Thermocline - Thermocline

Graphique montrant une thermocline océanique tropicale (profondeur vs température). Notez le changement rapide entre 100 et 1000 mètres. La température est presque constante après 1500 mètres de profondeur.

Une thermocline (également connue sous le nom de couche thermique ou métalimnion dans les lacs) est une couche mince mais distincte dans une grande masse de fluide (par exemple de l' eau , comme dans un océan ou un lac; ou de l'air, par exemple une atmosphère ) dans laquelle la température change plus considérablement avec la profondeur qu'il ne le fait dans les couches ci-dessus ou ci-dessous. Dans l' océan , la thermocline sépare la couche supérieure de mélange des eaux calmes et profondes en dessous.

Selon en grande partie la saison , la latitude et le mélange turbulent par le vent , les thermoclines peuvent être une caractéristique semi-permanente de la masse d'eau dans laquelle elles se produisent, ou elles peuvent se former temporairement en réponse à des phénomènes tels que le chauffage/refroidissement radiatif des eaux de surface pendant le jour/nuit. Les facteurs qui affectent la profondeur et l'épaisseur d'une thermocline comprennent les variations météorologiques saisonnières , la latitude et les conditions environnementales locales, telles que les marées et les courants .

Océans

Graphique des différentes thermoclines (profondeur en fonction de la température) en fonction des saisons et de la latitude
Deux méduses lunaires perturbant une thermocline dans la couche d'eau supérieure du fjord de Gullmarn , Suède

La majeure partie de l'énergie thermique de la lumière du soleil qui frappe la Terre est absorbée dans les premiers centimètres à la surface de l'océan, qui se réchauffe pendant la journée et se refroidit la nuit car l'énergie thermique est perdue dans l'espace par rayonnement. Les vagues mélangent l'eau près de la couche de surface et distribuent la chaleur aux eaux plus profondes de sorte que la température peut être relativement uniforme dans les 100 mètres supérieurs (330 pieds), en fonction de la force des vagues et de l'existence de turbulences de surface causées par les courants. En dessous de cette couche de mélange , la température reste relativement stable sur les cycles jour/nuit. La température de l'océan profond baisse progressivement avec la profondeur. Comme l'eau salée ne gèle pas avant d'atteindre -2,3 °C (27,9 °F) (plus froide à mesure que la profondeur et la pression augmentent), la température bien en dessous de la surface n'est généralement pas loin de zéro degré.

La thermocline varie en profondeur. Elle est semi-permanente sous les tropiques, variable dans les régions tempérées (souvent la plus profonde en été) et peu profonde à inexistante dans les régions polaires, où la colonne d'eau est froide de la surface au fond. Une couche de glace de mer agira comme une couverture isolante.

En haute mer, la thermocline est caractérisée par un gradient de vitesse du son négatif , ce qui rend la thermocline importante dans la guerre sous-marine car elle peut refléter le sonar actif et d'autres signaux acoustiques. Cela provient d'une discontinuité dans l' impédance acoustique de l'eau créée par le changement soudain de densité.

En plongée sous-marine , une thermocline où la température de l'eau baisse de quelques degrés Celsius assez soudainement peut parfois être observée entre deux plans d'eau, par exemple là où l'eau de remontée plus froide se jette dans une couche superficielle d'eau plus chaude. Il donne à l'eau une apparence de verre froissé, du genre souvent utilisé dans les fenêtres de la salle de bain pour masquer la vue, et est causé par l' indice de réfraction altéré de la colonne d'eau froide ou chaude. Ces mêmes schlieren peuvent être observés lorsque de l'air chaud s'élève du tarmac des aéroports ou des routes désertiques et est à l'origine de mirages .

Autres plans d'eau

Des thermoclines peuvent également être observées dans les lacs. Dans les climats plus froids, cela conduit à un phénomène appelé stratification . Pendant l'été, l'eau chaude, qui est moins dense, reposera sur une eau plus froide, plus dense et plus profonde avec une thermocline les séparant. La couche chaude est appelée épilimnion et la couche froide est appelée hypolimnion . Parce que l'eau chaude est exposée au soleil pendant la journée, un système stable existe et très peu de mélange d'eau chaude et d'eau froide se produit, en particulier par temps calme.

Les lacs sont stratifiés en trois couches distinctes : l' épilimnion (I), le métalimnion (II) et (III) l' hypolimnion .
Les échelles sont utilisées pour associer chaque section de la stratification à leurs profondeurs et températures correspondantes. La flèche est utilisée pour montrer le mouvement du vent à la surface de l'eau, ce qui initie le retournement dans l'épilimnion et l'hypolimnion.

L'un des résultats de cette stabilité est qu'à mesure que l'été avance, il y a de moins en moins d'oxygène sous la thermocline car l'eau sous la thermocline ne circule jamais à la surface et les organismes dans l'eau épuisent l'oxygène disponible. À l'approche de l'hiver, la température de l'eau de surface baissera car le refroidissement nocturne domine le transfert de chaleur. Un point est atteint où la densité de l'eau de surface de refroidissement devient supérieure à la densité de l'eau profonde et le renversement commence lorsque l'eau de surface dense descend sous l'influence de la gravité. Ce processus est aidé par le vent ou tout autre processus (courants par exemple) qui agite l'eau. Cet effet se produit également dans les eaux arctiques et antarctiques, amenant de l'eau à la surface qui, bien que pauvre en oxygène, est plus riche en nutriments que l'eau de surface d'origine. Cet enrichissement en nutriments de surface peut produire des proliférations de phytoplancton , rendant ces zones productives.

À mesure que la température continue de baisser, l'eau à la surface peut devenir suffisamment froide pour geler et le lac/l'océan commence à se glacer. Une nouvelle thermocline se développe là où l'eau la plus dense (4 °C (39 °F)) descend au fond et l'eau la moins dense (l'eau qui approche du point de congélation) monte vers le haut. Une fois que cette nouvelle stratification s'est établie, elle dure jusqu'à ce que l'eau se réchauffe suffisamment pour le « renouvellement printanier », qui se produit après la fonte des glaces et la température de l'eau de surface s'élève à 4 °C. Au cours de cette transition, une barre thermique peut se développer.

Des vagues peuvent se produire sur la thermocline, provoquant l'oscillation de la profondeur de la thermocline mesurée à un seul endroit (généralement sous forme de seiche ). Alternativement, les vagues peuvent être induites par un écoulement sur un fond surélevé, produisant une onde de thermocline qui ne change pas avec le temps, mais varie en profondeur à mesure que l'on se déplace dans ou à contre-courant.

Atmosphère

La basse atmosphère contient également généralement une frontière entre deux régions distinctes (la troposphère et la stratosphère ), mais cette frontière (la tropopause ) affiche un comportement tout à fait différent. Cependant, des thermoclines atmosphériques, ou des inversions , peuvent se produire, par exemple lorsque le refroidissement nocturne de la surface de la Terre produit de l'air froid, dense et souvent calme à proximité du sol. L'air le plus froid est adjacent au sol, la température de l'air augmentant avec l'altitude. Au sommet de cette couche limite nocturne (qui peut n'avoir qu'une centaine de mètres d'épaisseur), le profil de température adiabatique normal de la troposphère (c'est-à-dire la température décroissant avec l'altitude) est à nouveau observé. La thermocline ou couche d'inversion se produit lorsque le profil de température passe de positif à négatif avec l'augmentation de la hauteur. La stabilité de l'inversion nocturne est généralement détruite peu après le lever du soleil, car l'énergie du soleil réchauffe le sol, qui à son tour réchauffe l'air dans la couche d'inversion. L'air plus chaud et moins dense s'élève alors, détruisant ainsi la stabilité qui caractérise l'inversion nocturne.

Ce phénomène a été appliqué pour la première fois au domaine de l' étude des nuisances sonores dans les années 1960, contribuant à la conception des autoroutes urbaines et des murs antibruit .

Voir également

  • Bathythermographe  - Appareil qui contient un capteur de température et un transducteur pour détecter les changements de température de l'eau en fonction de la profondeur
  • Circulation thermohaline  - Une partie de la circulation océanique à grande échelle qui est entraînée par des gradients de densité globaux créés par les flux de chaleur de surface et d'eau douce
  • Upwelling artificiel  – Remplacement par des eaux profondes remontant des eaux de surface poussées au large par le vent
  • Flottabilité  - Force ascendante qui s'oppose au poids d'un objet immergé dans un fluide
  • Canal SOFAR , également connu sous le nom de canal de son profond - Une couche horizontale d'eau dans l'océan à laquelle la profondeur de la vitesse du son est à son minimum
  • Stratification du lac  – Séparation de l'eau d'un lac en couches distinctes
  • Barrière antibruit  – Structure extérieure sur l'infrastructure utilisée pour empêcher les sons forts de s'échapper
  • Oscillation australe
  • Couches minces (océanographie)

Les références

Liens externes