Sujet de thèse 2018-2021 - Thèses en Bretagne Loire

Sujet de thèse 2018-2021
Titre : Variabilité saisonnière à interannuelle des courants et de leurs structures verticales et
horizontales autour de la dorsale de Reykjanes / Seasonal to interannual variability of the current
near the Reykjanes Ridge and their vertical and horizontal structures
Unité de recherche et éventuellement l'équipe d’accueil : Laboratoire d’Océanographie Physique
et Spatiale (UMR6523 CNRS/Ifremer/IRD/UBO) ; Equipe Océan et Climat.
Encadrement et contacts : Virginie Thierry vthierry@ifremer.fr (directeur de thèse) ; Herlé
Mercier mercier@ifremer.fr (co-directeur de thèse)
Coordonnées : Ifremer-Centre de Bretagne, LOPS, ZI de la Pointe du Diable, CS10070, F-29280
Plouzané, +33 2 98 22 42 83 (V. Thierry)
Résumé du projet et mots clés:
Mots clés : interactions courant/topographie, circulation grande échelle, océan Atlantique Nord,
variabilité saisonnière à interannuelle, analyse de données in situ
La dorsale de Reykjanes, une structure topographique majeure de l'océan Atlantique Nord située au sud
de l'Islande, impose une contrainte sur la répartition spatiale de la circulation et des masses d'eau du gyre
subpolaire. Notre méconnaissance de la structure spatio-temporelle des écoulements autour de cette
dorsale et des équilibres dynamiques en présence ne nous permet pas de fournir la référence nécessaire
pour l’amélioration des modèles de circulation générale dans la région. Elle ne permet pas non plus
d’appréhender le rôle de cette dorsale sur la propagation d’anomalies climatiques susceptibles
d’impacter l’amplitude et la structure de la cellule méridienne de retournement qui contribue au transport
méridien de chaleur et de carbone dans cet océan. L’objectif de la thèse est de documenter la variabilité
saisonnière à interannuelle des courants et de leurs structures verticales et horizontales au voisinage de
la ride de Reykjanes et d’identifier les mécanismes responsables de cette variabilité. Il s’agira
d’appréhender le rôle respectif des processus grande, moyenne et petite échelle et des interactions
courants / topographie dans ces mécanismes. Pour cela, nous utiliserons les données hydrologiques des
2 campagnes du projet RREX qui ont eu lieu en 2015 et 2017, les données de 7 mouillages qui ont
échantillonné les courants principaux s’écoulant de part et d’autre de la dorsale pendant 2 ans, les
données (déplacements) des flotteurs Argo classiques dérivant à 1000m dans la zone et les données de
flotteurs Deep-Arvor dérivant dans le cœur de l’ISOW (2100m). Les données altimétriques seront
utilisées en complément des données in situ. Les données et les résultats seront confrontés à des
simulations numériques à haute résolution spatiale réalisées dans le cadre du projet RREX par J. Gula
(LOPS).
Keywords : current/topography interactions, large scale circulation, North-Atlantic Ocean, seasonal to
interannual variability, in situ data analysis
The Reykjanes Ridge, a major topographic feature of the North-Atlantic Ocean lying south of Iceland
influences the spatial distribution of the circulation and water masses of the subpolar gyre. However,
the lack of knowledge regarding the structure and variability of the flow along and over the ridge and
the prevailing dynamical regimes does not allow us to provide the necessary reference for the
improvement of general circulation models in the region. It also does not allow us to understand the
role of this ridge on the propagation of climatic anomalies that will likely influence the amplitude and
the structure of the Meridional Overturning Cell that contributes to the meridional transport of heat
and carbon in this ocean. The objective of the PhD study is to document the seasonal to interannual
variability of the flow near the ridge and their horizontal and vertical structures and to identify the
mechanisms involved in the observed variability. The aim is to understand the respective role of large,
meso and small scale processes and current/topography interactions in those mechanisms. To address
those issues, the PhD student will use hydrographic data from the two RREX cruises conducted in 2015
and 2017, data from 7 moorings deployed for 2 years in the main current branches on both sides of the
ridge, data (trajectories) from regular Argo floats drifting at 1000dbar and data from Deep-Argo floats
drifting in the ISOW core (2100m). Altimetric data will be used to complement in situ data. Data and

results will be compared to high resolution numerical simulations realized in the framework of the
RREX project by J. Gula (LOPS).

Contexte, objectifs et intérêts scientifiques
La dorsale de Reykjanes, située au sud-ouest de l'Islande, est une structure topographique majeure de
l'océan Atlantique Nord. Elle impose une contrainte sur la répartition spatiale des masses d'eau du gyre
subpolaire (Thierry et al, 2008) et le cheminement des courants participants à la cellule méridienne de
retournement (MOC) (Bower et al, 2002). La MOC est le principal mécanisme pour le transport
méridien de chaleur et de carbone dans cet océan et contribue via les zones de convection à la
pénétration des signaux climatiques dans l’océan intérieur. L’analyse des modèles numériques utilisés
dans les scénarios climatiques (1 à 1/4 °) et les prévisions opérationnelles à court terme (1/12°) révèle
la complexité de la circulation autour de la Ride de Reykjanes et notre méconnaissance des équilibres
dynamiques en présence. Dans ces modèles, la circulation tend à apporter trop d'eau chaude et salée
vers les zones de convection (bassin d’Irminger et mer du Labrador) en partie à cause d’une mauvaise
représentation des interactions courant-topographie autour de la dorsale de Reykjanes. Le manque
d'observation in situ sur la structure spatiale et temporelle des écoulements et sur les processus à
l’œuvre ne permet pas de fournir la référence nécessaire pour l’amélioration des modèles de circulation
générale dans la région et ne permet pas non plus d’appréhender le rôle de cette dorsale sur la
propagation ou le blocage d’anomalies climatiques susceptibles d’impacter l’amplitude et la structure
de la MOC.
Une circulation anticyclonique est observée autour de la ride à toutes les profondeurs (Figure 1). Les
vitesses moyennes estivales pour la période 2002-2010 déduites des données de la section OVIDE qui
coupe la ride de Reykjanes à 59°N (Daniault et al, 2016) (Figure 2) montrent que sur le flanc ouest de
la dorsale, le courant d’Irminger (IC), intensifié en surface, s’écoule vers le nord-est. Sur son flanc est,
le courant East Reykjanes Ridge (ERRC) a une structure plus barotrope que le courant d’Irminger
(Figure 2). Les courants des deux côtés de la ride ont des intensités similaires, ce qui est en contradiction
avec Reverdin et al. (2003) et Flatau et al. (2003) qui ont observé, en analysant les données de dériveurs
de surface, un faible flux vers le sud-ouest sur le flanc est de la ride et un intense IC sur son flanc ouest.
Par ailleurs la structure estivale moyenne de l’ERRC (Figure 2) montre que ce courant est limité à l'est
par un flux étroit (100 km de large) vers le nord-est. L'intensité de ce dernier flux varie dans le temps:
elle était modérée en 2006, 2008 et 2010, très intense en 2002 et à peine présente en 2004. D'autres
preuves de ce flux vers le nord-est se trouvent dans la littérature (Langseth et Boyer, 1972 ; Kraus, 1995 ;
van Aken 1995, Knutsen et al., 2005), alors que l'étroit ERRC avait été manqué dans des précédentes
campagnes de mesures de courant à l’exception notable de l’étude récente de Chafik et al. (2014). Le
peu d’observations disponibles font que la variabilité saisonnière et interannuelle de la structure verticale
de ces courants est largement méconnue car des estimations estivales sont utilisées dans la plupart des
études (Våge et al, 2011, Daniault et al., 2016, Figure 2). Cependant, Reverdin et al. (2003) ont signalé
qu’en surface l’ERRC est plus présent en hiver qu'en été et Flatau et al. (2003) ont montré que le courant
d'Irminger à la surface est plus intense en hiver. De plus l’évolution de ces courants en fonction de la
latitude le long de la ride de Reykjanes est peu ou pas documentée et les régimes dynamiques dominants
sont mal documentés et compris.
En profondeur, l’ISOW (Iceland-Scotland Overflow Water) en provenance du seuil Islande-Ecosse est
transportée vers le sud-ouest le long du flanc est de la ride de Reykjanes. Elle est ensuite exportée vers
la mer d'Irminger où elle s’écoule vers le nord-est au-dessous du courant d'Irminger. L'ISOW est connue
pour s’échapper du bassin d'Islande vers la mer d'Irminger à travers la zone de fracture de Charlie Gibbs
(CGFZ, Charlie Gibbs Fracture Zone). Sur la base de mesures directes, Bower et Furey (2017) ont estimé
ce transport à 1.7 Sv. Toutefois, il est probable qu’une partie de l'écoulement de l’ISOW vers l'ouest se
produise également au nord de la CGFZ, dans d’autres zones de fracture comme la zone de Fracture
Bight (BFZ) (Xu et al, 2010).
La connexion entre le système de courant observé au voisinage de la ride et l'export des masses d'eaux
chaudes et salées en provenance de la dérive Nord Atlantique (NAC) vers le Bassin d’Irminger et la mer
du Labrador n’est pas entièrement comprise, bien que cette connexion influence la formation des eaux

intermédiaires et profondes dans ces bassins (Cuny et al , 2002, Myers et al, 2007). Il est nécessaire de
déterminer si le transfert au-dessus du sommet de la ride se fait via un flux grande échelle (Lherminier
et al, 2010), s’il est canalisé par les zones de fracture comme suggéré par des flotteurs isopycnaux
(Bower et al, 2002) ou si d'autres processus, comme par exemple des tourbillons (Krauss, 1995) sont
impliqués. Ce transfert et les mécanismes associés sont cruciaux pour l’évolution de l’IC et ERRC le
long de la ride de Reykjanes. Parmi les différents mécanismes possiblement en jeu, on peut citer la
circulation grande échelle le long des contours f / h (f étant le paramètre de Coriolis et h l'épaisseur de
la couche), les instabilités baroclines et barotropes associées aux cisaillements verticaux et horizontaux
des courants, les tourbillons produits dans le sillage des structures topographiques, le détachement des
courants de bord qui peut potentiellement créer des fronts instables. La structure des courants autour de
la ride peut également dépendre de la structure grande échelle du gyre subpolaire et, par exemple, de
l'intensité des branches de la dérive Nord Atlantique (NAC) qui entrent dans le bassin d'Islande (de
Boisséson et al, 2012; Desbruyères et al., 2013). Elle peut également être contrôlée par le mélange
turbulent observé en profondeur et qui est induit soit par la topographie (Ferron et al., 2016) soit par
l’écoulement dans les zones de fracture (Ferron et al, 1998).
Ces questions sont abordées dans le cadre du projet RREX mené au LOPS et dédié à une étude
approfondie de l’interaction entre les courants océaniques et la dorsale de Reykjanes. Ce projet s’appuie
sur l’analyse d’un jeu de données nouveau et ambitieux comprenant notamment la réalisation de 2
campagnes hydrologiques réalisées en 2015 et 2017 (Figure 2), des données de mouillages (Figure 2)
et des données Argo.

                                                        Figure 2: Circulation moyenne le long de la
Figure 1: Schéma de circulation de l'Océan
                                                        section Ovide pour la période 2002-2010. La
Atlantique      Nord.      La      circulation   de
                                                        position des 7 mouillages courantométriques est
surface/subsurface est indiquée en rouge/orange.
                                                        superposée. Les mouillages sont équipés de
Les courants profonds sont en bleu. Les flèches
                                                        capteurs T/S (points noirs), d’ADCP (points
vertes représentent les courants côtiers de surface
                                                        rouges), de courantomètres ponctuels (points
froids et peu salés. La position des stations CTDO2
                                                        verts) et de chaînes de thermistance (points
de la campagne RREX2015 est indiquée en noir.
                                                        bleus).

L’analyse des données de la campagne RREX2015 est actuellement menée dans le cadre de la thèse de
T. Petit. Les données de cette campagne ont permis de fournir la première estimation directe du transport
au-dessus de la ride de Reykjanes pour l’été 2015 (Tillys et al., 2018, en prep). Un écoulement surface-
fond de 40.2 ± 2.3 Sv vers l’est associé au NAC est observé au sud de 53.5°N. Au nord de cette latitude,
l’écoulement surface-fond est principalement orienté vers l’ouest et le transport total est de 21.6 ± 2.9
Sv. Deux passages principaux ont été identifiés, le premier au niveau de la zone de fracture Bight vers
57°N et l’autre au nord de 59°N. Les transports vers l’ouest dans ces deux zones de passages ont été
estimés à -8.8 ± 0.5 Sv et -13.1 ± 1.1 Sv, respectivement. Ces résultats confirment l’influence de la zone

de fracture Bight sur l’écoulement de surface comme suggéré par Bower et al. (2002) et explique une
apparente contradiction entre les estimations de Lherminer et al (2010) et Chafik et al (2014). Le faible
transport estimé par ce dernier est dû en partie au fait que la bande de latitude qu’ils considèrent
n’échantillonne pas les 2 zones de passages privilégiés qui sont situées plus au sud de sa zone. Un
transport d’ISOW vers l’ouest de 0.8 Sv est observé à la BFZ confirmant le rôle de cette zone de fracture
pour l’écoulement d’ISOW à travers la ride de Reykjanes (Petit et al, 2018, en prep ; Mercier et al.,
2018, en prep). L’analyse de ces données se poursuit afin de comprendre comment les échanges
identifiés ci-dessous contribuent à l’évolution nord/sud et sud/nord de l’IC et de l’ERRC, respectivement.
Les premières analyses suggèrent que la vision classique d’un courant Irminger s’écoulant de manière
continue le long de la ride est erronée mais qu’il est constitué de plusieurs branches alimentées par les
flux est-ouest au niveau des passages privilégiés identifiés précédemment.
Objectif de la thèse et méthodologie
L’objectif de la thèse est de documenter la variabilité des courants et de leurs structures verticales et
horizontales au voisinage de la ride de Reykjanes et d’identifier les mécanismes responsables de cette
variabilité. Nous nous intéresserons à l’alimentation et à l’évolution nord/sud de l’ERRC et de l’IC ainsi
qu’à l’écoulement d’ISOW sur les flancs est et ouest de la ride et à travers les zones de fracture de la
ride. Pour cela, nous utiliserons les données hydrologiques acquises dans le cadre des projets RREX
dont celles de la seconde campagne RREX qui a eu lieu en juillet/août 2017. Lors de cette campagne,
nous avons réalisé globalement les mêmes stations hydrographiques qu’en 2015 afin de fournir une
seconde estimation des propriétés 3D des masses d’eaux et des transports. Cette analyse nous permettra
d’avoir un aperçu de la représentativité et de la reproductibilité des caractéristiques observées en 2015
et en particulier des chemins privilégiés pour le transport au-dessus de la ride et d’évolution méridienne
de l’ERRC et de l’IC. Cela est d’autant plus important que le gyre subpolaire est dans une phase de
transition où des changements abrupts, comme celui observé au milieu des années 1990 sont possibles.
Les données des deux campagnes seront analysées pour appréhender le rôle respectif des processus
grande, moyenne et petite échelle et des interactions courants / topographiques pour déterminer les
structures horizontales et verticale des courants. Pour cela, les données seront confrontées aux
simulations numériques à haute résolution spatiale réalisées dans le cadre du projet RREX par J. Gula.
Les données d’hydrologie synoptique seront complétées par celles de 7 mouillages mis à l’eau en 2015
et relevés en 2017 et dédiés à l’observation de l’IC, de l’ERRC et du flux d’ISOW de part et d’autre de
la ride (Figure 2). Les données de ces mouillages seront analysées pour déterminer la variabilité
temporelle (de l’échelle de temps de la journée à la saison avec une indication sur la variabilité
interannuelle) des courants parallèles à la ride à 59°N. Les données hydrographiques des campagnes
OVIDE et les données (déplacements) des flotteurs Argo classiques dérivant à 1000m complèteront le
jeu de données pour l’analyse de la variabilité des courants (ERRC et IC) au voisinage de la ride de
Reykjanes. Nous utiliserons notamment les données des flotteurs Argo lâchés par les châssis ASFAR
déployés en 2015, 2016 et 2017 de part et d’autre de la ride (Figure 3). ASFAR est un châssis
récupérable équipé de 4 flotteur profileurs et que l’on pose sur le fond pendant typiquement 1 année.
ASFAR éjecte à des dates prédéterminées les 4 flotteurs Argo permettant de maintenir un
ensemencement de flotteurs Argo pendant toute l’année dans une région donnée. Nous utiliserons aussi
les flotteurs Deep-Argo du projet NAOS déployés dans l’ISOW dans le bassin d’Irminger et dans la
zone de fracture Bight pour compléter le jeu de données concernant l’écoulement d’ISOW (Figure 4).
Les données altimétriques seront utilisées en complément des données in situ.

Figure 3: Trajectoires des flotteurs éjectés des    Figure 4 : Trajectoires des flotteurs Deep-Arvor
châssis ASFAR déployés à l’est (trajectoires        déployés dans le cœur de l’ISOW dans le bassin
bleues) ou à l’ouest (trajectoires rouges) de la    d’Irminger en 2016 (campagne
ride de Reykjanes entre septembre 2015 et avril     OVIDE16/BOCATS) et dans la zone de fracture
2017.                                               Bight en 2017 (campagne RREX17).

Plan de travail
Mois 1 à 3 : Bibliographie et prise en main de la base de données (Argo, hydrographie, données
mouillages, altimétrie)
Mois 4 à 15 : Analyse des données des mouillages et estimation des transports de l’ERRC et IC ;
comparaison à l’altimétrie et aux estimations des courants et transports géostrophiques déduits des
sections hydrographiques des campagnes RREX15 et RREX17
Mois 16 à 21 : Analyse des données des trajectoires des flotteurs Argo 1000m
Mois 22 à 24 : Rédaction d’une publication sur la variabilité spatio-temporelle de l’ERRC et de l’IC de
part et d’autre de la Ride de Reykjanes et sur la connexion entre ces 2 courants.
Mois 25 à 33 : Analyse combinée des données mouillages, hydrologiques et de la trajectoire des flotteurs
Deep-Arvor pour l’étude de l’écoulement d’ISOW
Mois 34 to 36 : Ecriture de la thèse

Partenariat, éventuellement international
Dans le projet RREX (PI V. Thierry), nous proposons une étude approfondie de l’interaction entre les
courants océaniques et la dorsale de Reykjanes pour: documenter la circulation autour et au-dessus de
la dorsale et identifier les processus dynamiques contrôlant la connexion entre les deux côtés de la
dorsale; quantifier et comprendre la transformation des masses d'eau près de la dorsale; déterminer les
paramètres clés des modèles de circulation générale permettant une représentation adéquate de la
circulation et des transformations de masse d'eau près de la dorsale et fournir des recommandations pour
l'amélioration de la composante océanique de la prochaine génération de modèle de climat. Pour
atteindre ces objectifs, nous combinerons des expériences en laboratoire et des simulations idéalisées
avec un jeu de données nouveau et ambitieux et des sorties de modèles réalistes. Le projet est mené en
collaboration avec le LEGI, le LOCEAN et le LOPS. L’étudiant en thèse travaillera en collaboration
avec les autres partenaires du projet RREX. Il interagira notamment avec J. Gula (LOPS) et M. Le Corre
(étudiant en thèse, LOPS) qui travaillent sur le volet modélisation réaliste haute-résolution de la
circulation autour de la dorsale et avec Achim Wirth et Jan-Bert Flor du LEGI qui travaillent sur des
expériences en laboratoire et des simulations idéalisées de la zone.
Autres collaborations:
    -   partenaires du projet OVIDE : Pascale Lherminier (LOPS), Fiz Perez (IIM Vigo)
    -   partenaires du projet international OSNAP qui ont des mouillages dans la même zone que nos
        mouillages RREX (Lozier et al, 2017). Une analyse jointe avec les mouillages OSNAP est
        prévue.

Projets associés: EQUIPEX NAOS, projet H2020 AtlantOS, Euro-Argo, Argo, projet OSNAP.

Références
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