Circulation dans les Grands Lacs

Parce qu'ils s'étendent sur des centaines de kilomètres, atteignent des profondeurs de 100 mètres (sauf le lac Érié) et se caractérisent par une stratification thermique saisonnière bien marquée, les Grands Lacs principaux subissent nombre des phénomènes physiques qui sont propres aux parties littorales des océans et aux mers intérieures. La principale différence physique réside dans leur fermeture par la terre qui les borde, la rive des Grands Lacs. La rotation de la planète (force de Coriolis) et le relief du bassin exercent une forte influence sur la circulation à grande échelle. [Source : " Thermal Structure and Circulation in the Great Lakes ", F. M. Boyce et al, Atmosphere-Oceans, 27 (4) 1989, p. 607 à 642].

Ce qui fait toute la différence entre les Grands Lacs et les océans, c'est leur eau douce, dont la densité maximum est atteinte à 4 °C , soit substantiellement plus que le point de congélation de 0 °C. Le renversement des eaux a donc lieu à l'automne, lorsque la température des eaux de surface baisse à 4 °C, et au printemps, quand elles arrivent à cette température. La colonne d'eau se stratifie quelque peu, mais de façon stable, en hiver lorsque l'eau plus froide que 4 °C (densité plus faible) se maintient à la surface. Au début du printemps, la bande d'eau qui borde la rive est chauffée à plus de 4 °C alors que la température demeure à 4 °C dans la partie centrale du lac, ce qui forme une barrière thermique par différence de densité. Cette barrière peut subsister jusqu'en juin dans les lacs Ontario, Huron et Michigan, et même plus longtemps dans le lac Supérieur, les parties les plus profondes des lacs demeurant coiffées d'eaux de surface dont la température est inférieure à 4 °C. L'ensemble de la surface du lac finit ensuite par se réchauffer et une stratification thermique s'établit. La stabilité de la couche d'eau chaude susjacente à la couche d'eau froide limite la circulation verticale et influe sur la circulation horizontale à grande échelle.

L'hiver, en période isotherme, les courants de circulation sont alimentés par le vent. Comme les Grands Lacs couvrent normalement une superficie plus faible que les systèmes météorologiques qui les affectent, la tension exercée par le vent est pour l'essentiel uniforme sur tout le bassin. À proximité de la rive, l'impulsion qu'il imprime se fait sentir jusqu'au fond, le débit étant accru dans le sens où souffle le vent le long de la rive. Puisque les lacs sont des bassins fermés, il faut qu'il y ait un courant de retour. La restitution a lieu au milieu du bassin, ce qui donne naissance à un double tourbillon. À l'inverse de ce qui existe dans les autres grands bassins, le fait que la profondeur soit presque constante dans la partie centrale du lac Érié y rend la circulation sensible au vecteur rotationnel de la tension du vent. La circulation engendrée par le vent peut prendre la forme soit d'un double tourbillon, soit d'un seul tourbillon couvrant l'ensemble du bassin et tournant dans l'un ou l'autre sens, selon l'intensité de la tension exercée par le vent.

Au printemps, lorsque la température de l'eau située du côté littoral de la barrière thermique augmente, les gradients de pression que la différence de densité fait apparaître le long de la côte et au large ont tendance à repousser les eaux chaudes vers ce dernier. La rotation de la Terre (force de Coriolis) infléchit la trajectoire de ce courant et donne naissance à une circulation presque régulière où les eaux chaudes se déplacent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (hémisphère Nord) en suivant le profil du fond. Comme la colonne d'air qui surplombe le lac est stable (eau froide et air chaud), la tension exercée par le vent est affaiblie et cette circulation horizontale d'origine thermique peut durer plus d'un mois. Lorsque les eaux sont stratifiées, durant l'été, le vent qui souffle sur un lac a initialement pour effet de faire glisser la couche superficielle d'eau chaude sur une couche inférieure stable (thermocline). Lorsque le vent souffle vers la rive, les eaux chaudes forcent la thermocline vers le bas alors que, lorsqu'il souffle vers le large, l'apport d'eau chaude entraîne son élévation. De façon générale, les courants les plus puissants s'établissent entre 1 et 10 kilomètres de la rive et sont associés à des courants parallèles à celle-ci qui vont initialement dans le sens de la composante du vent qui souffle parallèlement à la rive. Ensuite, sur une échelle temporelle qui se mesure en jours, ils changent de sens avant de disparaître. Au large, au-delà de 10 kilomètres, les courants sont plus variables et, l'été, ont généralement tendance à suivre le sens des aiguilles d'une montre. Très près de la rive, dans la zone de déferlement, les vagues qui brisent en surface font apparaître des courants littoraux.

Les paragraphes qui précèdent tentent d'expliquer la circulation horizontale générale des Grands Lacs. Le débit entrant et sortant des grands cours d'eau, comme la rivière Niagara, exerce également un effet localisé sur la circulation lacustre. Une composante hydraulique tenant à la différence de niveau d'eau entre les deux extrémités d'un chenal peut également donner naissance à des courants dans les passes et les baies peu profondes. Par exemple, des courants de 2 à 3 nœuds ont été relevés sur le lac Huron, à Little Current, dans le chenal Nord.