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-CONTEXTE
L'océan Atlantique joue un rôle déterminant dans le flux méridien de chaleur vers le nord et dans le climat relativement clément de l'Europe. La valeur absolue de ce flux de chaleur n'est que grossièrement estimée, et on ignore tout de ses variations annuelles et interannuelles.
L'observation du niveau moyen de l'océan en zone tropicale fournit des informations sur son contenu thermique. sa topographie et, hors de l'équateur, sur la composante géostrophique du courant de surface. La surface d'un océan au repos (hypothétique) représenterait le géoïde marin.
En fait, l'océan fluctue à toutes les échelles de temps et d'espace. Pour nous limiter aux phénomènes basse fréquence à grande échelle, probablement les seuls significatifs à l'échelle du climat, on distingue les \'ariabilités à moyenne échelle (tourbillons, ondes de plateau continentall, annuelle (cycle saisonnier) et inter-annuelle (type El Nino). Du fait des grands courants océaniques, la surface de l'océan s'écarte du géoïde et des pentes apparaissent par exemple les courants de bord ouest et les grands tourbillons de la circulation générale créent des pentes de l'ordre de 1 m pour 100 km et de 0,5 m pour 3 000 km respectivement. Dans· l'océan Atlantique, la pente équatoriale peut atteindre 20 cm pour -l 000 km (le double dans le Pacifique pour 8 000 km).
Le géoïde marin en présence des grands courants generaux est décrit par la topographie dynamique moyenne qui constitue le niveau moyen de référence. pour les stations marégraphiques au large. En superposant les variations du niveau moyen observé à la topographie dynamique moyenne, on obtient les variations de la pente de la surface marine entre deux stations d'observations. Ce type d'observations continues et synoptiques, près de la surface de l'océan, permet de détecter à l'équateur les phénomènes transitoires baroclines capables de transférer rapidement de l'énergie d'un bord à l'autre du bassin par ondes de Kelvin baroclines piégées à l'équateur. Il faut bien voir que les marégraphes de surface (shallow water) sont aptes à détecter les phénomènes barotropes (type marée) et baroclines (ondes internes de gravité, ondes piégées), tandis que les marégraphes profonds travaillant dans plusieurs centaines de mètres sur le plateau continental ou plusieurs km dans les plaines abyssales ne peuvent détecter que les phénomènes barotropes. Les marégraphes profonds ne peuvent jamais enregistrer les variations de niveau d'origine stérique.
TECHNIQUE ET LOGISTIQUE INSTRUMENTALES, ECHANTILLONNAGE, TRAITEMENT DES ENREGISTREMENTS
Choix des appareils
Le choix d'un marégraphe à pression en 1981 s'est imposé
d'abord par des considérations de sécurité : il ne sert à rien de poser des appareils sans avoir une probabilité raisonnable de les récupérer ayec leurs mesures. Les sites étant difficiles d'accès, voire inaccessibles sans un
naYire spécialement affrété, il fallait en outre des appareils complètement autonomes, tout en assurant des observations satisfaisantes tant en précision qu'en sensibilité. Au début des années 1980, très peu de marégraphes pouyaient répondre à ces exigences sévères. Lorsque les cristaux de quartz arrivèrent sur le marché, on salua cette remarquable avancée technologique qui semblait résoudre le problème difficile de l'observation du nÎ\'eau dp la mer en s'affranchissant des faiblesses
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-très simple et consiste à mesurer les variations de la fréquence de
:résonance (40 kilohertz) d'un quartz sous l'effet des variations de pression.
rEn réalité, le mécanisme qui transmet les variations de la force de
bompression (par un système de soufflets, leviers, pivots et contrepoids) isur le cristal de quartz se révèle très délicat.
~1ais,
de façon idéale, c'est lesignal le plus facile à enregistrer sur support magnétique puisque le
!changement de fréquence ne requiert aucune amplification (ce qui n'est pas le cas des autres systèmes à pression).
Le calcul de la hauteur d'eau
Chaque marégraphe (WLR 5 Aanderaal est équipé d'un capteur de pression mis au point par "Paroscientific" et d'une thermistance fixée dans un bloc d'aluminium placé à l'intérieur de l'enceinte du capteur de pression (-3, +35 - C ; résolution 0.04 -C précision 0.1 -C). ~os appareils travaillant près de la surface (environ dans 10 mètres d'eau) pour capter les phénomènes baroclines, nous avons choisi un capteur de grande sensibilité et de haute précision (gamme de pression réduite à 0-67 m ; résolution O.ï mm, précision 0.7 cm de hauteur d'eau). Le calcul de la hauteur d'eau au dessus de l'appareil se fait dans l'hypothèse hydrostatique, en supposant que l'accélération verticale dans l'océan soit négligeable. En désignant par h, la hauteur instantanée de la colonne d'eau au dessus du capteur de pression, la pression instantanée p est donnée par:
où pA est la pression atmosphérique, g l'accélération de la pesanteur, ~o la masse volumique en surface.
"$
la dénivellation de la surface libre au dessus de la surface moyenne, ~ la masse volumique moyenne de la colonne d'eau. Si les observations au cours d'un cycle sont suffisamment longues, on peut considérer que< )
= 0 (moyenne dans le temps de la surface libre l, et la hauteur d'eau, pour la durée du cycle sera:h
=
p - pA-
~ g(en supprimant les signes "moyennes"
<
»)-Il faut connaître pA et ~ pour calculer h. Il n'était pas possible d'installer une station d'enregistrement de la pression atmosphérique sur chaque site.Nous avons donc utilisé une pression atmosphérique standard uniforme (1013.0 hPal pour tous les sites. La salinité in-situ n'étant pas enregistrée, la masse volumique moyenne a été
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-d'eau et de la couche de mélange dans chacune des zones concernées. On peut considérer qu'en plein océan la couche 0-10 m est pratiquement homogène, sauf conditions exceptionnelles, du fait de la houle et du yent.
Nous l'ayons vérifié sur l'ensemble des masses yolumiques calculées à ces immersions (0 et 10 m) pour environ 1100 stations hydrologiques "FOCAL"
exécutées en 1982/84 à l'équateur, nous avons calculé les masses volumiques moyennesle nombreà 0 et 10 mstations à 35 , 23', 4
<n: -
la masse0 K et 6 - E. Dans le tableau suivant, n estvolumique moyenne a la pression atmosphérIque et s l'écart-type.Tableau
35'W 23'r.,v 4 "W 6 E
n 7 9 9 8
z(m) 0 10 0 10 0 10 0 10
23.46 23.48 23.72 23.75 22.84 22.89 22.07 22.64 s 0.14 0.13 0.47 0.-1:6 1.11 1.11 1.11 1.33
N.B. Sigma t représente la quantité
(e -
1) x 101.02346
Autonomie. Défauts
on a par exemple ~
=
Pour un temps d'échantillonnage de 1 heure. l'autonomie théorique de l'appareil est de plus d'un an, limitée en réalité par la capacité des piles puisque la bande magnétique a une capacité de 15.000 cycles. Les marégraphes sont théoriquement insensibles soit à leur orientation, soit aux vibrations externes, grâce aux mécanismes internes en contact avec le quartz. Afin d'éviter tout amortissement de ces vibrations, le cristal de quartz est logé dans une enceinte d'acier vide d'air. Des études techniques poussées ont néanmoins révélé des défauts en provenance des soufflets du capteur de pression qui transmettent les forces de compression sur le quartz. Le vieillissement de l'électronique, la dérive à long terme de la référence, la sensibilité à la température du mécanisme interne et de l'électronique, tous ces inconvénients doivent être examinés dans tout programme à long terme.
Choix des sites (cf fig. 1)
Les îles sont utilisées comme des plateformes stables à partir desquelles il est possible de mesurer le niveau de l'océan libre en supposant qu'aucun accident tectonique ne se produise (séisme, soulèvement/affaissement), trois effets peuvent contaminer la mesure : les variations de pression sur le fond causées par les vagues de surface, les fluctuatIOns de la tension du yent à petite échelle (quelques dizaines de km) et la différence de 1J['e::;sion entre les régions amont et aval d'un courant autour d'une ile. Les effets de pression dus aux vagues sont moyennés et filtrés pendant le temps d'intégration de l'appareil fixé à 40 secondes pour chaque échantillon. D'autre part, à la profondeur de chaque site. les
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-variations de pression sous les vagues décroissent exponentiellement avec la profondeur. Deux appareils sont posés dans des ports bien abrités là Praïa et Loméi. POUl' des raisons de sécurité, les autres sites ont été choisis, autant qu'il était possible, dans des zones protégées du surf et aussi loin 'lue possible des courants violents. Pour estimer la déni\"elbtion due au courant général autour d'une île, il faudrait en toute rigueur placer au minimum deux marégraphes, en amont et en aval. afin de quantifier précisément le champ de pression. Ce genre d'étude n'a pas pu être réalisé avec les moyens dont nous disposions. Tous les sites se trOl_n-ent le plus près possible des conditions océaniques du large, non contaminées par les effets de ruissellement côtiers ou des flux d'eaux douces (décharges des fleuyes ).
Les berceaux des marégraphes - Stabilité
Pour des observations du niveau de la mer de longue durée faites à partir d'un berceau sous-marin, il est absolument nécessaire d'être certain que:
1) la distance entre le l'instrument soit constante
fond de la mer et
2) à chaque opération de relè\-e-redéuloiement, le nouvel appareil soit posé par le plongeur exactement au même niveau que l'appareil précédent dans son berceau.
Chaque berceau est fabriqué dans un tube en P\,C (plastique), fixé dans une plateforme en béton armé cimentée dans un substratum rocheux au fond de la mer. Comme le tube étanche des marégraphes est en alliage d'aluminium, il est essentiel qu'aucune pièce métaliique ne soit apparente hors de la plateforme de béton ou près du site, ceci afin d'empêcher l'électrolyse. l'ne corrosion électrolytique sévère a été observée sur certains appareils, à la suite d'une erreur dans l'exécution de certains berceaux. Sur les premiers sites (Natal, Fernando, Rochers St Pierre et Paul), les berceaux furent construits en deux parties : une plateforme en béton armé, et un tube en PVC fixé au ciment "par des boulons en acier.
L'idée du technicien, en procédant ainsi, était de rendre possible le démontage des tubes PVC pour pouvoir les ramener en surface pour l'entretien (cOl.l\"erture d'enduits toxiques pour empêcher le fouling). Il en résulta des phénomènes d'électrolyse entre les cylindres étanches du marégraphe et les boulons d'acier, et à chaque relèye, la partie externe des capteurs de pression était couyerte d'une "croûte de rouille" créant probablement une dérive du capteur, impossible à évaluer. De plus, il semble
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