Plongée numérique dans l’océan du futur

Comme pour la météo et le cli­mat, les capa­ci­tés de simu­la­tion de l’océan se sont déve­lop­pées de manière incroyable depuis quelques décen­nies. Cela per­met des pré­vi­sions inima­gi­nables aupa­ra­vant et des recons­ti­tu­tions pré­cieuses du pas­sé. L’arrivée de l’intelligence arti­fi­cielle per­met d’anticiper de nou­veaux déve­lop­pe­ments et d’imaginer un véri­table jumeau numé­rique de l’océan. Les capa­ci­tés asso­ciées à ces déve­lop­pe­ments joue­ront un rôle majeur dans les débats socié­taux et poli­tiques à venir.

L’océan numé­rique est à l’océanographie ce que le ciné­ma est à la culture : une fenêtre ouverte sur notre propre monde, un autre regard, la pos­si­bi­li­té de choi­sir l’histoire que l’on veut vivre et s’y immer­ger, explo­rer ce qui nous est nor­ma­le­ment inac­ces­sible – voya­ger dans le temps, voir l’invisible, être par­tout à la fois, explo­rer et apprendre, com­prendre, com­prendre enfin ! et res­sor­tir plus riche en lais­sant der­rière soi un monde intact, en sachant qu’on peut y retourner.

Comme le ciné­ma, l’océanographie numé­rique est pas­sée en quelques décen­nies du noir & blanc à la cou­leur, à la haute réso­lu­tion, aux 3D, aux séries, aux for­mats longs. Com­bien de métiers mobi­li­sés, com­bien d’heures de tra­vail, com­bien de ten­ta­tives pour pou­voir offrir fina­le­ment à cha­cun cette expé­rience d’une immer­sion réa­liste et fluide dans un miroir numé­rique de son propre monde ? Et, comme le ciné­ma qui sort des salles obs­cures, s’hybride avec les jeux vidéo, passe d’un écran à l’autre, fait du spec­ta­teur un acteur, l’océan numé­rique pré­pare un jumeau numé­rique de notre océan qui amène la connais­sance de l’océan au creux de la main de chacun.

Les simulateurs numériques d’océan

L’océan est un fluide qui obéit aux lois de la méca­nique. Son com­por­te­ment peut être décrit par un sys­tème d’équations dif­fé­ren­tielles pour les variables qui le carac­té­risent : la tem­pé­ra­ture, la sali­ni­té et la vitesse des cou­rants. Hélas, ces équa­tions étant non linéaires, elles défient les mathé­ma­ti­ciens depuis le XIX^e siècle et on a dû long­temps se conten­ter de solu­tions dans des cadres très idéa­li­sés en une ou deux dimensions.

L’essor de l’informatique à la fin des années 1970 a ouvert de nou­veaux hori­zons, en ren­dant pos­sibles des simu­la­teurs numé­riques d’océan qui per­mettent de résoudre numé­ri­que­ment ces équa­tions et de décrire l’océan dans toutes ses dimen­sions et sa com­plexi­té. Ces modèles numé­riques d’océan sont les héri­tiers des modèles d’atmosphère déve­lop­pés pour la pré­vi­sion météo : en effet les deux fluides, air et eau, obéissent à des équa­tions simi­laires, et la rota­tion de la Terre (force de Corio­lis) joue un grand rôle dans leur dynamique.

L’océan se dis­tingue cepen­dant de l’atmosphère par des échelles spa­tiales plus petites (une per­tur­ba­tion atmo­sphé­rique a dix fois la taille d’un tour­billon du Gulf Stream) et des échelles tem­po­relles plus longues (une per­tur­ba­tion météo dure quelques jours, un tour­billon océa­nique plu­sieurs mois). Simu­ler l’océan glo­bal avec des pré­ci­sions suf­fi­santes est donc un défi consi­dé­rable pour les super­cal­cu­la­teurs les plus puis­sants. On parle ici de mettre à jour toutes les deux minutes une tren­taine de para­mètres décri­vant l’état de l’océan sur cha­cun des 9 mil­liards des points de grille uti­li­sée par ce super­lo­gi­ciel : sur l’un des super­cal­cu­la­teurs du top 100 mon­dial, géné­rer un an de simu­la­tion mobi­lise une semaine de cal­culs sur 30 000 pro­ces­seurs et four­nit un péta­oc­tet de données.

Pour décrire ce que l’on sait, plutôt que ce que l’on voit

C’est ébou­rif­fant, mais en océa­no­gra­phie on ne s’adonne pas à la modé­li­sa­tion numé­rique pour être en phase avec son époque : on le fait depuis long­temps par néces­si­té et pour com­pen­ser un cruel manque d’information sur cet espace immense qu’est l’océan.

Avec les moyens d’observation actuels, décrire l’océan revient à caler une pré­vi­sion météo sur la France avec une image satel­lite, une mesure de ter­rain à Madrid et l’autre à Oslo ! Mieux vaut alors savoir s’organiser pour recons­ti­tuer l’information qui manque, et c’est exac­te­ment le rôle de cette océa­no­gra­phie numé­rique : inter­po­ler, extra­po­ler, recons­ti­tuer la tur­bu­lence et les grands équi­libres à par­tir des indices lais­sés par les obser­va­tions, des règles invio­lables de la méca­nique des fluides et de la mémoire de nos sys­tèmes. Fina­le­ment, redes­si­ner un océan dans toutes ses dimen­sions, à par­tir de ce que l’on sait, ce qui est bien plus riche que ce que l’on voit.

Cette océa­no­gra­phie a fait d’immenses pro­grès en vingt ans et il est donc pos­sible aujourd’hui de décrire numérique­ment l’océan sur l’ensemble du globe comme il est pos­sible de zoo­mer sur un lieu choi­si, de res­ter en sur­face ou de plon­ger dans les grandes pro­fon­deurs, remon­ter plu­sieurs décen­nies en arrière ou se pro­je­ter sur l’avenir, et choi­sir dans quelles nuances décli­ner son état – cou­rants ou oxy­gène, concen­tra­tion de glace ou CO₂ dis­sous, tem­pé­ra­ture ou sali­ni­té, vagues ou chlo­ro­phylle… – ou plu­tôt tout cela à la fois, de façon cohé­rente dans l’espace, dans le temps et pour une tren­taine de para­mètres qui se répondent dans le res­pect des grands équi­libres natu­rels que la science avait donc com­pris avant l’informatique. Mais nous y sommes aujourd’hui et l’océanographie numé­rique est une pièce maî­tresse de notre connaissance.

Quel océan fera-t-il le mois prochain ? 

C’est l’une des pre­mières appli­ca­tions d’un océan numé­rique : décrire l’océan qu’il fait, aujourd’hui ou dans quelques semaines (les océa­no­graphes ont aus­si leurs pré­vi­sion­nistes), tout autour du globe, en sur­face comme en pro­fon­deur. Et pou­voir éga­le­ment reve­nir en arrière pour rejouer des situa­tions vécues sur les der­nières décen­nies, en déduire les ten­dances et appré­cier la nor­ma­li­té ou l’anormalité d’un évé­ne­ment. On peut remon­ter plus loin, mais les trente der­nières années consti­tuent ici une période de réfé­rence du fait de don­nées satel­lites de grande pré­ci­sion sur les­quelles les modèles numé­riques peuvent s’appuyer pour col­ler à la réalité.

« Décrire l’océan qu’il fait, aujourd’hui ou dans quelques semaines, tout autour du globe, en surface comme en profondeur. »

Dans ce domaine du temps proche, les obser­va­tions jouent un effet un rôle clé et l’art (que l’on appelle l’assimilation de don­nées) consis­tant à inté­grer har­mo­nieu­se­ment infor­ma­tion obser­vée et infor­ma­tion modé­li­sée est un art majeur. Grâce à cette com­bi­nai­son, les simu­la­teurs d’océan accèdent à une des­crip­tion opé­ra­tion­nelle très réa­liste, y com­pris à des échelles fines : au grand large, les méandres et tour­billons sont décrits avec un maillage de 2–3 kilo­mètres et l’on des­cend à quelques cen­taines de mètres avec des sys­tèmes locaux.

Par­mi les exi­gences qui sont deve­nues légi­times, on pour­ra citer le fait de pré­voir : l’évolution des cou­rants sur la ver­ti­cale de sa pla­te­forme de tra­vail en mer, les extrêmes sai­son­niers de tem­pé­ra­ture modé­li­sés sur les dix ans pas­sés pour le lieu d’implantation de sa ferme aqua­cole, les évo­lu­tions des inter­ac­tions houle-cou­rants sur la tra­jec­toire pré­vue d’un navire, les condi­tions actuelles de pro­pa­ga­tion acous­tique du bruit sous-marin ou la quan­ti­té de cha­leur dis­po­nible dans les cent pre­miers mètres de l’océan quand un cyclone (qui se nour­rit de cette éner­gie) menace d’incurver sa course… Les sys­tèmes opé­ra­tion­nels de modé­li­sa­tion et pré­vi­sion océa­niques savent y répondre (voir par exemple https://www.mercator-ocean.eu/bulletin/). Nous pou­vons navi­guer dans les quatre dimen­sions d’un océan numé­rique depuis la fin du siècle der­nier jusqu’à aujourd’hui et pour­suivre sur notre élan pen­dant quelques semaines avec grande pré­ci­sion. C’est déjà extra­or­di­naire, mais le sujet ne s’arrête pas là.

Quel océan à la fin du siècle ? 

Pour se pro­je­ter vers un cli­mat futur, simu­ler l’océan comme un simple milieu liquide ne suf­fit pas : il faut prendre en compte toutes les inter­ac­tions au sein du sys­tème océan et autour de lui. Dans les modèles dits du sys­tème Terre réa­li­sés en sou­tien aux tra­vaux du GIEC (Groupe inter­gou­ver­ne­men­tal d’experts sur le cli­mat), l’océan numé­rique est cou­plé à un modèle d’atmosphère : à la sur­face, l’eau et l’air échangent à chaque ins­tant et en chaque point de la cha­leur, de la quan­ti­té de mou­ve­ment, de l’eau qui s’évapore ou tombe en pluie et des com­po­sés chi­miques divers.

L’océan est aus­si cou­plé à un modèle de glace de mer pour prendre en compte la fonte de la ban­quise arc­tique, à un modèle d’apports flu­viaux, à un modèle bio­géo­chi­mique pour simu­ler la pompe bio­lo­gique de car­bone et depuis peu à un modèle de pla­te­forme gla­ciaire pour simu­ler le retrait des gla­ciers de l’Antarctique. Cette simu­la­tion de la com­plexi­té de l’océan est ren­due pos­sible par le tra­vail des modé­li­sa­teurs des dif­fé­rentes com­po­santes du sys­tème et aus­si par des efforts de déve­lop­pe­ment des cou­plages, aus­si bien en ana­lyse numé­rique qu’en informatique.

« Cette simulation de la complexité de l’océan est rendue possible par des efforts de développement des couplages, aussi bien en analyse numérique qu’en informatique. »

Sur le sujet par­ti­cu­liè­re­ment cri­tique de la mon­tée du niveau de la mer, les pro­jec­tions requièrent toute une chaîne de modèles numé­riques : un modèle d’océan glo­bal pour la dila­ta­tion de l’océan, des modèles de la croûte ter­restre pour les mou­ve­ments ver­ti­caux des conti­nents et pour les effets locaux d’affaissement du sol, des modèles de calottes gla­ciaires et de gla­ciers conti­nen­taux, des modèles d’élévation extrême du niveau de la mer due aux tem­pêtes et à la houle. Pour four­nir une infor­ma­tion per­ti­nente aux déci­deurs, les incer­ti­tudes sont quan­ti­fiées tout au long de ces chaînes de modé­li­sa­tion com­plexe. Cette infor­ma­tion est cru­ciale quand il s’agit d’infrastructures por­tuaires et côtières d’une durée de vie de plu­sieurs décen­nies, ou pour gui­der la déci­sion d’abandonner une ville côtière (comme c’est le cas pour Jakar­ta en Indonésie).

Une révolution en marche

L’intelligence arti­fi­cielle (IA) vient en force bou­le­ver­ser les sciences et la simu­la­tion océa­nique se pré­pare à une révo­lu­tion. Tous les simu­la­teurs d’océan actuels sont fon­dés sur la dis­cré­ti­sa­tion des équa­tions de la méca­nique des fluides et leur réso­lu­tion par des méthodes numé­riques éprou­vées (volumes finis, élé­ments finis…). L’intelligence arti­fi­cielle va pro­fon­dé­ment modi­fier ce pay­sage. Dans un pre­mier temps, l’IA est atten­due pour amé­lio­rer la fidé­li­té des modèles et leur effi­ca­ci­té, en repré­sen­tant mieux les pro­ces­sus non réso­lus par les modèles. Les méthodes d’apprentissage infor­mées par la phy­sique, ou l’apprentissage d’équations, sont mises à pro­fit dans ce cadre.

Dans le futur, des ser­vices fon­dés sur l’IA vont se déve­lop­per, une évo­lu­tion que nous voyons aujourd’hui poindre dans le domaine de la pré­vi­sion météo­ro­lo­gique. L’IA construi­ra sur ce socle des ser­vices plus variés et mieux adap­tés aux besoins des déci­deurs : au-delà de l’amélioration des grands modèles de simu­la­tion de l’océan, on attend des chan­ge­ments dans la science des pro­duits, c’est-à-dire celle qui crée l’information juste pour l’utilisateur à par­tir de la matière pre­mière créée par ces grands sys­tèmes de modé­li­sa­tion. Pour four­nir des ser­vices fiables l’IA néces­si­te­ra des bases d’apprentissage solides qu’elle trou­ve­ra – c’est là que ces approches inté­grées prennent toute leur force – dans la richesse d’information des grandes simu­la­tions, des réana­lyses océa­niques et des pro­jec­tions fon­dées sur les lois de la phy­sique et de la chimie.

Vers un jumeau numérique de l’océan

Depuis une décen­nie, l’horizon tem­po­rel de la pré­vi­sion océa­nique s’étend et la réso­lu­tion spa­tiale des com­po­santes océa­niques des modèles de cli­mat s’affine. Cette conver­gence, per­mise par les pro­grès des moyens de cal­cul et des per­for­mances logi­cielles des simu­la­teurs d’océan, abou­tit à un simu­la­teur d’océan capable de trai­ter dif­fé­rentes échelles d’espace et de temps dans un sys­tème unique qui répon­dra mieux aux besoins de la socié­té, depuis la sécu­ri­té des moyens en mer jusqu’aux pro­jec­tions de modi­fi­ca­tions des zones de pêche dans le cli­mat plus chaud des pro­chaines décennies.

Et, dès lors qu’on approche d’une des­crip­tion réa­liste de l’environ­nement phy­sique et bio­géo­chi­mique de l’océan, que nous sommes satis­faits de ses inter­ac­tions avec les élé­ments voi­sins du sys­tème Terre : la cryo­sphère, l’atmosphère et les conti­nents, que la modé­li­sa­tion de cet océan à l’état natu­rel nous convient, il reste à rajou­ter la vie, c’est-à-dire mon­ter une à une les marches de la chaîne tro­phique jusqu’aux grands ani­maux marins pour les inclure dans ces simu­la­teurs, mais aus­si, et c’est moins drôle, l’influence de l’homme.

« Un jumeau numérique de l’océan, c’est à la fois un simulateur d’océan le plus représentatif possible de la réalité qui nous préoccupe et un ensemble d’outils pour appréhender celle-ci. »

Il s’agit non seule­ment du CO₂ en excès d’origine humaine, mais encore des navires et du bruit qu’ils font ou de la pol­lu­tion appor­tée par les fleuves. On approche alors d’un « jumeau numé­rique de l’océan » : une forme tra­vaillée pour repro­duire les condi­tions du réel, pas seule­ment par une pré­ci­sion scien­ti­fique la plus éle­vée pos­sible mais aus­si par la volon­té d’agréger, com­bi­ner et cou­pler toutes les infor­ma­tions utiles pour un exer­cice de réa­li­té vir­tuelle marine digne du meilleur jeu vidéo. Car l’objectif n’est pas la séance pas­sive de ciné­ma, mais bien de per­mettre l’interactivité et de faire de cha­cun un acteur de cette his­toire océan.

Un jumeau numé­rique de l’océan (voir la vidéo : https://youtu.be/SgnaEoYS8Fo ou https://www.mercator-ocean.eu/digital-twin-ocean/), c’est donc tout à la fois un simu­la­teur d’océan le plus repré­sen­ta­tif pos­sible de la réa­li­té qui nous pré­oc­cupe et un ensemble d’outils pour appré­hen­der celle-ci. Jouer au jeu du « et si ? » : et, si je rédui­sais telle pol­lu­tion, quel serait l’impact sur cet éco­sys­tème dans un an ? Ne plus jouer : se trou­ver vir­tuel­le­ment immer­gé au milieu d’une forêt de corail et pou­voir se pro­je­ter dans un monde à 1,5 °C, puis dans un monde à + 3 °C. Et comprendre.

Encore une raison de s’y intéresser

Par­tons de là : un jumeau numé­rique de l’océan se nour­rit de ce que la science sait nous dire. Mais c’est aus­si une voie nou­velle qu’on ouvre pour que cha­cun accède à cette connais­sance et l’enrichisse d’expériences, et c’est une voie sur laquelle on compte. Car les outils numé­riques sont des­ti­nés aux déci­deurs, dans le but d’évaluer si leurs actions tem­pé­re­ront ou aggra­ve­ront la situa­tion. Dans un ave­nir où les crises envi­ron­ne­men­tales vont se suc­cé­der, les mesures pour en limi­ter les impacts seront de plus en plus contrai­gnantes et contra­riantes, et vont s’inviter dans des débats socié­taux, éco­no­miques ou géo­po­li­tiques avec plus de force qu’aujourd’hui.

“Les outils numériques sont destinés aux décideurs, dans le but d’évaluer si leurs actions tempéreront ou aggraveront la situation.”

Une infor­ma­tion fiable sur l’état de l’océan, la capa­ci­té de rejouer telle situa­tion ou d’en pré­voir une autre, pren­dra une valeur nou­velle. La capa­ci­té à garan­tir l’intégrité de cette infor­ma­tion sur l’océan déter­mi­nant la déci­sion opé­ra­tion­nelle devien­dra réel­le­ment cri­tique. Les inves­tis­se­ments consen­tis pour l’océan aujourd’hui en France et dans le monde pour main­te­nir une connais­sance scien­ti­fique au meilleur niveau et pour de grandes infra­struc­tures numé­riques de créa­tion et par­tage de connais­sance sont donc déterminants.

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