Les Tourbillons Océaniques

Les Tourbillons Océaniques

Des Trous Noirs dans l'Océan

Les scientifiques savaient depuis longtemps que d'immenses tourbillons se forment dans les océans. Or, pour mieux les repérer, un physicien les a mis en équation. Surprise : les équations sont les mêmes que celles décrivant un trou noir cosmique.

Ils sont 10 mille. Dix mille monstres à dériver à la surface des océans. Dix mille gouffres engendrés par les courants marins qui voyagent durant plusieurs mois entre les continents. Pour autant, rien à voir avec les fantasmatiques maelströms capables d’engloutir bateaux et baleines (voir encadré) : un navire les traverse sans même que son équipage s’en rende compte, de même que la plupart des organismes marins - l’eau n'y tourne qu'à raison de quelques centaines de mètres par heure. Mais, pour le plancton primaire qui vit dedans, pour les gouttes d’eau qui les composent, pour le sel qui y est dissous, pour la chaleur qui y est emmagasinée, ces tourbillons qui peuvent atteindre une centaine de kilomètres de diamètre et dont les racines plongent jusqu’à 1000 mètres sous la surface, forment de véritables trous noirs.

Vous avez bien lu : l’océan est peuplé de trous noirs, ces astres fantastiques imaginés dans le cadre de la relativité générale, et desquels aucun grain de matière ou de lumière, une fois pénétré dans leur giron, ne peut s’échapper. Inimaginable ? C’est pourtant la conclusion des très sérieux calculs que vient de mener George Haller, professeur de dynamique non linéaire à l’Institut fédéral suisse de technologie, à Zurich.

EDGAR POE A-T-IL DÉCRIT UN TROU NOIR AVANT L'HEURE ?

"Le bord du tourbillon était marqué par une large ceinture d'écume lumineuse ; mais pas une parcelle ne glissait dans la gueule du terrible entonnoir"... Ainsi Edgar Allan Poe décrit-il la frontière du monstrueux tourbillon qu'il met en scène dans sa nouvelle Descente dans le maelström. Certes, "ce monstre marin" avalant bateaux et matelots n'existe que dans l'imaginaire de l'auteur fantastique. Et pourtant, George Haller lui-même relève la pertinence scientifique de la description qu'en donne Poe, presque une préfiguration de l'analogie qu'il a mis en évidence entre tourbillons océaniques et trous noirs. "Cette ceinture d'écume lumineuse dont parle Poe n'est outre que cette ceinture d'eau cohérente que nous avons décrite mathématiquement dans notre publication", explique le théoricien. Si l'analogie mathématique avec le trou noir s'arrête là, la vision de Poe n'en reste pas moins troublante lorsqu'il écrit que ses personnages "imaginent qu'au milieu du canal du Maelström est un abîme qui traverse le globe et aboutit dans quelque région très éloignée". Comme si l'écrivain avait entrevu au fond des mers les monstres cosmologiques que les scientifiques découvriront un siècle plus tard.

RÔLE CAPITAL SUR LE CLIMAT

Ces tourbillons océaniques tournant sur eux-mêmes sans altération ne sont rien de moins que les alter ego terrestres de ces Léviathan cosmiques dévoreurs d’étoiles : une fois aspirés dedans, aucune goutte n’a la moindre chance d’entrer en contact avec le reste de l’océan, le long des milliers de kilomètres parcourus. Autrement dit, la frontière de ces tourbillons dessine un véritable “ailleurs”, un espace totalement coupé du reste des mers, une île littéralement en dehors de notre monde...

Ces étranges structures aquatiques sont de vieilles connaissances des océanographes, qui savent l’importance des gigantesques quantités de chaleur, de sel et de biomasse primaire qu’elles transportent d’un bout à l’autre des mers. C’est bien simple, comme le résume Patrick Marchesiello, chercheur au Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS), à Toulouse, "sans ces tourbillons, il est impossible d'expliquer la dynamique des océans ou le climat de la Terre".

C’est en cherchant à mettre au point une méthode permettant de repérer plus rigoureusement ces tourbillons sur les images satellites que George Haller a fait son étonnante découverte. “Pour les détecter, la méthode classique est l’altimétrie, qui permet de mettre en évidence des boucles le long desquelles l’altitude de la surface de l’océan est constante, et donc de déduire la présence d’un tourbillon, détaille le théoricien américain. Or, dans une étude précédente, nous avons montré que cette vision est erronée : dans de nombreux cas, les structures hydrodynamiques correspondantes n’ont pas de cohérence et se délitent donc rapidement”. Comptabiliser ainsi ces tourbillons qui, parfois, n’en sont pas, peut in fine conduire à surestimer les transferts océaniques de chaleur ou de sel dus aux véritables tourbillons cohérents et stables dans le temps... et donc à mal évaluer l’évolution globale des océans et du climat.

"UN COMPORTEMENT UNIQUE"

D’où l’idée du physicien américain d’imaginer une méthode mathématique susceptible de les repérer à coup sûr. " Basiquement, l’idée était de résoudre des équations pour caractériser précisément la frontière d’un tourbillon en tant que boucle fermée et stationnaire dans le temps de l’écoulement", précise le scientifique. Or, une fois griffonnés sur le papier, les signes mathématiques étaient on ne peut plus clairs : les orbites décrites par le fluide à la frontière d’un tourbillon océanique font apparaître des équations parfaitement identiques à celles qui décrivent la structure de l’espace-temps aux abords d’un trou noir. “A dire vrai, nous ne nous attendions absolument pas à ce que des outils développés pour la relativité générale jouent ici le moindre rôle, avoue le chercheur. C'était tout à fait nouveau et surprenant”.

Absolument inattendu, mais néanmoins parfaitement valide. “Le raisonnement semble impeccable. C’est mathématiquement très précis et parfaitement identifié”, confirme Renaud Parentani, au Laboratoire de physique théorique, à Orsay, et spécialiste des trous noirs. Précisément, tout comme leurs alter ego cosmiques, les tourbillons océaniques possèderaient ce que les astrophysiciens appellent une sphère de photons. Soit une surface fictive entourant l’astre, et susceptible de piéger indéfiniment des particules de lumières (les photons) sur des orbites circulaires. Un endroit déroutant où, parce que la lumière se boucle sur elle-même, il est théoriquement possible d’apercevoir son dos en regardant droit devant soi ! Pour nos trous noirs océaniques, cela correspond à des lignes singulières du champ de déformation du fluide où celui-ci tourne et se propage sans que sa cohérence géométrique ne soit altérée, conférant à ces structures fluides une incroyable stabilité. Un comportement absolument unique dans un écoulement par ailleurs turbulent”, explique George Haller. Qui précise : "La forme très aplatie des tourbillons océaniques autorise à les considérer, du moins en première approximation, tels des objets bidimensionnels. Cette sphère de photons joue alors le même rôle que l’horizon d’un trou noir, cette frontière au-delà de laquelle on ne peut plus revenir en arrière. Ainsi, un élément fluide qui s’y trouve ne peut plus en sortir, contraignant le fluide situé à l’intérieur du tourbillon d'y rester piégé durablement". Propriété faisant bien de l’intérieur d’un trou noir océanique ce même "non-lieu" qu’est l’intérieur de leur jumeau cosmique : un coin d’espace comme arraché à l'espace. C'est à ce titre que l’analogie trouve sa profonde pertinence. Ce qui est d’autant plus inattendu dans un océan où les masses d’eau se meuvent en se mélangeant et s’interpénétrant à toutes les échelles spatiales, ce qui semble justement garantir qu’aucune partie ne puisse jamais rester longtemps isolée des autres. (...) "

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Yves Herbo-Sciences-F-H-02-2014