Science de l’océanographie
Richard Howell Fleming (1909-1989), était océanographe et a présidé le département d’océanographie de l’Université de Washington de 1951 à 1967. Né à Victoria, en Colombie-Britannique, Fleming a obtenu son doctorat de la Scripps Institution of Oceanography. Il a travaillé pour la Division of War Research de l’Université de Californie, puis a été océanographe en chef pour le Bureau hydrographique de la marine américaine à Washington, DC, 1946-1951, rejoignant la faculté de l’UW en 1951. Fleming était un défenseur actif du développement de l’éducation en océanographie et a dirigé l’expansion des études océanographiques à l’Université de Washington. 
Richard H. Fleming (1909-1989) était océanographe et a présidé le département d’océanographie de l’Université de Washington de 1951 à 1967. Il est né à Victoria, en Colombie-Britannique, et a fréquenté l’Université de la Colombie-Britannique, où il a obtenu son baccalauréat et une maîtrise en chimie. Par la suite, il a poursuivi des études à la Scripps Institution of Oceanography de l’Université de Californie, où il a obtenu son doctorat en océanographie en 1935. Fleming a enseigné à la Scripps Institution pendant plusieurs années et a également travaillé pour la Division of War Research de l’Université de Californie de 1941 à 1946, appliquant l’étude de l’océanographie aux problèmes de la guerre sous-marine. Il a poursuivi son travail dans les applications militaires de l’océanographie en tant qu’océanographe en chef pour le Bureau hydrographique de la marine américaine à Washington, DC de 1946 à 1951. Dr. Fleming a rejoint la faculté de l’Université de Washington en 1951 en tant que président du département d’océanographie. Il a dirigé l’expansion des programmes du département, y compris le développement des études de premier cycle en océanographie.
Le Dr Fleming s’est également engagé dans la recherche pendant son mandat de président et a participé à de grands projets en mer. Le projet NORPAC (Northern Pacific Survey) (1955-1956) a été le premier relevé synoptique complet de l’océan Pacifique Nord, cartographiant les courants, les marées, les vents, les profondeurs et les températures et observant la vie végétale et animale sur une période de deux ans. Le projet Chariot (1959-1962), mené pour la Commission de l’énergie atomique dans le cadre de l’opération Plowshare, a enquêté sur la possibilité de créer un port en Alaska en faisant exploser des engins nucléaires. La carrière du Dr Fleming a coïncidé avec le début de l’ère nucléaire, et ses travaux comprenaient deux études sur l’élimination des déchets atomiques dans l’océan, la première pour le National Bureau of Standards et la seconde pour le National Research Council.
Fleming a appartenu à de nombreuses organisations scientifiques et a travaillé sur de nombreux comités. Ceux-ci comprenaient un comité organisateur de l’Union géodésique et géophysique internationale et plusieurs comités du Conseil national de recherches. Il s’est engagé dans et a supervisé des recherches sur des projets de subventions parrainés par l’Office of Naval Research, la Commission de l’énergie atomique et la National Science Foundation.
Fleming a été président du Département d’océanographie jusqu’en 1967 et a continué comme professeur d’océanographie jusqu’en 1980, date à laquelle il a pris sa retraite en tant que professeur émérite. Il s’intéresse particulièrement au développement de l’enseignement de l’océanographie et travaille avec des comités pour favoriser la formation des enseignants du secondaire et la publication de manuels dans le domaine. Il est l’auteur, avec Harold Sverdrup, de The Oceans, l’un des ouvrages de référence sur l’océanographie. Fleming a également été chargé de cours Fulbright à l’Université d’Istanbul en Turquie de 1964 à 1965.
Science de l’océanographie
Océanographie, discipline scientifique concernée par tous les aspects des océans et des mers du monde, y compris leurs propriétés physiques et chimiques, leur origine et leur cadre géologique, et les formes de vie qui peuplent le milieu marin. Un bref traitement de l’océanographie suit. Pour un traitement complet, voir sciences hydrologiques : étude des océans et des mers.
Traditionnellement, l’océanographie a été divisée en quatre branches distinctes mais liées : l’océanographie physique, l’océanographie chimique, la géologie marine et l’écologie marine. L’océanographie physique traite des propriétés de l’eau de mer (température, densité, pression, etc.), de son mouvement (vagues, courants et marées) et des interactions entre les eaux océaniques et l’atmosphère. L’océanographie chimique concerne la composition de l’eau de mer et les cycles biogéochimiques qui l’affectent. La géologie marine se concentre sur la structure, les caractéristiques et l’évolution des bassins océaniques. L’écologie marine, également appelée océanographie biologique, implique l’étude des plantes et des animaux de la mer, y compris les cycles de vie et la production alimentaire.
L’océanographie est la somme de ces différentes branches. La recherche océanographique implique l’échantillonnage de l’eau de mer et de la vie marine pour une étude approfondie, la télédétection des processus océaniques avec des aéronefs et des satellites en orbite terrestre, et l’exploration du fond marin au moyen de forages en haute mer et de profilage sismique de la croûte terrestre sous le fond de l’océan. Une meilleure connaissance des océans du monde permet aux scientifiques de prévoir avec plus de précision, par exemple, les changements météorologiques et climatiques à long terme et conduit également à une exploitation plus efficace des ressources de la Terre. L’océanographie est également essentielle pour comprendre l’effet des polluants sur les eaux océaniques et pour préserver la qualité des eaux des océans face aux exigences croissantes de l’homme.
Sciences hydrologiques
Sciences hydrologiques, les domaines d’étude concernés par les eaux de la Terre. Sont incluses les sciences de l’hydrologie, de l’océanographie, de la limnologie et de la glaciologie. Dans son sens le plus large, l’hydrologie englobe l’étude de l’occurrence, du mouvement et des caractéristiques physiques et chimiques de l’eau sous toutes ses formes dans l’hydrosphère terrestre. En pratique, les hydrologues limitent généralement leurs études aux eaux proches de la surface terrestre de la Terre. L’eau dans l’atmosphère est généralement étudiée dans le cadre de la météorologie. L’eau des océans et des mers est étudiée dans le cadre de la science de l’océanographie, l’eau des lacs et des mers intérieures dans le cadre de la limnologie et la glace à la surface des terres dans le cadre de la glaciologie. Il existe manifestement des chevauchements entre ces grandes disciplines scientifiques ; les hydrologues et les météorologues, par exemple, ont contribué à l’étude du mouvement de l’eau dans les couches limites inférieures de l’atmosphère. Tous sont liés par le concept fondamental du cycle de l’eau (ou cycle hydrologique), selon lequel les eaux de la mer s’évaporent, sont ensuite condensées dans l’atmosphère, tombent sur Terre sous forme de précipitations, et finalement refluent dans les rivières vers la mer.
L’eau est la substance la plus abondante sur Terre et le principal constituant de tous les êtres vivants. L’eau dans l’atmosphère joue un rôle majeur dans le maintien d’un environnement habitable pour la vie humaine. La présence d’eaux de surface a joué un rôle important dans l’essor et le déclin des principales civilisations de l’histoire du monde. Dans de nombreuses sociétés, l’importance de l’eau pour l’humanité se reflète dans les structures juridiques et politiques. À l’heure actuelle, la croissance démographique et l’amélioration du niveau de vie exercent des pressions croissantes sur les ressources en eau disponibles. Il n’y a, en général, pas de pénurie d’eau sur la surface terrestre de la Terre, mais les zones de surplus d’eau sont souvent situées loin des grands centres de population. De plus, dans de nombreux cas, ces centres s’avèrent être des sources de pollution de l’eau. Ainsi, la disponibilité et la qualité de l’eau deviennent une contrainte de plus en plus importante pour les activités humaines, malgré les grandes avancées technologiques qui ont été faites dans le contrôle des eaux de surface.
L’hydrologie traite de la partie du cycle de l’eau depuis l’arrivée de l’eau à la surface terrestre sous forme de précipitations jusqu’à sa perte éventuelle de la terre soit par évaporation ou transpiration vers l’atmosphère, soit par la surface et le sous-sol s’écouler vers la mer. Il concerne donc principalement les eaux proches de la surface terrestre. Il comprend diverses disciplines constitutives de nature plus spécialisée. L’hydraulique s’intéresse à la mécanique et à la dynamique de l’eau à l’état liquide. L’hydrographie est la description et la cartographie des masses d’eau de la surface de la Terre (y compris les océans), avec une attention particulière pour les cartes de navigation. L’hydrométrie implique des mesures des eaux de surface, en particulier des précipitations et des débits. L’hydrométéorologie se concentre sur l’eau dans la couche limite inférieure de l’atmosphère. L’hydrologie et l’hydrogéologie des eaux souterraines concernent les eaux souterraines dans la zone saturée, tandis que la physique de l’eau du sol implique l’étude des eaux souterraines dans la zone non saturée. L’hydrologie technique s’intéresse à la conception de structures artificielles qui contrôlent le débit et l’utilisation de l’eau.
Sous-jacent à toutes les sciences hydrologiques se trouve le concept de bilan hydrique, une expression du cycle de l’eau pour une zone de la surface terrestre en termes de conservation de la masse. Sous une forme simple, le bilan hydrique peut être exprimé comme
S = P − Q − E − G,
où S est le changement de stockage d’eau dans la zone sur une période de temps donnée, P est l’apport de précipitations pendant cette période de temps, Q est le débit du flux de la zone, E est le total de l’évaporation et de la transpiration dans l’atmosphère de la zone , et G est l’écoulement souterrain. La plupart des études hydrologiques portent sur l’évaluation d’un ou plusieurs termes de l’équation du bilan hydrique. En raison des difficultés à quantifier le mouvement de l’eau à travers les limites d’une zone à l’étude, l’équation du bilan hydrique est plus facilement appliqué à une zone se drainant vers un point de mesure particulier sur un canal de cours d’eau. Cette zone s’appelle un bassin versant (ou parfois un bassin versant aux États-Unis). La ligne séparant les bassins versants adjacents est connue sous le nom de division topographique, ou simplement de division. Les sections suivantes décrivent l’étude des différents éléments du bilan hydrique du bassin versant et la manière dont ils affectent la réponse des bassins versants au fil du temps sous différents régimes climatiques.
Évaluation du bilan hydrique du captage – Précipitation
Les précipitations résultent de la condensation de l’eau de l’atmosphère lorsque l’air est refroidi jusqu’au point de rosée, la température à laquelle l’air devient saturé en vapeur d’eau. Le processus de refroidissement est généralement initié par le soulèvement de l’air, qui peut résulter d’un certain nombre de causes, notamment la convection, les effets orographiques sur les chaînes de montagnes ou les effets frontaux aux limites des masses d’air de caractéristiques différentes. La condensation dans l’atmosphère nécessite la présence de noyaux de condensation pour initier la formation de gouttelettes. Une partie du condensat peut être transportée sur des distances considérables sous forme de nuages avant d’être libérée sous forme de pluie ou de neige, selon les températures locales. Certaines précipitations sous forme de rosée ou de brouillard résultent de la condensation sur ou près de la surface terrestre. Dans certaines régions, comme la côte nord-ouest des États-Unis, la rosée et le brouillard peuvent contribuer de manière significative au bilan hydrique. La formation de grêle nécessite une séquence d’épisodes de condensation et de gel, résultant de périodes successives de soulèvement. Les grêlons présentent généralement un motif d’anneaux concentriques de glace.
Le type de jauge le plus précis est la jauge au niveau du sol, dans laquelle l’orifice de la jauge est placé au niveau de la surface du sol et entouré d’une grille anti-éclaboussures. Les captures du pluviomètre diminuent à mesure que l’orifice s’élève au-dessus du sol, en particulier dans les zones soumises à des vents violents. Cependant, dans les régions où les chutes de neige sont importantes, il peut être nécessaire de relever le pluviomètre afin que son orifice soit dégagé de la surface de la neige. Divers écrans pour l’orifice de jauge ont été essayés dans le but de compenser les effets du vent. Les effets du vent sont plus importants pour la neige que pour la pluie et pour les petites gouttes ou les pluies légères que pour les grosses gouttes.
Une impression de la distribution spatiale de l’intensité des précipitations peut être obtenue par des mesures indirectes des précipitations, en particulier la diffusion radar. La relation entre l’intensité des précipitations et les signaux radar mesurés dépend de divers facteurs, dont le type de précipitations et la distribution de la taille des gouttes. Les mesures radar sont souvent utilisées en conjonction avec des pluviomètres pour permettre un étalonnage en ligne lors de la conversion du signal radar en quantités de précipitations. Les mesures radar sont cependant à une échelle spatiale beaucoup plus grande. Une résolution de 5 à 10 kilomètres carrés est courante pour les systèmes opérationnels. Même ainsi, cela fournit une bien meilleure image des schémas spatiaux des précipitations sur de grands bassins versants qu’il n’était possible auparavant. L’utilisation de la télédétection par satellite pour déterminer les volumes de précipitations en est encore à ses débuts, mais la technique semble susceptible de s’avérer utile pour estimer les quantités de précipitations dans les régions éloignées.
La mesure des apports de neige au bilan hydrique du captage est également un problème difficile. La technique la plus basique implique le parcours de neige, une série de piquets pour mesurer les profondeurs de neige. Les chutes de neige peuvent cependant varier considérablement en densité, en fonction principalement de l’histoire de la température de la formation de la neige. La neige accumulée change de densité avec le temps avant de fondre. La densité de la neige peut être mesurée en pesant un échantillon de volume connu prélevé dans un cylindre métallique standard. D’autres techniques de mesure des chutes de neige incluent l’utilisation de coussins à neige, qui enregistrent l’évolution du poids de la neige qui se trouve au-dessus d’eux, ou l’utilisation de pluviomètres équipés d’éléments chauffants, qui font fondre la neige lorsqu’elle tombe. Ces techniques sont soumises aux effets du vent, à la fois lors d’un événement orageux et entre événements en raison de la redistribution de la neige par le vent.
Les statistiques récapitulatives sur les précipitations sont généralement produites sur la base des quantités quotidiennes, mensuelles et annuelles tombant à un endroit donné ou sur un bassin versant. La fréquence à laquelle une pluie d’un certain volume se produit au cours d’une certaine période est également importante pour l’analyse hydrologique. L’évaluation de cette fréquence, ou de l’intervalle de récurrence des précipitations à partir de l’échantillon de données disponibles, est un problème statistique impliquant généralement l’hypothèse d’une distribution de probabilité particulière pour représenter les caractéristiques des précipitations. 
De telles analyses doivent supposer que cette distribution ne change pas dans le temps, même s’il a été démontré que dans certaines régions du monde, le changement climatique peut entraîner une variation des statistiques de précipitations. On a longtemps émis l’hypothèse que les précipitations peuvent présenter des schémas cycliques sur de longues périodes de temps, et des efforts considérables ont été déployés pour rechercher de tels cycles. Dans certaines régions, le cycle saisonnier annuel est d’une importance primordiale, mais les démonstrations de périodicités plus longues ne se sont pas révélées d’une applicabilité générale.
Les schémas d’intensité et de durée des précipitations sont d’une grande importance pour l’hydrologue pour prévoir les débits des bassins versants et la disponibilité de l’eau et pour faire face aux inondations, aux sécheresses, au drainage des terres et à l’érosion des sols. Les précipitations varient à la fois au sein et entre les tempêtes de pluie, parfois de façon spectaculaire, selon le type et l’ampleur de la tempête et sa vitesse de déplacement. Au sein d’une tempête, l’intensité moyenne a tendance à diminuer avec une augmentation de la zone de tempête. A plus grande échelle, les variations saisonnières des précipitations varient avec le climat. Les zones tempérées humides ont tendance à avoir des précipitations assez uniformément réparties tout au long de l’année ; Les régions méditerranéennes ont un pic hivernal avec de faibles précipitations estivales ; les zones de savane ont un double pic de précipitations ; et les zones équatoriales ont à nouveau une répartition relativement uniforme des précipitations au cours de l’année. Les précipitations annuelles moyennes varient également considérablement. La moyenne à long terme minimale enregistrée est de 0,76 millimètre à Arica, au Chili ; le maximum de 11 897,36 millimètres à Tutunendo, en Colombie. Les intensités maximales de précipitations enregistrées sont de 38 millimètres en une minute (Barot, Guadeloupe, 1970) ; 1 870 millimètres en une seule journée (Cilaos, Réunion, 1952) ; et 26 461 millimètres en un an.Interception
Lorsque les précipitations atteignent la surface dans les zones végétalisées, un certain pourcentage est retenu ou intercepté par la végétation. Les précipitations qui ne sont pas interceptées sont appelées précipitations. L’eau qui atteint le sol via les troncs et les tiges de la végétation est appelée stemflow. Les capacités de stockage d’interception de la végétation varient avec le type et la structure de la végétation et avec les facteurs météorologiques. Des mesures ont montré que jusqu’à huit millimètres de précipitations peuvent être interceptés par certains couverts végétaux. L’eau interceptée est évaporée dans l’atmosphère à des taux déterminés par les conditions météorologiques dominantes et la nature de la végétation. Dans les régions tempérées humides, l’évaporation de l’eau interceptée peut être une composante importante du bilan hydrique. Il a été démontré que les zones forestières ont des pertes d’interception plus importantes que les zones de prairies adjacentes. Cela est dû à la plus grande rugosité aérodynamique du couvert forestier, ce qui entraîne un transfert beaucoup plus efficace de la vapeur d’eau loin de la surface.
Infiltration
Lorsque l’eau d’un orage ou d’une période de fonte des neiges atteint le sol, une partie ou la totalité de celle-ci s’infiltre dans le sol. Le taux d’infiltration dépend de l’intensité de l’apport, de l’état d’humidité initial de la couche superficielle du sol et des caractéristiques hydrauliques du sol. Des effets à petite échelle tels que la présence d’un joint de surface de faible perméabilité (en raison du réarrangement des particules de sol de surface par les éclaboussures de pluie) ou la présence de larges canaux et fissures dans le sol de surface peuvent être importants pour contrôler les taux d’infiltration. L’eau en excès de la capacité d’infiltration du sol s’écoulera par ruissellement de surface une fois que les ondulations mineures de la surface (la dépression de stockage) auront été remplies. Un tel ruissellement se produit le plus souvent sur des sols nus et dans des zones soumises à de fortes intensités pluviométriques. Dans de nombreux environnements, les intensités des précipitations dépassent rarement les capacités d’infiltration des surfaces de sol végétalisé. L’occurrence du ruissellement de surface est alors plus susceptible d’être générée par des précipitations sur un sol complètement saturé.
Qualité de l’eau
L’eau naturelle est une solution diluée d’éléments dissous de la croûte terrestre ou lessivés de l’atmosphère. Sa concentration ionique varie de moins de 100 milligrammes par litre dans la neige, la pluie, la grêle et certains lacs et ruisseaux de montagne jusqu’à 400 000 milligrammes par litre dans les lacs salins des systèmes de drainage internes ou les anciennes eaux souterraines associées aux sédiments marins.
La qualité de l’eau est influencée par des facteurs naturels et par les activités humaines, qui font tous deux l’objet de nombreuses études hydrologiques. La qualité naturelle de l’eau varie d’un endroit à l’autre en fonction du climat et de la géologie, du débit des cours d’eau et de la saison de l’année. Une fois que les précipitations ont atteint le sol, l’eau s’infiltre à travers les matières organiques telles que les racines et la litière de feuilles, dissout les minéraux du sol et de la roche à travers lesquels elle s’écoule et réagit avec les êtres vivants, des organismes microscopiques aux humains. La qualité de l’eau est également modifiée par la température, les bactéries du sol, l’évaporation et d’autres facteurs environnementaux. La pollution est la dégradation de la qualité de l’eau par les activités humaines. La pollution des eaux de surface et souterraines a de nombreuses causes, mais elle a des effets de plus en plus graves sur les systèmes hydrologiques. Dans certaines régions, les apports de précipitations au système sont déjà fortement pollués, principalement par des acides résultant de la combustion de combustibles fossiles dans la production d’électricité et les automobiles.
D’autres causes graves de pollution ont été le déversement de déchets industriels et le déversement d’eaux usées non traitées dans les cours d’eau. L’épandage de sel sur les routes en hiver a entraîné la contamination des réserves souterraines d’eau potable dans certaines régions, comme par exemple à Long Island, New York. L’excès d’eau résultant de la déforestation ou des flux de retour d’irrigation qui lessivent les sels des sols dans les zones semi-arides sont des sources majeures de pollution dans l’ouest des États-Unis et l’ouest de l’Australie.
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— Oceanography (@Oceanographyy) October 5, 2023
Étude des lacs
La limnologie s’intéresse aux lacs naturels et artificiels, à leurs caractéristiques physiques, à leur écologie, à leurs caractéristiques chimiques, aux flux d’énergie internes et aux échanges avec l’environnement. Il comprend souvent l’écologie et la biogéochimie des eaux douces courantes. L’étude des anciens lacs est connue sous le nom de paléolimnologie. Il s’agit de déduire l’histoire d’un ancien bassin lacustre sur la base des preuves contenues dans les sédiments du lit du lac.
Les lacs peuvent se former à la suite de l’activité tectonique, de l’activité glaciaire, du volcanisme et de la dissolution de la roche sous-jacente. Les lacs ou réservoirs artificiels peuvent résulter de la construction d’un barrage dans un bassin versant naturel ou d’une retenue artificielle complète. Dans le premier cas, le réservoir peut être rempli par un écoulement naturel venant de l’amont ; dans ce dernier cas, l’eau doit être acheminée ou pompée à partir d’une source de surface ou souterraine. L’utilisation de l’eau du réservoir pour l’approvisionnement en eau, la régulation des rivières ou la production d’énergie hydroélectrique peut entraîner des changements rapides des niveaux d’eau qui ne se produiraient pas normalement dans un lac naturel. De plus, l’eau est généralement puisée dans un réservoir à une certaine profondeur, ce qui entraîne un temps de séjour plus court par rapport à un lac naturel équivalent.
L’histoire des lacs
Un lac nouvellement formé contient généralement peu de nutriments et ne peut supporter qu’une petite quantité de biomasse. Elle est qualifiée d’oligotrophe. Les processus naturels fourniront des éléments nutritifs à un lac en solution dans l’eau de rivière et l’eau de pluie, dans les retombées de poussière de l’atmosphère et en association avec les sédiments emportés dans le lac. Le lac deviendra progressivement eutrophe, avec une qualité d’eau relativement mauvaise et une production biologique élevée. Le remplissage par les sédiments signifie que le lac deviendra progressivement moins profond et finira par disparaître. Les taux naturels d’eutrophisation sont normalement relativement lents. Les activités humaines, cependant, peuvent grandement accélérer le processus par l’ajout d’éléments nutritifs excessifs dans les eaux usées et les résidus d’engrais agricoles. Le résultat peut être une production excessive de biomasse, comme en témoignent les « floraisons » de phytoplancton et la croissance rapide de macrophytes comme Eichhornia.
Les caractéristiques physiques des lacs
La caractéristique physique la plus importante de la majorité des lacs est leur configuration des températures, en particulier les changements de température avec la profondeur. Le profil vertical de température peut être mesuré à l’aide de réseaux de sondes de température déployées soit à partir d’un bateau, soit à partir d’une plate-forme fixe. Les techniques de télédétection sont de plus en plus utilisées pour observer les modèles de température dans l’espace et, en particulier, pour identifier les panaches thermiques associés à la pollution thermique. En été, l’eau de nombreux lacs se stratifie en une couche supérieure plus chaude, appelée épilimnion, et une couche inférieure plus froide, appelée hypolimnion. La stratification joue un rôle majeur dans le mouvement des nutriments et de l’oxygène dissous et a un effet de contrôle important sur l’écologie du lac. Entre les couches, il existe généralement une zone de changement de température très rapide connue sous le nom de thermocline. Lorsque le lac commence à se refroidir à la fin de l’été, l’eau de surface plus froide a tendance à couler car elle a une plus grande densité. A terme cela se traduit par un renversement de la stratification et un mélange des couches. Le changement de température avec la profondeur est généralement beaucoup plus faible en hiver. Certains lacs, appelés lacs dimictiques, peuvent également présenter un retournement printanier suite à la fonte de la couverture de glace, puisque l’eau a une densité maximale à 4 °C.
Une deuxième caractéristique importante des lacs est la façon dont la disponibilité de la lumière change avec la profondeur. La lumière diminue de façon exponentielle (comme décrit par la loi de Beer) en fonction de la turbidité de l’eau. À la profondeur de compensation, la lumière disponible pour la production photosynthétique correspond juste à l’énergie perdue lors de la respiration. Au-dessus de cette profondeur se trouve la zone euphotique, mais en dessous, dans la zone aphotique, le phytoplancton – le niveau le plus bas du système écologique d’un lac – ne peut survivre que si les organismes sont capables de migration verticale. Les modèles de dépôt de sédiments dans les lacs dépendent des taux d’approvisionnement dans les eaux entrantes et des courants souterrains et de la topographie. Des sondages répétitifs du lit du lac peuvent être utilisés pour étudier les schémas de sédimentation. La télédétection de la turbidité des eaux de surface a également été utilisée pour déduire les taux de sédimentation, comme dans le lac artificiel Nasser en Égypte. Dans certaines parties du monde où les taux d’érosion sont élevés, la durée de vie opérationnelle des réservoirs peut être considérablement réduite par le remplissage avec des sédiments.
Cycles biogéochimiques dans les océans
L’océan est une grande réserve de produits chimiques qui reçoit des apports des rivières et de l’atmosphère et, en moyenne, perd des quantités égales dans les dépôts sédimentaires au fond de l’océan. Les processus biologiques jouent un rôle important dans le traitement des produits chimiques reçus et dans le maintien de la constance remarquable de la composition de l’eau de mer. Heureusement cette cohérence ne s’étend pas à tous les éléments présents dans l’eau de mer. Les concentrations de certains des éléments mineurs ou traces peuvent être utilisées pour déduire les processus de mélange, biologiques et de sédimentation qui se produisent. Dans tous les océans, les principales variations de composition se situent dans les couches supérieures, là où se trouve la plus grande activité biologique.
L’utilisation d’un certain nombre de radio-isotopes différents pour dater les sédiments et calculer les taux de sédimentation et de mélange dans les océans a joué un rôle important dans l’étude des cycles biogéochimiques des océans. Une utilisation particulièrement intéressante de la datation radiométrique a consisté à étudier la formation des nodules de manganèse qui se produisent sur certains segments du fond marin et dans les sédiments sous-jacents. Ces nodules sont principalement constitués d’oxydes de manganèse et de fer, même si les concentrations de ces éléments dans l’eau de mer sont très faibles. Les techniques de datation ont montré que les taux de croissance des nodules sont de l’ordre de trois millimètres par 1 000 ans, soit 1 000 fois moins que le taux d’accumulation des sédiments sur lesquels ils reposent.
Étude de la glace sur la surface terrestre de la Terre
La glaciologie traite des caractéristiques physiques et chimiques de la glace sur les masses continentales ; la formation et la distribution des glaciers et des calottes glaciaires ; la dynamique du mouvement de la glace glaciaire ; et les interactions de l’accumulation de glace avec le climat, à la fois dans le présent et dans le passé. La glace des glaciers ne couvre actuellement qu’environ 10% de la surface terrestre de la Terre, mais elle était jusqu’à trois fois plus étendue pendant la période glaciaire du Pléistocène.
L’accumulation de glace
La glace des glaciers se forme à partir de l’accumulation de neige sur de longues périodes dans les régions où les chutes de neige annuelles sont supérieures au taux de fonte en été. Cette neige accumulée se transforme progressivement en glace cristalline à mesure qu’elle est ensevelie sous d’autres chutes de neige. Le processus peut être accéléré par des cycles successifs de fusion et de congélation. La glace cristalline incorpore une partie de l’air de la neige d’origine sous forme de bulles, qui ne disparaissent qu’à des profondeurs dépassant environ 1 000 mètres. Les couches annuelles successives dans la glace peuvent souvent être distinguées par des différences de forme cristalline, par des couches de particules de poussière accumulées qui marquent chaque saison de fonte estivale, ou par des différences saisonnières dans les caractéristiques chimiques telles que les rapports isotopiques de l’oxygène. Les couches s’amincissent avec la profondeur à mesure que la densité de la glace augmente.
Les rapports isotopiques de l’oxygène indiquent la température à laquelle la neige constituant la glace s’est formée. Les variations saisonnières des rapports isotopiques permettent non seulement de distinguer les couches annuelles, mais peuvent également être utilisées pour déterminer les temps de séjour des eaux de fonte dans une masse de glace. Les variations à long terme des rapports isotopiques peuvent être utilisées pour déterminer les variations de température liées au changement climatique. Une carotte de glace de 1 390 mètres prélevée au Camp Century au Groenland a ainsi été utilisée pour indiquer les températures au cours des 120 000 dernières années, et elle montre clairement que la dernière période glaciaire s’étendait de 65 000 à environ 10 000 ans. Ces résultats ont été corroborés par des mesures de carottes supplémentaires du Groenland et de l’Antarctique. Malgré le fait que les températures peuvent rester en dessous de zéro toute l’année, l’accumulation de glace sur une grande partie de l’Antarctique est très lente, car les taux de précipitations sont faibles (ils sont équivalents à ceux de nombreuses zones désertiques).
Sur tout glacier, il existe un équilibre à long terme entre l’accumulation et l’ablation (pertes dues au ruissellement de fonte et à d’autres processus). L’accumulation continue finit par entraîner le déplacement de la glace vers le bas, où les taux de fonte sont plus élevés. L’altitude à laquelle l’accumulation équilibre les pertes change selon les saisons ainsi que sur de plus longues périodes. Dans de nombreuses régions du monde, les eaux de fonte annuelles constituent une partie cruciale des ressources en eau utilisées par l’homme. Dans le passé, il était très difficile de prédire les quantités de ruissellement de fonte printanière en raison des difficultés à évaluer l’accumulation de neige en terrain montagneux. Les techniques de télédétection permettent maintenant d’estimer l’accumulation sur des zones beaucoup plus vastes, et elles offrent également la possibilité de mettre à jour ces estimations pendant la saison de fonte.
Le mouvement des glaciers Les mécanismes par lesquels une grande masse de glace peut se déplacer sous l’effet de la gravité sont débattus depuis environ 1750. On sait maintenant qu’une partie de ce mouvement est due au glissement basal mais que la glace elle-même, un solide cristallin proche de son point de fusion, peut s’écouler, se comportant comme d’autres solides cristallins tels que les métaux. Les premières mesures des vitesses d’écoulement étaient entièrement basées sur des levés de piquets de surface, une technique encore utilisée aujourd’hui. Au début du XIXe siècle, le géologue suisse Louis Agassiz a montré que le mouvement était le plus rapide dans la partie centrale d’un glacier. Les taux de déplacement sont les plus rapides dans les glaciers tempérés, qui ont des températures proches du point de fusion de la glace et comprennent environ 1 % d’eau liquide. (Cette eau constitue une couche au fond d’une telle masse de glace.) Les vitesses varient dans le temps, parfois de façon assez spectaculaire. Certains glaciers (par exemple, les glaciers Muldrow et Variagated en Alaska) sont soumis à des surtensions de vitesses très rapides à des périodes irrégulières. Les causes de ces avancées catastrophiques ne sont toujours pas bien comprises.
Les techniques d’étude du mouvement de la glace sur le terrain comprennent des études de la déformation des forages verticaux et des tunnels latéraux creusés dans la glace. La structure interne des glaciers et des calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique a également été examinée au moyen de sondages radar. Cette méthode fonctionne mieux dans les glaciers froids où la glace est en dessous de son point de congélation. Des preuves indirectes des modèles de mouvement sont obtenues à partir des formes de relief caractéristiques associées aux glaciers, en particulier le substrat rocheux rayé ou strié et les moraines composées de débris rocheux. De telles formes permettent également l’interprétation d’anciens schémas de déplacement dans des zones qui ne sont plus recouvertes de glace.
Richard H. Fleming (1909-1989)
Richard Howell Fleming était un océanographe canado-américain qui a étudié les courants océaniques, la chimie et la biochimie. Il a appliqué l’océanographie à des fins militaires (1941-1951) et a étudié l’élimination des déchets atomiques dans l’océan. Fleming a travaillé avec la première étude synoptique complète de deux ans (1955-1956) de l’océan Pacifique Nord, en cartographiant les courants, les marées, les vents, les profondeurs et les températures et en observant la vie végétale et animale. En 1959, pour la Commission de l’énergie atomique, il a commencé à étudier la faisabilité de créer un port en Alaska par des explosions nucléaires. Il est co-auteur de l’ouvrage complet The Oceans : Their Physics, Chemistry, and General Biology, (1942).
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— Oceanography (@Oceanographyy) October 4, 2023
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