a) Les techniques de mesure in situ de l’océan
Les données collectées par les navires océanographiques
L’océan est un milieu hostile, difficile d’accès et opaque. Même si certains courants marins, comme le Gulf Stream, ont été découvert par les premiers navigateurs espagnols à s’aventurer au large dès le XVe siècle, les propriétés de subsurface de l’océan sont res-tées très longtemps mystérieuses. Les premières missions océanographiques étaient de vé-ritables expéditions longues et périlleuses, qui ont permis de faire des avancées considé-rables pour l’époque. La mission Challenger (1872-1876), ayant coûté la vie à 10 personnes, et malgré tout considérée comme un grand succès et la première grande mission océa-nographique, a ainsi permis de réaliser plus de 400 sondages dans l’océan profond et de découvrir de nombreuses espèces marines.
Du début du XXejusque dans les années 1970, les mesures étaient réalisées à des pro-fondeurs fixes grâce à des thermomètres à renversement capables de conserver l’informa-tion de température lors de la remontée à bord de l’instrument et des bouteilles Niskin capables d’emprisonner de l’eau à profondeur donnée pour faire des analyses de salinité à bord, par exemple. La possibilité de mesurer en continue les propriétés de l’océan sur la verticale a constitué une véritable révolution. Celle-ci est intervenue avec l’apparition dans un premier temps du bathythermographe, puis de la bathysonde dans les années 1970. La bathysonde est un système électronique d’acquisition continue de mesures in situ des pa-ramètres de l’océan. Ce type d’instrument, d’une grande fiabilité, est toujours utilisé de nos jours. Aujourd’hui, une bathysonde regroupe de nombreux capteurs : généralement, un
Fig. 0.10 Images de différents moyens d’observation in situ de l’océan. (a) Mise à l’eau d’une rosette : on distingue différents instruments comme un ADCP, des bouteilles Niskin, un PVM fixé à l’extérieur, ainsi que la bathysonde située dans la partie inférieure immergée.
(b) La relève du mouillage LION en juillet 2014 : les boules oranges sont des bouées de
flottabilité et on distingue un courantomètre fixé au câble du mouillage. (c) Un flotteur profileur Argo. (d) Un glider en surface. [Crédit photos : a) et b) Timothée Bourgeois (LSCE) durant la campagne MOOSE-GE 2014, c) et d) David Luquet (LOV)]
capteur de température, conductivité et pression (CTD pour "Conductivity, Temperature, Depth"), un fluorimètre mesurant indirectement la concentration du phytoplancton, un transmissiomètre pour la turbidité de l’eau, et un capteur mesurant l’oxygène dissous. La bathysonde est placée au centre d’une cage métallique de protection appelée "rosette", qui peut servir de support pour fixer des bouteilles Niskin de prélèvement d’eau à différentes profondeurs, ainsi que d’autres instruments comme un ADCP6ou un PVM7par exemple (voir figure0.10-a). Lorsque le navire est "en station" (c-à-d essaie de maintenir une po-sition géographique fixe), un câble électro-porteur permet de descendre la rosette tout en transmettant les données en direct à bord, où les opérateurs peuvent également envoyer des commandes de déclenchement des bouteilles Niskin.
Les mouillages
Un mouillage est une plateforme de mesure au point fixe. Il est constitué d’un ancrage au fond et d’un câble tendu par des éléments flottants (souvent des sphères en verre moins denses que l’eau de mer) et sur lequel sont fixés des instruments à différentes profondeurs (voir figure0.10-b). La tête de mouillage n’atteint en général pas la surface de l’océan, mais reste en dessous de 50-100 m sous la surface pour éviter de potentielles interactions avec les activités de pêche et avec le trafic maritime. Une ligne de mouillage est déployée pour une durée d’un à deux ans maximum par un navire océanographique. La maintenance d’une ligne de mouillage nécessite des interventions régulières. La récupération des don-nées se fait uniquement si les instruments sont ramenés à bord sans encombre et si les capteurs ont fonctionné correctement. Déployer des mouillages peut donc s’avérer être un pari risqué dans des régions difficile d’accès comme les régions polaires. Pour palier à ce problème de disponibilité des données, des systèmes de transmission en temps réel (via câble sous-marin) ou de récolte à distance des données de mouillage (via communication inductive/acoustique vers une bouée de surface capable de transmettre les informations récoltées par satellite) ont été récemment mis en place et sont testés sur quelques sites dans le monde.
Les mouillages sont généralement équipés de capteurs CTD et de courantomètres qui permettent de mesurer la température, la salinité, la pression, ainsi que les courants dans les trois directions de l’espace à différents niveaux sur la verticale. La fréquence d’échan-tillonnage des instruments est réglée en fonction de contraintes d’autonomie. En général inférieure à une heure, elle permet d’accéder aux petites échelles de variabilité temporelle des ondes internes, ainsi qu’aux signaux de plus basse fréquence associés aux tourbillons et aux courants océaniques ou encore aux tendances long terme quand elles émergent de la variabilité de plus petite échelle.
6. "Acoustic Doppler Curent Profiler" servant à mesurer des courants par effet Doppler causé par les parti-cules en suspension dans l’eau.
7. "Profileur Vidéo Marin" qui sert à l’étude des particules en suspension et du zooplancton, plus de détails peuvent être trouvés à l’adresse suivante :http://www.obs-vlfr.fr/~pvm/.
Fig. 0.11 Position des flotteurs profileurs Argo actifs en août 2015 en mer Méditerra-née. Les flotteurs sont répertoriés selon le type de mesure qu’ils effectuent : tempéra-ture/salinité uniquement (CTD) et en plus des mesures d’oxygène dissous (DO), de fluo-rescence (BIO) et de concentration en nitrate (NUT). Source : http://nettuno.ogs. trieste.it/sire/medargo/active/index.php.
Des capteurs d’oxygène servent également à observer la ventilation de l’océan profond ; et des pièges à particules permettent de quantifier les flux de sédiments
[Stabholz et al., 2013].
Les flotteurs profileurs Argo
Un flotteur profileur Argo est une plateforme autonome d’observation de l’océan hau-turier. D’aspect cylindrique (hauteur ∼1.5 m pour un diamètre d’une vingtaine de centi-mètres), il est actionné par une pompe reliée à une vessie d’huile capable de modifier le vo-lume immergé de l’instrument de quelques centaines de cm3(voir figure0.10-c). En ajus-tant ainsi sa flottabilité, cela lui permet d’évoluer sur la verticale entre la surface et une profondeur maximale de 2000 m. Son fonctionnement est cyclique et suit deux phases :
— la phase de parking : Pendant cette phase, le flotteur dérive avec les courants pen-dant une durée prédéfinie (3-4 jours en Méditerranée, 10 jours en général) et à une profondeur donnée (400 m en Méditerranée, 1000 m en général).
— la phase d’échantillonnage : Le flotteur plonge alors de sa profondeur de parking jusqu’à 2000 m. Il entame ensuite une remontée en activant ses capteurs : classique-ment, on trouve une CTD, mais des flotteurs équipées de capteurs biologiques (Bio-Argo) sont apparus plus récemment (voir figure0.11). Une fois en surface, il trans-met par satellite les données qu’il a enregistrées au cours de sa remontée. Enfin, il retourne à sa profondeur de parking et recommence son cycle.
Fig. 0.12 Schéma du fonctionnement d’un glider : La trajectoire de subsurface est repré-sentée en rouge foncé et sa projection à la surface en rouge vif. Le courant moyen lors de chaque plongée est représenté en jaune. Source :http://www.moose-network.fr/ wp-content/uploads/2013/02/page1glider.gif
Les premiers flotteurs Argo sont apparus dans les années 1990 et leur déploiement s’est intensifié au cours de la décennie 2000. On compte aujourd’hui en permanence plus de 3500 flotteurs répartis sur la surface des océans, dont presque une petite centaine de flot-teurs actifs en Méditerranée et en mer Noire (voir figure0.11). Les flotteurs ayant une durée de vie typique de 3 à 4 ans, il faut tous les ans en remettre presque 1000 à l’eau. Ce ré-seau d’observation permet ainsi d’obtenir de manière autonome, routinière et à moindre coût près de 9000 profils par mois jusqu’à une profondeur de 2000 m. Ces données ali-mentent en permanence des bases de données publiques8. La concentration de flotteurs Argo permet alors de dresser les grands traits de la circulation profonde, de décrire des pro-cessus de "grande échelle" (∼150 km) et de suivre l’évolution dans le temps des caractéris-tiques des masses d’eau sur le long terme, ce qui constitue un enjeu crucial dans le contexte du réchauffement climatique actuel [Roemmich et al., 2009]. Des développements récents concernant des capteurs biogéochimiques, ainsi que des modèles de flotteurs profonds pouvant plonger jusqu’à 4000-6000 m sont actuellement réalisés.
Les planeurs océaniques ou "gliders"
Un glider est une autre plateforme autonome d’observation de l’océan apparue ces der-nière années. Cet instrument fonctionne en partie sur le même principe que celui d’un flotteur Argo : il est ballasté de manière à avoir une densité proche de celle de l’eau de mer dans laquelle il est déployé, puis modifie son volume de quelques centaines de cm3grâce
à une vessie d’huile localisée dans son nez ou dans sa partie arrière, ce qui lui permet d’ac-quérir une vitesse verticale de 10-20 cm s−1. À la différence d’un flotteur Argo, un glider possède une géométrie hydrodynamique et est équipé de petites ailes (voir figure0.10-d). Cela lui permet de transférer une partie de son mouvement vertical en mouvement hori-zontal [Davis et al., 2002,Testor et al., 2010]. Un glider se déplace ainsi le long d’une trajec-toire inclinée de 15-30◦ par rapport à l’horizontale jusqu’à une profondeur maximale de 1000 m. Équipé de nombreux capteurs miniaturisés et de basse consommation (<1 W), il peut ainsi enregistrer les propriétés de l’océan le long d’une trajectoire en dents de scie (voir figure0.12). Lors d’une plongée typique de 200-1000 m, un glider parcourt une dis-tance de l’ordre de 0.5-5 km en 0.5 à 5 heures. Entre deux passages en surface, le glider navigue à l’estime grâce à son compas, ses capteurs d’attitude (tangage, roulis) et son cap-teur de pression vers un point géographique à atteindre ("waypoint"). Une fois en surface, une position GPS lui permet de calculer l’intensité et la direction des courants qui l’ont fait dériver lors de sa plongée. Ces estimations de courant correspondent au courant moyen sur la plongée ("depth-average current") et peuvent être prises en compte pour ajuster le cap du glider. Elles correspondent aux flèches jaunes que l’on peut voir sur la figure0.12. Positionnées en surface sur cette figure, elles concernent la colonne d’eau sur la profon-deur des plongées. Le compas du glider doit faire l’objet d’une calibration spécifique avant chaque déploiement, auquel cas on peut s’assurer d’une précision de ce courant moyen de l’ordre de 1 cm s−1. Il communique également une partie de ses données à un serveur de pilotage qui alimente en temps réel les bases de données publiques. S’il le souhaite, un opé-rateur peut à chaque passage en surface modifier les paramètres de vol du glider comme : son waypoint, le volume d’huile pompée (pour l’accélérer ou le ralentir pour économiser ses batteries), sa profondeur maximale de plongée ou encore son type d’échantillonnage (capteurs actifs pendant la plongée et/ou la remontée). Son déplacement horizontal relatif à l’eau est de l’ordre de 20-40 cm s−1(�15-35 km jour−1), ce qui le rend opérationnel dans la plupart des régions du globe et lui permet même de traverser des courants intenses comme le Gulf Stream. Sa grande autonomie lui permet de naviguer ainsi pendant plusieurs mois et des déploiements de presque un an ont pu même être réalisés. Son déploiement et sa récupération peuvent s’effectuer proche de la côte avec un petit bateau de type zodiac, ce qui rend son utilisation flexible et économique.
Un glider est toujours équipé d’une CTD qui mesure la température et la salinité, dont l’utilisation est souvent couplée à des capteurs biogéochimiques comme une optode pour mesurer l’oxygène dissous et/ou une série de capteurs optiques mesurant les fluorescences de la chlorophylle-a et du CDOM, la turbidité et la rétrodiffusion optique9. Pour faire de cette plateforme autonome un outil multidisciplinaire et le plus complet possible, de nom-breux capteurs sont en développement parmi lesquels : des capteurs de nitrate10, des
9. Les capteurs optiques sont regroupés sur une baie d’acquisition appelée "ECO-puck", voirhttp://
wetlabs.com/eco-puckpour plus d’informations.
10. Capteur SUNA adapté de celui installé sur les flotteurs profileurs Argo, voirhttp://satlantic.com/ sunapour plus d’informations.
Fig. 0.13 Image prise par le radiomètre MODIS en vraie couleur de la mer Noire. On y voit très clairement l’impact des structures dynamiques comme les tourbillons et les fronts sur la biologie.
ADCP miniaturisés, des capteurs de microstructure permettant de mesurer la turbulence à petite échelle [Wolk et al., 2009], ou encore des hydrophones permettant d’étudier la bio-logie marine et mesurer les vents de surface [Cauchy et al., 2014].
Il existe actuellement trois modèles principaux de gliders développés aux États-Unis (le "Slocum", le "Seaglider" et le "Spray"). Ils ont chacun des particularités propres mais fonctionnent sur le même principe décrit précédemment. Ces drones sous-marins ont été développés dans les années 1990, puis testés au début des années 2000. Aujourd’hui, un autre modèle est développé en France (le "Seaexplorer"). Cette technologie est désormais utilisée à travers tous les océans du globe depuis quelques années, repoussant les limites de l’observation océanique moderne. Un glider a ainsi réalisé une traversée de l’Atlantique d’ouest en est lors d’une mission d’endurance de plus de 7 mois. Des gliders sont allés me-surer les propriétés de l’eau sous la banquise de l’Arctique et des modèles pouvant plonger jusqu’à 6000 m pourront prochainement échantillonner sur toute sa profondeur près de 97 % de la surface des océans. Cette technologie joue aujourd’hui un rôle essentiel et ma-jeur dans l’analyse et la compréhension des processus océaniques, concrétisant ainsi la fiction visionnaire d’Henry Stommel11[Stommel, 1989].
Méthodes d’observation par satellite
Bien qu’opaques aux ondes électromagnétiques, les satellites peuvent toutefois récolter des informations importantes à la surface des océans. On utilise principalement trois types d’observations spatiales :
11. Henry Stommel (1920-1992) est considéré comme le père de l’océanographie physique moderne grâce notamment à ses travaux théoriques sur la circulation océanique générale.
— La hauteur de surface de l’océan (Sea Surface Height, SSH) : Depuis le lancement du satellite TOPEX/POSEIDON en 1992, on mesure avec une précision centimétrique la hauteur du niveau des océans. Cela permet ainsi de suivre la montée globale du ni-veau de la mer liée au réchauffement climatique (+�3 mm an−1) quand ces observa-tions satellite sont combinées avec des données in situ et également de mesurer les courants géostrophiques de surface. Un courant comme le Gulf Stream engendre, par exemple, une différence de hauteur du niveau de la mer de l’ordre d’un mètre sur une échelle typique de 100 km. Cette technique possède toutefois des limita-tions en zone côtière, ce qui se révèle assez contraignant pour l’étude de la circula-tion en Méditerranée à cause de l’omniprésence des continents. Les produits clas-siques peuvent être néanmoins en partie corrigés par des traitements spécifiques
[Escudier et al., 2013].
— La température de surface ("Sea Surface Temperature", SST) : Elle se fait par des radiomètres sensibles à l’émission infrarouge. Par exemple, le radiomètre imageur AVHRR ("Advanced Very High Resolution Radiometer") possède une résolution de 1-4 km en dehors des zones nuageuses, ce qui lui permet de correctement résoudre les fronts thermiques et tourbillons de surface (voir figure0.6). Nous utiliserons dans nos études les produits satellitaires produit par ACRI-ST.
— La couleur de l’océan : En fonction du contenu en phytoplancton de l’eau de mer proche de la surface, celle-ci a une couleur qui varie du bleu au vert (voir fi-gure0.13). Des modèles inverses permettent alors de déduire à partir de ces images spatiales une concentration en chlorophylle de la surface des océans. Des radio-spectromètres (SeaWiFS et MODIS) fournissent ainsi depuis la fin des années 1990 des données de chlorophylle de surface (voir figure 0.9-a pour une climatologie en Méditerranée). La chlorophylle est un proxy de la biomasse phytoplanctonique. Par temps clair, des images à hautes résolution (∼1-4 km) permettent d’obtenir des informations très utiles sur les processus hydrodynamiques (voir figure0.13). Dans le Golfe du Lion, on trouve généralement seulement quelques belles images par hiver permettant de caractériser l’extension spatiale de la zone de convection
[Durrieu de Madron et al., 2013, Houpert et al., 2016]. Nous utiliserons dans cette
thèse des images MODIS de niveau 3, c’est-à-dire interpolées sur une grille régu-lière et masquées en fonction de la couverture nuageuse12.
Données complémentaires : Réanalyses atmosphériques
Dans cette thèse, en complément des observations océaniques, nous serons amenés à utiliser des données météorologiques. Pour cela, nous utiliserons les sorties de la réana-lyse atmosphérique ALDERA. Cette réanaréana-lyse est obtenue par le modèle atmosphérique ALADIN-Climat d’une résolution horizontale de 12 km et pilotée aux bords du domaine
12. Les données MODIS peuvent être récupérées librement sur le site de la NASA :http://oceandata. sci.gsfc.nasa.gov/
méditerranéen par la réanalyse globale ERA-Interim [Herrmann et al., 2011]. Cette simula-tion couvre la période 1979-10/2013, soit une grande partie de notre période d’étude. Ces données ont par exemple servi à construire la carte de pertes de chaleur moyenne de la figure0.2.
b) Les observations en Méditerranée Nord-occidentale
L’observatoire MOOSE
L’observatoire MOOSE ("Mediterranean Ocean Observing System for the
Environ-ment"13) est un projet de suivi à long terme de la Méditerranée Nord-occidentale
(2010->2020). Il a pour objectif principal de documenter l’écosystème marin et ambitionne d’ar-river à mesurer sa variabilité interannuelle en lien avec le changement climatique actuel et les perturbations anthropiques [Durrieu De Madron et al., 2011]. Concernant la partie "océanographie physique hauturière", qui nous intéresse plus particulièrement dans cette thèse, le programme MOOSE a mis en place un système d’observation intégré impliquant : — des mouillages : Deux mouillages hauturiers situés au centre du réseau MOOSE sur les sites de LION et DYFAMED (voir figure 0.14), ainsi que trois mouillages situés sur le talus du Golfe du Lion. Le mouillage LION a permis un suivi in-terannuel de la formation des eaux profondes [Houpert, 2013], et les mouillages sur le talus ont permis de documenter l’épisode de cascading de l’hiver 2012
[Durrieu de Madron et al., 2013].
— des campagnes en mer : La campagne MOOSE-GE, qui a lieu tous les ans en été, a pour but de maintenir le réseau de mouillage en place et de collecter des obser-vations in situ sur un réseau composé d’une centaine de stations dans le Golfe du Lion et en mer Ligure (voir figure0.14)
— des sections glider répétées opérées depuis 2010 le long des tracés suivants (voir figure0.15) : T00 : entre Nice et Calvi en passant par le mouillage DYFAMED ; T01 : au large de Toulon (moins fréquente désormais) ; T02 : dans le Golfe du Lion, le long d’un axe Marseille-LION-Minorque avec une radiale secondaire entre Perpignan et le mouillage LION.
Actuellement dans la 6eannée du programme MOOSE, on peut d’ores et déjà repérer des tendances notables dans le fonctionnement de la Méditerranée Nord-occidentale grâce à ce réseau d’observations, comme une augmentation de la température et de la salinité des eaux profondes et intermédiaires, sur laquelle on reviendra dans ce manuscrit.
Les données récoltées lors des campagnes océanographiques
En plus des campagnes réalisées dans le cadre de MOOSE, d’autres campagnes ont eu lieu sur la période 2007-2013 : DOCONUG en 2007 et 2008, 42N5E en 2009, CASCADE en 2011, DEWEX en février et avril 2013, DOWEX en septembre 2012 et 2013. Ajouté aux 6
40 41 42 43 44 Latitude
2007: 83 profiles 2008: 68 profiles 2009: 42 profiles
40 41 42 43 44 Latitude
2010: 69 profiles 2011: 133 profiles 2012: 147 profiles
4 6 8 10 40 41 42 43 44 Longitude Latitude 2013: 300 profiles 4 6 8 10 Longitude 2014: 93 profiles 4 6 8 10 Longitude to 08/2015: 82 profiles 40 41 42 43 44 Latitude
2007: 83 profiles 2008: 68 profiles 2009: 42 profiles
40 41 42 43 44 Latitude
2010: 69 profiles 2011: 133 profiles 2012: 147 profiles
4 6 8 10 40 41 42 43 44 Longitude Latitude 2013: 300 profiles 4 6 8 10 Longitude 2014: 93 profiles 4 6 8 10 Longitude to 08/2015: 82 profiles LION DYFAMED
Fig. 0.14 Carte des stations CTD collectées lors de campagnes océanographiques sur la période 2007-2015. Lorsqu’ils sont en service, la position des mouillages hauturiers LION et DYFAMED est également affichée.
campagnes MOOSE-GE depuis 2010, cela porte à 14 le nombre de campagnes océanogra-phiques menées dans la zone à l’échelle de ce sous-bassin et à 1017 le nombre de stations