LA TERRE PLANETE OCEANE   

1- DES OUTILS ADAPTES A L'OBSERVATION DE L'OCEAN  

1.1 - Les outils d'observation in situ

De la bouteille Nansen à la bathysonde  

 

Jusque vers les années soixante, pour prélever des échantillons d'eau de mer, les océanographes utilisaient une série de "bouteilles" (des cylindres en matière plastique) fixées sur un cable; leur fermeture était assurée par l'envoi, depuis la surface, d'un "messager", une petite masse coulissant sur le câble jusqu'aux bouteilles pour déclencher les clapets de fermeture. Des thermomètres de précision mesuraient également la température au moment du prélèvement.

Prélèvement d'eau de mer par une bouteille Nansen dont la fermeture est déclenchée par un messager



Photographie : Ifremer

Cette époque est révolue et tous les bateaux modernes sont désormais équipés d'une bathysonde. Cet appareil mesure en continu de la surface au fond les principales caractéristiques du milieu océanique. Il est en général associé à une couronne de bouteilles de prélèvement appelée rosette, ou marguerite, dont la fermeture est télécommandée depuis la surface.
La bathysonde proprement dite est un boîtier métallique hermétique, inoxydable et résistant aux fortes pressions, protégé des chocs par un bâti. Sur le cylindre contenant l'électronique de commande sont fixés plusieurs instruments ou capteurs. L'ensemble est attaché à un câble électro-porteur qui assure à la fois la descente et la transmission électrique des informations (télécommande et données) en liaison avec une unité centrale, ordinateur qui collecte les valeurs mesurées, réalise les calculs nécessaires et assure l'affichage des résultats sur table traçante.

Les mouillages et les systèmes dérivants

Dans les années 60 se développa l'usage des mouillages, lests posés au fond de l'océan et au-dessus desquels flotte une ligne où sont fixés des instruments autonomes, en premier lieu des courantomètres (pour la mesure des courants). Les courantomètres fournissent des séries temporelles d'observations, utiles pour décrire la variabilité de l'océan et pour calculer la répartition des courants sur la verticale. 
Des instruments plus sophistiqués ont ensuite été conçus pour les mouillages. A la fin des années 70, furent inventés les pièges à particules qui permettent de récolter les pelotes fécales tombant dans la colonne d'eau. Plus récemment encore, on a conçu des échosondeurs inverses : placés au fond de l'océan, ils mesurent la distance entre le fond et la surface de la mer à partir du temps que met un signal acoustique à parcourir cette distance aller et retour; ils fournissent une mesure de la topographie dynamique de surface.
Enfin, on citera les " yo-yo ", actuellement testés, véritables ascenseurs glissant de façon programmée le long du mouillage et qui permettent des mesures presque continues dans la colonne d'eau. On commence ainsi à installer des sites de surveillance de l'océan, où est réunie toute la panoplie des instruments.



Marvor : Un exemple de flotteur conçu pour des mesures en profondeur

Document Ifremer


Suite à l'invention du système ARGOS dans les années 70 (système de positionnement et de transmission par satellite), on a élaboré des bouées de surface, positionnées chaque jour par Argos et dont la trajectoire fournit le champ des courants à la surface. Il y a actuellement en permanence près de deux mille bouées dans l'océan. De plus en plus complexes, ces bouées peuvent mesurer la température des deux cents premiers mètres d'eau grâce à des chaînes de capteurs (thermistances). 

Pour suivre les courants profonds, on a conçu des flotteurs qui dérivent à une profondeur ou à un niveau de densité constant de l'océan. La difficulté est de les positionner et de récupérer leurs mesures puisque les signaux ne peuvent être transmis directement vers les satellites (puis de ces derniers au laboratoire), depuis les profondeurs (les ondes électromagnétiques ne se propagent pas dans l'eau). On utilise donc des signaux sonores car ceux-ci se propagent au loin dans l'océan. Le positionnement peut se faire par triangulation acoustique: on établit un réseau de mouillages émetteurs de sons dans l'océan et on installe sur les flotteurs des écouteurs qui réceptionnent ces sons L'inverse existe aussi: les écouteurs peuvent être installés sur les mouillages et les émetteurs sur les flotteurs).
Les mesures sont récupérées en faisant remonter le flotteur en surface, permettant la transmission de l'information au satellite (dans la situation inverse, il faut bien sûr aller rechercher les mouillages). Plusieurs dizaines de flotteurs de ce type circulent actuellement à différentes profondeurs. 

Autres outils de mesures  

Du thermosalinographe aux courantomètres Doppler

Les thermosalinographes mesurent les paramètres hydrologiques dans de l'eau pompée en surface. Cette méthode fut progressivement étendue à la mesure d'autres paramètres comme les nitrates, le dioxyde de carbone dissous ou la chlorophylle, témoin de l'abondance du phytoplancton. Comme ces systèmes sont suffisamment simples, on peut les embarquer sur les nombreux navires marchands qui sillonnent les mers, ce qui permet d'établir progressivement la climatologie saisonnière de l'océan de surface.
Pour les mesures en profondeur de la température et de la salinité, on utilise actuellement des sondes ou capteurs installés sur un "poisson" (pièce métallique profilée en forme de poisson), qu'on largue d'un navire. Ce poisson est relié à un enregistreur de bord par un fil de cuivre qui se dévide pendant qu'il coule. Plusieurs dizaines de navires marchands sont équipés de tels systèmes, qui permettent de mesurer plusieurs fois par jour le profil des températures jusqu'à des profondeurs de quatre cents à deux mille mètres. Ces données sont transmises en temps réel, par satellite, vers des centres mondiaux de données, dont le principal est installé à Brest. 
Quant aux courants marins, ils sont mesurables directement par l'estimation de la dérive des navires par rapport aux routes calculées. Les techniques de positionnement par satellite ont considérablement amélioré la mesure des positions des navires : on atteint et dépasse maintenant une précision de quelques mètres alors qu'un bon relevé d'étoiles donnait plutôt une précision de l'ordre du kilomètre. L'estimation des courants par la dérive des navires est d'autant plus rigoureuse. Cependant, cette mesure ne concerne que les courants proches de la surface.
Une technique récente utilise le décalage de fréquence que les courants exercent sur des signaux émis depuis les navires. Cet effet Doppler  permet l'estimation des courants sur une profondeur de quelques centaines de mètres.

La tomographie acoustique : un outil de sondage de l'océan

On peut, à la manière d'un radar, sonder l'océan en utilisant les ondes acoustiques. La vitesse du son dépend de la température et de la pression de l'eau. En mesurant le temps mis par les ondes sonores pour parcourir le trajet séparant un émetteur et un récepteur placés à une même profondeur, on peut reconstituer la température de la couche d'eau qu'elles ont traversée. Si l'on dispose d'un réseau d'émetteurs et de récepteurs, on peut alors effectuer une reconstitution tridimensionnelle de l'océan, analogue à l'échographie du corps humain.
La première expérience de tomographie acoustique a été organisée par les Américains Charles Munk et Carl Wunsch au début des années 80, à une échelle qui permettait de décrire un champ de tourbillons. Depuis, les outils ont été affinés mais ils ne sont pas encore très répandus.
En 1990, une expérience a été organisée à l'échelle de tout l'océan: une grosse explosion a été déclenchée près de l'île Heard dans l'océan Indien. Elle a pu être enregistrée jusqu'en Californie ou le long de la côte est des États-Unis et son temps de parcours a été déterminé avec précision. Si cette expérience peut être renouvelée, les différences de temps de parcours fourniront une mesure moyenne des variations de température sur toute la trajectoire de l'onde sonore. Cela constituerait une mesure globale des variations de l'océan.