Contexte et objectifs scientifiques:

A 1000 et 1500 mètres de profondeur dans l'océan Pacifique équatorial, la présence de jets zonaux alternés a pu être mise en évidence à l'échelle du bassin à partir de l'analyse de la dérive des flotteurs Argo (Cravatte et al. 2012). Les objectifs principaux de la campagne CASSIOPEE (Figure 1) étaient de décrire la structure 3D de ces jets zonaux dans le Pacifique Tropical Ouest, depuis la thermocline jusqu'au fond de l'océan;  de comprendre les propriétés des masses d'eau qu'ils transportent et des mélanges associés; et leur connexion avec les courants de Bord Ouest. La campagne CASSIOPEE était la composante in situ du projet LEFE ZEBRE (PI: Sophie Cravatte), dont le but principal était de mieux comprendre les caractéristiques de ces jets profonds extra-équatoriaux dans l'océan Pacifique et les autres océans tropicaux.

Figure 1: Plan de la campagne CASSIOPEE: trajectoire de la campagne (ligne noire), position des stations CTD (points blancs) et position des lâchers de flotteurs de subsurface (points rouges).

Principaux résultats:

1- Structure verticale des courants zonaux

Cravatte S., Kestenare, E., Marin, F., Dutrieux, P., Firing, E. (2017). Subthermocline and Intermediate Zonal Currents in the Tropical Pacific Ocean: paths and vertical structure. Journal Of Physical Oceanography, 47(9), 2305-2324. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0043.1

La structure verticale des jets a été étudiée à partir d'une compilation historique de mesures de courants S-ADCP, incluant les données de la campagne CASSIOPEE, et des données de flotteurs Argo (Figure 2). Cette compilation a permis d'avoir pour la première fois une vision globale, fine, de la structure 3D des courants zonaux dans le Pacifique Tropical.

Les jets zonaux alternés observés à 1000m sont loin d'être barotropes, et les observations ont révélé l'existence de 2 systèmes de jets (Figure 2): 

• les "jets multiples de Tsuchiya", observés entre la thermocline et 700-800m
• les courants intermédiaires extra-équatoriaux (LLICs) en dessous de 800m. 

Pendant CASSIOPEE, les différents jets zonaux ont bien été observés, avec des amplitudes et positions similaires aux valeurs climatologiques observées avec les flotteurs Argo (Figure 3). 

Ces deux systèmes ont des caractéristiques différentes (les jets multiples de Tsuchiya sont déviés vers les pôles d'Ouest en Est, tandis que les LLICs ont une tendance à s'incliner vers l'équateur d'ouest en est), ce qui suggère que ces jets sont dynamiquement distincts, avec des mécanismes de forçage différents, et sont donc des objets dynamiques différents. Ces observations  questionnent la validité de certaines théories proposées pour expliquer l'existence de ces jets.

Figure 2: Distribution latitude-profondeur de vitesse zonale dans le Pacifique équatorial dans la boîte 179°E-160°W à partir d'un produit grillé de données historiques S-ADCP (en haut) et de vitesses géostrophiques (en bas), d'après Cravatte et al. (2017). Certains courants sont mentionnés: EUC (Equatorial UnderCurrent), SEC (South Equatorial Current), NEC (North Equatorial Current), A (primary Tsuchiya Jets), B (secondary Tsuchiya Jets)

2- Propriétés hydrologiques et transports des courants zonaux d'Ouest en Est.

Delpech, A., Cravatte, S., Marin, F., Morel, Y., Gronchi, E., Kestenare, E. (2020). Observed tracer fields structuration by mid-depth zonal jets in the tropical Pacific. Journal Of Physical Oceanography, 50(2), 281-304. Publisher's official version : https://doi.org/10.1175/JPO-D-19-0132.1 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00593/70490/

La campagne en mer CASSIOPEE a permis d'obtenir un jeu unique d'observations sur l'ensemble de la colonne d'eau dans le Pacifique Equatorial Ouest, pour décrire la structure méridienne et verticale de ces jets extra-équatoriaux profonds. Ces données ont été analysées lors de la thèse d' A. Delpech (encadrement F. Marin, S. Cravatte, Y. Morel). Un résultat inattendu est que les jets vers l'Est sont associés à des fronts d'oxygène et de vorticité potentielle, et les jets vers l'Ouest à des zones de mélange et d'homogénéisation, indiquant le rôle du mélange isopycnal dans le maintien et le renforcement des jets (Figure 3).

Figure 3: Distribution latitude-profondeur de vitesse zonale mesurée par L-ADCP (en haut) et d'oxygène (en bas) le long de 165°E pendant la campagne CASSIOPEE (Delpech et al., 2020a)

Audrey a montré que pendant la campagne CASSIOPEE, le sous-courant équatorial et les Tsuchiya jets étaient associés à des anomalies positives (dans les jets vers l'Est) ou négatives (dans les jets vers l'Ouest) d'oxygène, confirmant que ces courants vers l'Est sont bien alimentés à ces profondeurs par les eaux oxygénées de la Mer des Salomon. Elle a aussi montré que les Equatorial Deep Jets (courants à l'équateur, alternant vers l'ouest et l'est sur la verticale) étaient aussi associés, jusqu'à 1500m, à des anomalies positives d'oxygène (Figure 4).

Par contre, plus profond, les jets vers l'Est du système LLICs sont associés à des fronts d'oxygène, s'étendant de 500 à 3000m de profondeur, alors que les courants vers l'Ouest sont associés à des zones homogènes en oxygène; des fronts sont aussi observés en salinité et en vorticité potentielle dans les jets vers l'Est. Ces structures surprenantes sont aussi observées dans les campagnes historiques cross-équatoriales du programme WOCE et TAO qu'Audrey a par la suite analysées; à toutes longitudes, quelle que soit la période de temps, de telles alternances de fronts/zones homogènes sont observées en oxygène (Figure 5).

Figure 4 (d'après Delpech et al., 2020a). Signature des EDJs dans CASSIOPEE. Vitesse zonale (traits pointillés noires) et anomalies d'oxygène (traits continus) de 300 à 2800 m en moyenne entre 1°N et 1°S aux longitudes 152.5°E (à gauche), 157.5°E (au milieu) et 165°E (à droite). Les données ont été filtrées entre 100 et 500 m.

Figure 5: (d'après Delpech et al., 2020a) Données de campagne utilisées. Les lignes bleues représentent les sections WOCE ; les symboles noirs représentent les différentes campagnes TAO. La boîte rose donne le détail des positions des stations hydrologiques de la campagne CASSIOPEE.

Ces résultats ont plusieurs implications majeures :

• Sous la thermocline, les courants vers l'Est sont bien une courroie de distribution pour ventiler les zones de minimum d'oxygène situées à l'Est des bassins. Des anomalies positives d'oxygène sont observées à travers l'ensemble du bassin.
• Plus profonds, les jets vers l'Est ne transportent visiblement pas d'anomalies d'oxygène, mais contribuent à structurer les champs d'oxygène à grande échelle, participant au mélange.
• Ces structures méridiennes en « marches d'escalier » sont consistantes avec les théories de formation et de maintenance de jets zonaux invoquant l'homogénéisation par mélange turbulent isopycnal, et permettent un nouvel éclairage sur les théories existantes.

3- Transfert de particules vers les abysses

Kiko R., Biastoch A., Brandt P., Cravatte S., Hauss H., Hummels R., Kriest I., Marin Frederic, McDonnell A. M. P., Oschlies A., Picheral M., Schwarzkopf F. U., Thurnherr A. M., Stemmann L. (2017). Biological and physical influences on marine snowfall at the equator. Nature Geoscience, 10(11), 852-858. https://doi.org/10.1038/NGEO3042

Pendant la campagne CASSIOPEE, des observations d'UVP5 (donnant des images à l'aide d'une caméra immergée fixée sur la rosette) ont permis de mettre en évidence, avec d'autres mesures cross-équatoriales sur différentes campagnes profondes dans les océans, que la bande équatoriale représentait un chemin privilégié pour le transfert vertical de la production marine vers les abysses (Kiko et al., 2017). Des colonnes de particules ont été observées entre la surface et le fond de l'océan, à plusieurs milliers de kilomètres de distance dans une bande de moins de 500km de large autour de l'équateur. Les processus physiques liés à la présence des courants zonaux profonds (SICC et NICC) jouent un rôle clef dans cette distribution. Ils agissent comme barrière, et comme une sorte de canal privilégié pour la sédimentation des particules, empêchant ainsi la dispersion hors équateur.

Les jets profonds vers l'Est observés à 2°N et 2°S participent donc à concentrer les particules fines autour de l'équateur (Figure 6), et pourraient contribuer à moduler le transfert de carbone particulaire depuis la surface vers l'océan profond.

Figure 6: a-c et e-j) distribution latitude-profondeur d'abondance de particules observée à diverses longitudes des océans équatoriaux entre avril 2010 et septembre 2015; (d) productivité primaire moyenne nette annuelle dérivée d'observations satellite (Kiko et al., 2017).

4- Enrichissement géochimique des eaux dans le Pacifique Equatorial Ouest

Behrens, M. K., Pahnke, K., Cravatte, S., Marin, F., Jeandel, C. (2020). Rare earth element input and transport in the near-surface zonal current system of the Tropical Western Pacific. Earth And Planetary Science Letters, 549, 116496 (11p.). https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116496

Behrens, M. K., Pahnke, K., Delpech, A., Cravatte, S., Marin, F. , Jeandel, C. Seawater rare earth elements tracing elemental input and eastward transport in the thermocline to mid-depth zonal current system of the tropical Pacific, in preparation.

Figure 7 (from Behrens et al., 2020)

Mélanie Behrens a analysé les prélèvements géochimiques effectués sur CASSIOPEE, et a obtenu tout un jeu de concentrations de terres rares dissoutes pour la couche de surface océanique. Nous avons collaboré avec elle et son équipe pour l'interprétation des résultats. 

Ces données, associées aux données de courants et de leurs propriétés hydrologiques, ont permis de mieux quantifier les sources continentales et les cheminements des eaux de surface depuis leur contact avec la marge océanique. Les concentrations sont plus élevées dans les courants équatoriaux vers l'Est que dans les courants vers l'Ouest. Les résultats obtenus ont permis de confirmer que les sédiments des côtes de Papouasie Nouvelle-Guinée sont une source importante d'éléments chimiques pour l'océan.

Mélanie a ensuite analysé les échantillons en profondeur, pris au coeur des jets vers l'Est et vers  l'Ouest. Ces résultats sont toujours en cours d'interprétation, et une publication est en préparation.

5- Circulation profonde

Germineaud C., Cravatte S., Sprintall J., Alberty M.S., Grenier M., Ganachaud A. (2021). Deep pacific circulation: New insights on pathways through the Solomon Sea. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers  https://doi.org/10.1016/j.dsr.2021.103510

Les données profondes de la campagne CASSIOPEE (données hydrologiques et de courants) ont finalement été utilisées, avec les données des campagnes PANDORA et MoorSPICE, pour revisiter les cheminements et les transformations des eaux profondes dans le bassin Pacifique. Cyril Germineaud (post-doctorant) a ainsi montré que la Mer des Salomon constituait un bassin d'échange et de mélange pour les eaux circumpolaires profondes, provenant de la Mer de Corail et du East Caroline bassin.

Figure 8 (d'après Germineaud et al., 2021): (haut): Schéma de la circulation des eaux profondes. En rouge: Upper Circumpolar Deep Water; en vert: nouveaux cheminements de ces eaux suggérés par cette étude. bleu: North Pacific Deep Water. (bas): Propriétés des masses d'eaux entre 2000m et 3500m, pendant les campagnes CASSIOPEE, MoorSPICE et PANDORA. (a) Potential temperature-salinity theta-S; bold dashed indicates the sigma₀ level above which the East Caroline Basin and the Solomon Sea Basin remain connected, (b) dissolved oxygen-salinity O2-S and (c) silicate-salinity SiO4-S diagrams.