1.2 La Mer d’Iroise
1.3.3 Observations en Mer d’Iroise
1.3.2.5. Sondeur acoustique
Le sondeur acoustique repose sur l’émission périodique et la réception, au moyen d’un ou plusieurs transducteurs monté sur la coque du navire, d’un signal acoustique de fréquence typiquement comprise entre 30 et 600 kHz. Ce pulse très court (~
10
−3à10
−4s), se présente sous la forme d’un faisceau d’ouverture angulaire limitée (5 – 15°) (Lurton, 2002). Initialement conçu pour déterminer la bathymétrie des fonds, via la mesure du temps de trajet aller –retour du signal acoustique, le sondeur détecte également des cibles dans la colonne d’eau. La technique produit des images continues, quasi synoptiques et en temps réel de larges sections du milieu, et est couramment utilisée en océanographie physique pour étudier notamment la propagation des ondes internes (par exemple (Moum et al., 2008; Sandstrom et al., 1989)), les zones frontales (par exemple (Cabreira et al., 2006; Nash et al., 1987; Orlowski, 1999)), ou encore des upwellings (Liao et al., 1999). La résolution verticale assurée, fonction de la durée du pulse, est très fine, et typiquement comprise entre 0.075 et 0.75 m. La résolution latérale dépend de la largeur du faisceau, et diminue avec la profondeur de la cible. Pour la gamme de profondeurs 10 – 100 m, et un faisceau de largeur moyenne de 10°, elle varie ainsi entre 1.8 et 17.5 m (Lurton, 2002). L’imagerie de la colonne d’eau au moyen du sondeur acoustique est basée sur le processus de rétro – diffusion par un volume d’hétérogénéités, telles que des nuages de bulles, des particules en suspension ou du plancton (Lurton, 2002). La méthode fournit des images de haute résolution des niveaux diffusants, néanmoins elle ne permet pas d’accéder par inversion aux propriétés physiques de l’eau de mer.1.3.3 Observations en Mer d’Iroise
Actuellement, l’étude du Front d’Ouessant et de ses processus associés se fait à l’aide d’outils océanographiques très variés, mis en œuvre sur le terrain ou par satellite. La façon la plus rapide de repérer le front de surface est l’utilisation de cartes de SST (Figure 1.10 - a),. Lors des campagnes océanographiques, des transects de mesures in-situ sont réalisés au moyen de sondes XBT et CTD, et l’utilisation du Scanfish se généralise. Les circulations associées au front sont étudiées au moyen de flotteurs dérivants et de mouillages, et de courantomètres ADCP*. Depuis 2006, un système de radar haute fréquence (Gurgel et al., 1999a; Gurgel et al., 1999b) fournit également des images synoptiques
des courants de surface (Le Boyer et al., 2009). Des traceurs chimiques peuvent d’autre part être utilisés pour étudier les processus cross-frontaux (Houghton, 2002). Un trait dominant de l’étude du Front d’Ouessant est l’approche multidisciplinaire mise en œuvre pour les campagnes les plus récentes, avec des mesures de concentrations en nutriments et de chlorophylle –a, ainsi que des prélèvements de zooplancton (Le Boyer et al., 2009; Le Corre and Mariette, 1985).
Une large gamme de méthodes est également mise en œuvre pour l’étude de la marée interne. L’évolution temporelle de la stratification en un point donnée est observée de manière classique au moyen d’un mouillage de chaînes de capteurs de température. Les courantomètres sont couramment utilisés, mis en œuvre soit sur le navire (par exemple (New and Pingree, 1990a), soit au niveau de mouillages (Van Aken et al., 2007; Van Haren et al., 2002), de même que le Scanfish. Pour disposer de sections de température continues, plusieurs méthodes existent, du remorquage d’une chaîne de capteurs température, de résolution verticale limitée (New and Pingree, 1990b), aux sections CTD haute fréquence avec un Scanfish. Le sondeur acoustique permet quant à lui de caractériser les dimensions et la forme de la marée interne le long d’un transect (par exemple (Pingree and Mardell, 1985) ; Figure 1.14 – b), le passage des ondes provoquant la déformation de couches rétro – diffusantes préexistantes, constituées de particules en suspension et de zooplancton. Cependant, ces images acoustiques permettent uniquement des observations qualitatives, l’identification de l’origine de la rétro – diffusion étant un problème complexe (par exemple (Ross and Lueck, 2003). Des images synoptiques des champs d’ondes internes sur une large zone sont fournies par différentes méthodes de télédétection satellite, basées sur leur signature à la surface de l’océan. L’imagerie infra – rouge est utilisée pour détecter les variations de SST associées au passage d’ondes internes (par exemple (Pingree and New, 1995). Les variations de rugosité de la surface de la mer liées aux paquets de solitons sont observables au moyen de radars à ouverture synthétique (SAR) (Azevedo et al., 2006; New and Da Silva, 2002), ainsi que, dans le domaine du visible, par l’imagerie « sun glint », basée sur la réflexion spéculaire par la surface de l’océan (Pingree and New, 1995).
Conclusion : limitation actuelle des méthodes d’observation de la structure physique de l’océan
Les caractéristiques des méthodes utilisées de manière classique en océanographie physique sont récapitulées dans le tableau 1.3.
L’observation des propriétés physiques de l’océan, variables à la fois dans le temps et dans l’espace, repose sur l’utilisation combinée de différentes méthodes de mesure, complémentaires, qui sont capables de capturer : soit des variations de grande échelle, sur une large zone, soit des variations de fine échelle, en un point donné.
Ainsi, les sondes de mesures in – situ de type XBT et CTD fournissent des profils verticaux de la structure thermohaline avec une très bonne précision en température et profondeur, ainsi qu’une résolution verticale fine, de l’ordre de
10
−1 m. La répétition de telles stations permet de réaliser des sections ; néanmoins, du fait de la mise en œuvre lourde de la CTD, qui nécessite l’immobilisation du navire, et du coût des XBT, la résolution latérale de ces transects est limitée, atteignant au mieux quelques kilomètres. L’utilisation d’un Scanfish permet d’améliorer l’échantillonnage spatial, mais dans une moindre mesure, puisque le pas n’atteint que plusieurs hectomètres. Quant au sondeur acoustique, bien que de résolution latérale de l’ordre de quelques mètres à la dizaines de mètres, il ne permet pas de corrélation avec les propriétés physiques (T,S) du milieu.Les variations horizontales de la structure thermohaline de longueur d’onde inférieure à plusieurs hectomètres ne sont pas détectables par les moyens actuels d’observation de l’océanographie physique. La porte est donc ouverte au développement de nouvelles méthodes permettant l’étude de la structure fine de la colonne d’eau en Mer d’Iroise, avec une bonne continuité latérale.
Type de technique Type de mesure Mise en oeuvre Résolution en température Résolution verticale Résolution spatiale Satellite infrarouge
Télédétec-tion mesure indirecte, en surface satellite / 250 à 1000 m CTD in-situ profil vertical - station : navire à l’arrêt - Scanfish : remorqué 3.10−4 °C 1 10− m - Stations : quelques km - Scanfish : 400 m XBT in-situ profil vertical navire en marche 2 10− °C 0.65 m Quelques km
Thermosalinomètre in-situ mesure en
surface
navire en
marche 10−3°C
/ Mesure continue
Sondeur in-situ mesure en
surface navire en marche Méthode qualitative < 1 m 2 à 20 m
C
HAPITRE
II
SOMMAIRE
Introduction ……….p.32 2.1L’océanographie sismique ……….……..p.33 2.1.1 Historique et état de l’art ……….p.33 2.1.2 Principes de base de l’océanographie sismique ……….……..p.35 2.1.3 Objets d’étude ………..…….p.37 2.1.4 Synthèse ……….p.38 2.2 Etude de la structure physique de l’océan au moyen d’un système acoustique actif ……...….p.39 2.2.1 Historique ……….…….p.39 2.2.2 Cadre théorique de l’acoustique sous-marine ………..p.40 2.2.3 L’équation du sonar ………...p.44 2.2.4 Synthèse ……….p.48 2.3 La sismique réflexion multitrace………...p.50 Introduction : principe et dispositif ………p.50 2.3.1 Historique ……….…….p.51 2.3.2 La mesure ……….…….p.51 2.3.3 Le traitement sismique….. ……….…….p.59 2.4 Synthèse – Règles de base pour la conception d’un dispositif de sismique réflexion dédié à l’imagerie de structures océanographiques superficielles ………..p.64
Introduction
Un des objectifs de cette thèse est de déterminer les conditions techniques dans lesquelles la thermocline de la Mer d’Iroise, une cible très superficielle, peut être imagée par la sismique réflexion. Après avoir dans le chapitre 1 caractérisé la cible, ce chapitre 2 est consacré à la présentation des méthodes et outils utilisés pour répondre à notre problématique. L’objectif est de mettre en évidence les paramètres influant sur le signal sismique lors de son émission, de sa propagation dans la colonne d’eau, et de sa réception, et de définir des règles générales pour la construction d’un dispositif de sismique réflexion dédié à l’observation de la thermocline saisonnière. Certains éléments de ce chapitre peuvent être retrouvés dans le manuscrit par Piété et al. soumis à JGR – Oceans (accepté avec corrections majeures, actuellement en révision), et inséré en annexe 2.
La première partie de ce chapitre est dédiée à la présentation de l’océanographie sismique, avec un état de l’art de la discipline, une introduction des principes de base sur lesquels elle repose, et une étude des structures océanographiques étudiées jusqu’à présent.
Dans une seconde partie, la problématique de l’observation de la thermocline par la sismique est abordée du point de vue de l’acoustique sous – marine. La théorie de la propagation d’une onde acoustique dans l’océan est dans un premier temps présentée, avant d’introduire l’équation du sonar, l’outil de référence pour l’étude des performances d’un système acoustique, et de l’appliquer à une acquisition de sismique réflexion.
Dans la troisième partie de ce chapitre, le cadre théorique de la mesure de sismique réflexion multitrace est présenté, puis les principes du traitement sismique sont abordés.
En conclusion de cette réflexion théorique sur l’acquisition sismique, des règles de base pour la construction d’un dispositif de sismique réflexion adapté à l’imagerie de structures océanographiques superficielles telles que la thermocline saisonnière de la Mer d’Iroise sont définies.