et temporelles complexes, allant du micron à l’échelle planétaire et de la microseconde aux millions d’années. Il s’agit « d’interactions non-linéaires » ce qui rend difficile leur compréhension si les deux enveloppes fluides sont étudiés séparément. Cette campagne de recherche menée à la Barbade, sur une région vaste et centrale pour le système climatique, a permis aux chercheurs de réaliser simultanément des échantillonnages de processus océaniques et atmosphériques, opérant à différentes échelles. Une première pour les chercheurs : « cela nous permettra de belles avancées », se réjouit Sabrina Speich.

Ces résultats récompensent l’engagement et le travail des scientifiques dans un projet de recherche ambitieux et logistiquement complexe. « La mise en place de cette campagne de terrain a été très ardue » admet Sabrina Speich. Les chercheurs ont dû au préalable négocier plusieurs propositions de projet pour chaque partie de la campagne : navire, instruments, envoi des instruments, envoi de personnes en mer… « ce qui est déjà un véritable challenge quand l’on fait une campagne en mer avec un seul navire », précise la scientifique. Autre difficulté de taille : obtenir un accord international de tous les organismes de recherche impliqués, afin que toutes les plateformes de mesure et tous les financements soient mis à disposition en même temps. « Mais cela valait la peine et nous avons eu de la chance aussi. Notre campagne a été la dernière avant le confinement sanitaire qui est intervenu seulement quelques semaines après la fin de notre mission. »

Améliorer les modèles de prévisions météorologiques et climatiques

Au sein de la campagne EUREC4A (Elucidating the role of clouds-circulation coupling in climate), ), Sabrina Speich, a travaillé sur la récolte des observations qui constituent l’un des éléments clé du projet de recherche EUREC4A-OA.

Ce projet réunit à la fois des experts en observation et en analyse de données mais aussi des experts en modélisation numérique de différents horizons : des modélisateurs de l’atmosphère qui travaillent en lien avec les services météorologiques nationaux, des experts en modélisation et prévision de l’océan, et d’autres utilisant des modèles du système terrestre. EUREC4A-OA va permettre de coordonner des travaux transverses dans l’analyse des observations et la mise en œuvre de nombreuses simulations numériques. Par cette approche, à terme, il sera possible de déterminer non seulement le détail de nouveaux processus physiques et biogéochimiques, mais aussi de les paramétrer dans les modèles de prévision du climat et du système terrestre que ne résolvent pas explicitement les petites échelles océaniques et les interactions air-mer.

« Les enjeux du projet sont maintenant d’analyser les observations d’un seul compartiment climatique - océan, atmosphère, interfaces - ou de les analyser selon une seule problématique scientifique - dynamique océanique, échanges océan-atmosphère, formation des nuages -, mais aussi de travailler de façon interdisciplinaire, en impliquant à la fois les approches d’observations et de modélisation » détaille Sabrina Speich. « Maintenir les interactions entre les différentes équipes, les inciter à échanger, décider des priorités, coordonner analyses et synthèses demandera persévérance et ténacité » ajoute la chercheuse. Une part du travail qui peut s'avérer « compliquée ». Tous les scientifiques le savent, le temps du projet, de la collecte de données, est souvent « beaucoup trop rapide » par rapport à celui de la recherche. Cette seconde étape impose d’aller « en profondeur » sur chaque sujet et peut demander « plus de temps que prévu ». Et la pandémie avec ses ruptures de rythme et l’impossibilité des rencontres qu’elle impose, ajoute aux difficultés souligne Sabrina Speich.

Pour pallier à ces obstacles organisationnels, la chercheuse et son équipe ont mis en place un plan de travail spécifique afin de faciliter les échanges virtuels et progresser ensemble dans l’analyse des observations et des simulations numériques. « Nous voulons apporter rapidement de nouvelles connaissances sur les processus-clés qui sont en jeu : les mécanismes gouvernant les échanges de chaleur, c’est-à-dire de l’eau douce et du CO2 entre l’atmosphère et l’océan, ceux responsables de la formation des nuages, de leur agrégation et dissipation, mais aussi les processus qui régulent le transport de chaleur et d’autres propriétés dans l’océan » détaille Sabrina Speich.
Ces connaissances permettront, dans une deuxième phase du projet, de produire numériquement de nouveaux paramètres qui amélioreront les modèles de prévisions météorologiques et ceux simulant les évolutions futures de notre système climatique. Un enjeu crucial pour le futur de notre planète, qui s’inscrit dans les grands défis actuels des sciences du climat et de l’océanographie, comme l’explique la scientifique : « aujourd’hui, si nous avons une connaissance quantitative du changement climatique dans son empreinte globale, nous n’avons en revanche que peu d’informations sur ses impacts et ses rétroactions. Par exemple, quel est l’effet de la diminution de la banquise en Arctique sur les régimes de temps et sur l’accélération du réchauffement ? Sans ce miroir naturel, l’océan absorbe plus d’énergie solaire qui augmente le réchauffement, mais que savons-nous des effets de seuil qui vont s’installer ? ».

D’autres processus suscitent encore nombre d’interrogations auprès des chercheurs, comme l’évolution des nuages avec le réchauffement, le devenir de la chaleur et du CO2 absorbés par l’océan, le détail des processus physiques régissant la fonte des calottes glaciaires... autant de connaissances essentielles à l’adaptation au changement climatique, « changement qui pourrait s’amplifier rapidement et qui se décline d’ores et déjà avec des événements extrêmes impactant les infrastructures humaines et la biodiversité » constate avec inquiétude Sabrina Speich. Pour la chercheuse, il y a « plus que jamais » besoin d’étendre nos connaissances scientifiques afin de prendre des décisions « concrètes » à différents niveaux de la société et ainsi mettre en œuvre non seulement des actions de mitigation du changement, mais aussi d’autres, « très urgentes », pour s’adapter efficacement.

Déploiement en mer du prototype français de robot marin OCARINA. Celui-ci  a été employé pour mesurer les flux air-mer à l'interface de l'océan et de l'atmosphère. Ces mesures sont inaccessibles depuis les bateaux car leur mat atmosphérique mesure à environ 15 m d'altitude et les données de température, salinité et courant de l'océan collectées par les navires commencent à quelques mètres de profondeur. OCARINA est développé par le MIO à Marseille et la DT. En dérivant avec les courants, OCARINA a permis à l'équipe de Sabrina Speich d'observer de phénomènes à très haute fréquence temporelle (moins d'un minute) et à très fine échelle spatiale (moins d'un mètre).

Le travail du scientifique en science du climat aujourd’hui c’est être un membre d’une équipe qui s’étend à la communauté mondiale »

Pour Sabrina Speich, les sciences du climat, du fait de « l’énorme enjeu sociétal » qui représente le changement climatique, ont « efficacement œuvré » pour rapprocher très rapidement des experts de plusieurs disciplines, plus vite encore que cela se fait dans d’autres champs de savoir. « Je suis avant tout physicienne et suis spécialisée dans l’océanographie physique, comme d’autres physiciens traitent de la physique statistique » explique la chercheuse. « Je travaille avec des experts en mathématique appliquée, en chimie, en biologie et avec d’autres physiciens de spécialités différentes ». Toutes les données produites par les mesures du système climatique terrestre et par les simulations sont en libre accès et n’appartiennent à « aucun chercheur, aucune équipe, laboratoire, ou pays » tient à préciser Sabrina Speich. « Le travail du scientifique en science du climat est celui d’un membre d’une équipe qui s’étend à la communauté mondiale », appuie-t-elle.

Un esprit collaboratif qui n’a pas toujours été présent parmi la communauté de chercheurs mais que Sabrina Speich a vu se développer « rapidement » au fil des années. « Quand j’ai commencé ma carrière il y a vingt ans, la donnée collectée ou la simulation numérique appartenait au responsable scientifique, parfois à une équipe du laboratoire et était conservée – sans partage – comme telle pendant des années », se souvient-elle. Aujourd’hui, même si subsistent quelques limites concrètes à ce progrès, comme le niveau de financement de la recherche encore « peu adapté » par rapport aux enjeux selon elle, cette mise en commun des savoirs donne lieu à de « nombreuses avancées scientifiques remarquables ».

Aider la société humaine à s’adapter aux inexorables changements climatiques

Passionnée depuis toujours par la mer et la physique, la chercheuse a toujours su qu’elle deviendrait océanographe. Germano-italienne, Sabrina Speich a grandi dans le nord de l’Italie, ses premiers contacts avec les embruns sont les sorties en bateau qu’elle effectue avec son père, marin accompli. Ce même père qui la souhaitait ingénieure, et lui prédisait « un futur sans emploi » si elle suivait ses passions. C’est à l’université qu’elle découvre de manière concrète la recherche, « un véritable coup de foudre », lui donnant le courage de suivre un chemin différent de celui souhaité pour elle par son père. Sabrina Speich déménage à Trieste, au plus près de la mer, pour suivre l’unique cours d’océanographie physique qui existait en Italie à l’époque, en complément de cours de physique « plus classiques », tels que ceux de mécanique quantique ou de structure de la matière.

La chercheuse choisit la France et l’un des premiers projets européens mis sur pied pour ses études de doctorat avant de s’envoler pour les États-Unis à UCLA, près de la mer, encore une fois, pour explorer « l’état d’esprit » de la recherche scientifique américaine. De retour en France, Sabrina Speich commence une carrière d’enseignante-chercheuse à Brest, dans un de plus importants laboratoires d’océanographie physique de métropole. « Une fois devenue chercheuse, j’ai rapidement pris conscience de l’importance des questions relatives au changement climatique », se rappelle-t-elle. « Quand on s’aperçoit de l’ampleur et surtout de ses impacts qui pendent au nez de l’Humanité, alors on ne peut pas travailler sur autre chose ».

Rapidement, dans son travail brestois Sabrina Speich se penche dans l’étude du rôle de l’océan dans le climat. Un travail aux nombreux défis, qui loin de la décourager aiguise sa détermination : « d’un côté il fallait comprendre des processus, encore mystérieux, car inexplorés afin d’améliorer leur représentation encore trop frustre, dans les modèles numériques » explique la chercheuse. « D’autre part, il était essentiel de s’impliquer dans des organismes internationaux afin de créer une synergie globale qui permette d’améliorer les prévisions à toutes les échelles du temps, de celle météorologique à celle des projections climatiques ».

S’ouvrir aux autres disciplines et faire entendre sa voix

Pour appréhender le rôle de l’océan dans le climat de manière plus pertinente, Sabrina Speich se rapproche du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), une unité mixte de recherche CNRS, ENS-PSL, École polytechnique, École des Ponts et Sorbonne Université, qui étudie le climat et l'environnement pour la terre et les atmosphères planétaires. Elle l’intègre en 2013 rejoignant aussi le département de Géosciences de l’École, où elle travaille actuellement. « Je suis dans un département qui englobe les disciplines qui s’intéressent à l’étude de notre planète et qui offre un enseignement transverse n’existant pas ailleurs », explique la chercheuse. « Les jeunes sont ainsi exposés aux différentes approches et enjeux scientifiques liés à des problématiques sociétales très importantes. Ceux qui entrent chez nous en sortent très bien formés pour travailler dans la recherche académique, appliquée ou dans d’autres postes dans le secteur public et privé » témoigne Sabrina Speich. La chercheuse estime que les étudiants y sont formés de manière « transverse » et touchent à beaucoup de disciplines différentes. Ils se spécialisent ensuite, tout en ayant une culture scientifique « très large et appropriée » pour répondre aux « grands enjeux de notre ère » : climat, environnement, risques naturels, énergies renouvelables, … « et ce à n’importe quel niveau et quel que soit le secteur dans lequel ils exerceront leurs activités professionnelles », souligne la chercheuse, pour qui travailler à l’ENS en tant que scientifique est donc « très motivant. »

À plus large échelle, celle qui se définit volontiers comme « femme scientifique et étrangère » tient aussi à souligner « les opportunités d’études et de travail dans la recherche offertes par la France pour tous les jeunes profils. » La chercheuse estime avoir eu « de la chance » de choisir ce pays pour ses études. Elle a appris à le connaître et à y travailler. Et à ceux qui aimeraient travailler dans la recherche, Sabrina Speich suggère de ne pas s’autocensurer, « c’est même primordial ». Et de rappeler comment les choses ont commencé pour elle. « Jeune étudiante j’évoluais dans un milieu très masculin, où il a fallu prouver à chaque discussion, examen qu’en tant que femme je ne valais pas moins que les meilleurs étudiants masculins de ma promotion », se souvient-elle. « Cela a forgé ma certitude que nous ne vivons pas dans un monde parfait. Mais que dans notre société, en tant que femme, nous avons des chances de réussir dans des métiers qui traditionnellement ou culturellement ne nous étaient pas destinés. Ce n’est pas encore toujours évident de porter nos idées dans des secteurs où les femmes sont minoritaires. Cependant, en persistant, en ne nous laissant pas intimider par des voix plus fortes, nous arrivons à faire entendre notre parole au même niveau que celle de nos collègues. », conclut-elle avec force.

(1) EUREC4A-OA, Improving the representation of small-scale nonlinear ocean-atmosphere interactions in Climate Models by innovative joint observing and modelling approaches / Améliorer la représentation des interactions océan-atmosphère non linéaires à petite échelle dans les modèles climatiques par des approches innovantes d'observation et de modélisation conjointes.

(2) EUREC4A, Elucidating the role of clouds circulation coupling in climate / Elucider le rôle du couplage de la circulation des nuages dans le climat.