Développement d’une sonde fibrée pour l’analyse de la luminance spectrale sous-marine

Développement d’une sonde fibrée pour l’analyse de la

luminance spectrale sous-marine

Mémoire

Gabriel Lachance

Maîtrise en génie électrique - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Développement d’une sonde fibrée pour l’analyse

de la luminance spectrale sous-marine

Mémoire

Gabriel P. Lachance

Sous la direction de :

Sophie LaRochelle, directrice de recherche

Simon Thibault, codirecteur de recherche

Warwick F. Vincent, codirecteur de recherche

Résumé

Avec les changements climatiques, l’Arctique canadien se réchauffe et change d’année en année. Ces transformations affectent plusieurs aspects de l’écologie nordique. Elles doivent être surveillées afin d’être en mesure de les comprendre et d’anticiper les variations futures. L’élément principal des changements climatiques visé par ce projet est l’effet de la fonte des glaces sur l’apport en luminosité sous-marine spécifique à la photosynthèse des lacs nordiques canadiens. Ce projet résulte de la demande grandissante en instruments de surveillance. Il propose un prototype pour un système de collecte de la luminosité sous-marine pour les longueurs d’onde visibles qui sont d’intérêt pour l’étude des écosystèmes aquatiques. Le système se fonde sur des sondes à fibres optiques pour recueillir la lumière. La transmission du signal optique du point de collecte jusqu’à une unité de traitement permet une plus grande flexibilité concernant les sondes sous-marines comparativement aux senseurs électroniques commerciaux. Le prototype comprend plusieurs sondes optiques pour étudier différents angles ou profondeurs sous-marines. Un spectrophotomètre permet d’analyser les bandes spectrales d’intérêt et une unité de contrôle permet de recueillir le signal des photodiodes et de sauvegarder de l’information. Un assemblage mécanique soutient et protège le système dans des conditions extrêmes. Le prototype

a été déployé in situ et les données ont été analysées. En conclusion, les améliorations pouvant

être apportées au système sont identifiées à partir de l’expérience acquise pendant le développement et le déploiement du prototype ainsi qu’à partir des données recueillies par celui-ci.

Abstract

With the advent of climate change, the Canadian arctic is heating up and is changing from year to year. These transformations affect many aspects of the northern ecology. They need to be monitored as to be able to understand and predict the changes to come. The principal aspect of those changes aimed at in this project revolves around the effect of the melting of the ice cover on the underwater light intensity specifically used for the photosynthesis process in northern Canadian lakes. This project ensues from the necessity of monitoring instrument for those changes. It describes a prototype for an underwater light-gathering system focused on the visible wavelengths that are of interest for the study of aquatic ecosystems. The system is based on fiber optic probes to collect light. Optical signal transmission from the collection point to a processing unit offers a more flexible approach for underwater sensors compared to the more conventional electronic sensors. The prototype uses many optical sensors to gather light from different angles or depth underwater. A spectrometer is used to analyse the different wavelength bands of interest and a control unit is used to collect the signal from the photodiodes and record data. A custom mechanical setup protects and holds the system against extreme conditions. The prototype was deployed in the field and the data gathered were analysed. To conclude, some upgrades to the system were identified from the experience acquired while conceiving and deploying the instrument and from the data analysed as well.

Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des Figures ... vii

Liste des Tableaux ... xiii

Liste des Acronymes ... xv

Liste des Symboles ... xviii

Remerciements ... xxv

Introduction ... 1

Chapitre 1 : Théorie ... 5

1.1 La photosynthèse et l’interaction lumière-matière... 5

1.2 Défis techniques pour l’instrumentation en milieu arctique ... 10

1.3 Radiométrie ... 16

1.4 Photodétecteurs ... 21

1.5 Senseurs optiques dans la littérature ... 26

1.6 Conclusion ... 31

Chapitre 2 : Critère de conception du système de détection ... 32

2.1 Mesures déjà existantes ... 32

2.2 Prérequis du projet de recherche ... 36

2.3 Conclusion ... 38

Chapitre 3 : Système de détection de la luminosité sous-marine : Premier prototype ... 40

3.1 Objectifs ... 40

3.2 Détection de la lumière ... 41

3.2.1 Ouverture numérique ... 41

3.2.2 Étendue géométrique ... 42

3.3 Caractérisation de la fibre optique ... 43

3.3.1 Caractéristiques des fibres optiques ... 43

3.3.2 Calcul de l’étendue des fibres optiques... 44

3.3.3 Atténuation due aux fibres optiques ... 45

3.3.4 Protection des fibres optiques ... 46

3.5.1 Tests de robustesses des fibres optiques ... 49

3.5.2 Test de collecte de lumière des fibres optiques ... 50

3.6 Montage expérimental du premier prototype ... 52

3.6.1 Déploiement du premier prototype en lac ... 53

3.6.2 Déploiement de l’instrument dans le cadre de l’école doctorale internationale Sentinelle Nord ... 57

3.6.3 Contraction thermique ... 58

3.6.4 Déploiement à bord de l’Amundsen ... 59

3.6.5 Deuxième déploiement en lac ... 62

3.7 Discussion ... 68

3.8 Conclusion ... 72

Chapitre 4 : Système de détection de la luminosité sous-marine : Lentille de concentration ... 74

Résumé : ... 75

Abstract : ... 75

4.1 Introduction ... 75

4.2 Experimental setup ... 76

4.3 Results and Discussion ... 76

4.4 References ... 78

Chapitre 5 : Système de détection de la luminosit sous-marine : Second prototype ... 79

5.1 Objectifs ... 79 5.2 Analyse spectrale ... 80 5.2.1 Description du principe ... 80 5.2.2 Prisme ... 82 5.2.3 Réseau de diffraction ... 83 5.2.4 Comparaison ... 85

5.2.5 Système d’analyse spectrale ... 86

5.2.6 Développement du système optique ... 89

5.3 Reconstruction spectrale ... 92 5.4 Directionnalité de la lumière ... 95 5.5 Photodiode ... 98 5.5.1 Photodétecteur de laboratoire... 98 5.5.2 Premier photodétecteur ... 99 5.5.3 Deuxième photodétecteur ... 100 5.5.4 Troisième photodétecteur ... 101

5.5.5 Photodétecteur choisi pour le second prototype ... 101

5.6 Circuit de contrôle ... 102

5.6.1 Circuit d’amplification ... 102

5.6.2 Module de contrôle ... 105

5.6.3 Code de contrôle ... 108

5.6.4 Alimentation pour l’autonomie de l’instrument ... 109

5.7 Conception mécanique ... 111

5.8 Simulations ... 112

5.8.1 Simulation de puissance disponible aux photodiodes en laboratoire ... 113

5.8.2 Simulation de basse puissance disponible aux photodiodes en laboratoire ... 116

5.8.3 Simulation de puissance in situ disponible aux photodiodes ... 118

5.9 Tests en laboratoire ... 122 5.10 Résultats expérimentaux ... 127 5.11 Discussion ... 132 5.12 Conclusion ... 139 Conclusion ... 141 Bibliographie ... 145 Annexe A ... 153 Annexe B ... 160

Liste des Figures

Figure 1.1 - Mode d’organisation de la membrane thylakoïde des algues et plantes aquatiques. ... 6 Figure 1.2 - Structure de la chlorophylle. ... 6 Figure 1.3 - Spectre d’absorption de la chlorophylle a, b, c1 et d. ... 8

Figure 1.4 - Spectre d’absorption du bêta-carotène en solution à une concentration de 10 µg/ml et une transmission de 1 cm. ... 9 Figure 1.5 - L’instrument AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) à bord du satellite Aqua de la NASA

mesure la température de la terre à partir des longueurs d’onde dans l’infrarouge. ... 11 Figure 1.6 - Le nord du Canada. Le point rouge marque la position du lac Ward Hunt qui est le site des

données de l’éclairement sous-marin utilisées dans la présente étude. ... 14 Figure 1.7 - Carte de l’Arctique. Le cercle arctique (66°33’47,8ˮ) est indiqué en bleu et le contour de

température moyenne en été n’excédant jamais 10 °C est indiqué en rouge. ... 15 Figure 1.8 - (a) Angle sous-tendu par un angle θ pour un cercle de rayon r. (b) Angle sous-tendu par un

angle solide Ω pour une sphère de rayon r. ... 18 Figure 1.9 - Illustrations des différents paramètres d’un angle solide. ... 20 Figure 1.10 - Illustration de l’interaction de la lumière avec la matière ; spectre d’absorption de

l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde. ... 21 Figure 1.11 - (a) Symbole d’une photodiode PIN dans les schémas d’électronique. (b) Structure d’une

jonction PIN. ... 25 Figure 1.12 - Illustration de la courbe de correction d’un senseur planaire selon la loi en cosinus de

Lambert selon l’équation 1.9 pour prendre en compte la provenance de la lumière incidente sur le senseur en fonction de l’angle d’incidence. ... 27 Figure 1.13 - Illustration de la courbe de réponse d’un senseur scalaire sphérique prenant en compte la

direction de provenance de la luminance incidente de façon intrinsèque. ... 28 Figure 1.14 - Illustration de la sonde à fibre optique ayant une sphère de collecte attachée à son bout

servant d’élément collecteur sphérique fabriqué en laboratoire dans le cadre de ce projet de recherche. ... 28 Figure 1.15 - Schéma d’une sonde à luminosité scalaire. ... 29 Figure 1.16 - Illustration de l’embout d’une microsonde à luminance à fibre optique utilisant un

Figure 1.17 - Sondes à fibre optique faites sur mesure. ... 30 Figure 2.1 - Données de luminance descendante (éclairement 2π corrigé selon la loi en cosinus de

Lambert) sous-marines mesurées sous la couverture de neige et de glace du lac Ward Hunt avec l’instrument Li-192. ... 32 Figure 2.2 - Données de l’éclairement spectral mesuré dans le lac Ward Hunt le 14 juillet 2016 par

Yukiko Tanabe et son équipe. ... 34 Figure 2.3 - Données de l’éclairement spectral mesuré dans le lac A le 16 juillet 2016 par Yukiko

Tanabe et son équipe. ... 35 Figure 3.1 - Système de spectromètre monochromateur typique permettant d’illustrer l’étendue

géométrique. ... 43 Figure 3.2 - Simulation de la puissance normalisée attendue à la fibre optique (fibre de plastique ou de

verre de 1.5 mm de diamètre) sous la surface d’un lac d’eau turbide recouverte de neige et de glace. ... 48 Figure 3.3 - Graphique de l’efficacité de transmission (en pourcentage) de la lumière au travers de

l’Acrylique (2 mm d’épaisseur) et du verre (10 mm d’épaisseur) en fonction de la

longueur d’onde. ... 49 Figure 3.4 - Montage expérimental pour mesurer et comparer la collecte de lumière par les fibres

optiques. ... 50 Figure 3.5 - Visualisation des mesures de puissance en fonction de la distance à l’aide de différentes

fibres optiques. ... 51 Figure 3.6 - Gauche : Schéma de déploiement du premier prototype. Droite : Photo de la sonde à fibre

optique avec miroir ainsi que le système de détection à la surface du lac Saint-Charles (02-2018). ... 53 Figure 3.7 - Données obtenues pendant le déploiement du premier prototype au lac Saint-Charles le

25 février 2018. ... 55 Figure 3.8 - Données de puissances prises au lac A à Iqaluit à l’aide du premier prototype... 58 Figure 3.9 - Puissances recueillies pendant l’expédition de l’Amundsen dans l’Arctique par l’équipe

technique SN à l’aide du premier prototype. ... 60 Figure 3.10 - Données de luminance sous-marine en fonction de la profondeur selon différentes

directions prise au lac Saint-Charles le 22 février 2019 moyennées sur une période de 4 h 30. ... 63 Figure 3.11 - Illustration de la position de la fibre virtuelle derrière le miroir. ... 65

Figure 3.12 - Données de luminance sous-marine en fonction de la profondeur selon différentes directions prises au lac Saint-Charles le 22 février 2019 moyennées sur une période de 4 h 30. La ligne pointillée sert à illustrer la profondeur à laquelle le trou d’insertion de la sonde d’impact plus directement les mesures de luminance descendante. ... 66 Figure 3.13 - Illustration de la géométrie de l’anneau du champ de vue de la fibre optique. ... 67 Figure 5.1 - Principe de séparation des longueurs d’onde à l’aide de (a) un prisme et (b) un réseau de

diffraction. ... 80 Figure 5.2 - (a) Illustration d’un spectromètre standard utilisant une fente mince à l’entrée et un prisme.

(b) Illustration d’un spectromètre standard utilisant une fente mince à l’entrée et un réseau de diffraction. (c) Spectre résultant de différentes lampes de calibration passant au travers du spectromètre. La fente d’entrée est imagée à différentes longueurs d’onde et est visible au plan image. ... 81 Figure 5.3 - Géométrie de réfraction à l’intérieur d’un prisme. ... 83 Figure 5.4 - Gauche : Illustration du fonctionnement d’un réseau de diffraction en réflexion. Droite :

Illustration du fonctionnement d’un réseau de diffraction en transmission. Avec 𝑎𝑎 le pas du réseau, 𝜃𝜃𝜃𝜃 l’angle d’incidence, 𝜃𝜃𝜃𝜃 l’angle de diffraction de l’ordre 𝜃𝜃. ... 84 Figure 5.5 - Concept du système de spectrophotomètre à l’aide d’un prisme et d’une fibre optique de

1.5 mm de diamètre. ... 87 Figure 5.6 - Concept du système de spectrophotométrie à l’aide d’un réseau de diffraction en

transmission et d’une fibre optique de 1.5 mm de diamètre. ... 89 Figure 5.7 - Illustration du plan image résultant du système optique de la Figure 5.6 (a). ... 90 Figure 5.8 - Illustration du plan image du système de spectroscopie multiplexé (a) à deux canaux et (b) à trois canaux. ... 91 Figure 5.9 - Ajustement de courbe de type gaussien de sixième ordre (en rouge) sur les données

d’éclairement spectral du lac Ward Hunt de la Figure 2.2. ... 93 Figure 5.10 - Exemple donné dans la base de connaissances du logiciel MATLAB illustrant les

différences entre les ajustements de courbe sur différents types de données à l’aide de deux types d’ajustement ; « pchip » et « spline ». ... 94 Figure 5.11 - Ajustement de courbe de type « pchip » (en rouge) sur les données de luminance spectrale

du lac Ward Hunt de la Figure 2.2 servant à la reconstruction spectrale à partir des données réduites. ... 95 Figure 5.12 - Conception du support à fibre optique. Les fibres ont une gaine de couleur différente

Figure 5.13 - Démonstration du bris induit dans le support des fibres optiques par l’exposition du PLA à l’eau. Les flèches blanches indiquent les fractures apparues après l’exposition à l’eau. 97

Figure 5.14 - Résultats du test de directionnalité des trois canaux du prototype. ... 98

Figure 5.15 - Illustration de la photodiode PDB-C612-2 de la compagnie Luna Optoelectronics Inc. ... 99

Figure 5.16 - Illustration de la photodiode PD333-3C/H0/L2 de la compagnie Everlight. ... 100

Figure 5.17 - Illustration de la photodiode S13957-01 de la compagnie Hamamatsu. ... 101

Figure 5.18 - Schéma électronique du circuit transimpédance standard avec un condensateur anti-résonance. ... 103

Figure 5.19 - Illustration des composants électroniques utilisés pas le module de contrôle et d’acquisition de données. ... 106

Figure 5.20 - Schéma bloc illustrant la relation entre les différents modules de contrôles dans le contexte du montage du second prototype. ... 108

Figure 5.21 - Illustration du support à piles D utilisé dans l’instrument. ... 110

Figure 5.22 - Illustration du schéma mécanique du second prototype. ... 111

Figure 5.23 - Illustrations des schémas des différents cas simulées. ... 113

Figure 5.24 - (a) Spectre d’émission de la source Thorlabs SLS201L en unités absolues de puissance en fonction de la longueur d’onde, (b) Spectre de transmission du filtre visible utilisé conjointement avec la source de lumière en unités de pourcentages de transmission en fonction de la longueur d’onde, (c) Spectre d’efficacité du réseau de diffraction en pourcentage de transmission en fonction de la longueur d’onde. ... 114

Figure 5.25 - Courbes des spectres lumineux résultant de l’analyse des puissances transmises au travers des fibres optiques du schéma illustré à la Figure 5.23 (A). ... 115

Figure 5.26 - Spectre d’efficacité de la sphère intégratrice ayant un revêtement de BaSO4 en pourcentage de réflexion en fonction de la longueur d’onde. ... 116

Figure 5.27 - Courbes des spectres lumineux résultant de l’analyse des puissances transmises au travers des fibres optiques ainsi que la sphère intégratrice du schéma illustré à la Figure 5.23 (B). ... 117

Figure 5.28 - (a) Spectre d’émission du Soleil, (b) Spectre de transmission de l’eau. ... 119

Figure 5.29 - Spectres simulés de la luminosité du soleil au travers de 10 m d’eau captés par la fibre optique de plastique de 10 m du schéma illustré à la Figure 5.23 (C). ... 119

Figure 5.31 - Simulation de la puissance détectée à partir du spectre de la puissance à la sortie de la fibre optique de plastique pour le lac Saint-Charles. ... 121 Figure 5.32 - Spectre de la puissance simulé attendu au senseur à partir du spectre de la puissance à la

sortie de la fibre optique de plastique pour le lac Ward Hunt. ... 122 Figure 5.33 - Tests d’amplification du signal en fonction de la valeur de la résistance variable. ... 123 Figure 5.34 - (a) Transmission de la source SLS201L au travers de la GOF (Figure 5.33 (2)), (b)

Transmission de la source SLS201L au travers de la POF (Figure 5.33 (3)) ... 123 Figure 5.35 - Gauche : Courbe de sensibilité spectrale de la photodiode, Droite : Courbe de courant en

fonction de la luminance à la photodiode. ... 124 Figure 5.36 - Gauche : Transmission de la source SLS201L au travers de la GOF pour une résistance de 75 % (Figure 5.34), Droite : Spectre de la lumière capté par la série de senseurs au temps t = 324899 ms. ... 125 Figure 5.37 - Graphique des réponses des photodiodes corrigées en fonction de la sensibilité spectrale

de la Figure 5.35. ... 126 Figure 5.38 - Comparaison entre le signal attendu aux photodiodes corrigées de la Figure 5.37 et le

résultat des mesures du spectre de la source SLS201L faite en laboratoire à l’aide du même ensemble de photodiodes. ... 126 Figure 5.39 - Illustration de l’assemblage des photodiodes dans le système d’analyse spectrale avec

superposition du spectre de lumière obtenu à partir de la source SLS201L passant au travers du système optique. ... 127 Figure 5.40 - Illustration d’une capture de la série de données spectrales prise le 21 octobre 2019. La

capture illustre le spectre reconstruit à partir des données instantanées du 21 octobre 2019 à 16 h 43 m 30 s. ... 130 Figure 5.41 - Illustration de la séparation des segments de directionnalité sur une sphère. ... 131

Liste des Tableaux

Tableau 1.1 - Résumé des unités radiométriques du système international. ... 16 Tableau 1.2 - Liste des types de photosenseurs. ... 23 Tableau 1.3 - Liste des caractéristiques des photosenseurs. ... 24 Tableau 2.1 - Liste des fonctions requises par le système de détection de la luminosité sous-marine dans la cadre de ce projet. ... 37 Tableau 3.1 – Spécifications des fibres optiques. ... 44 Tableau 3.2 – Spécifications des différentes fibres optiques utilisées dans ce travail. ... 52 Tableau 3.3 – Paramètres de la loi de décroissance exponentielle appliquée aux données de luminance mesurées à la Figure 3.8. ... 58 Tableau 3.4 – Coefficients d’extinctions calculés à l’aide d’une régression exponentielle à partir des données de luminance recueillies pendant l’expédition sur l’Amundsen à l’aide du premier prototype. . 61 Tableau 3.5 – Paramètres de la loi de décroissance exponentielle appliquée aux données de luminances mesurées à la Figure 3.12. ... 68 Tableau 5.1 – Liste des coefficients utilisées par l’équation 5.16 pour faire l’ajustement de courbe gaussienne de sixième ordre pour différentes valeurs de luminance à différentes profondeurs mesurées au lac Ward Hunt à la Figure 2.2. ... 93 Tableau 5.2 - Puissance incidente au senseur en fonction des puissances mesurées à la sortie des fibres à partir de la source de lumière Thorlabs et le spectre résultant calculé à la Figure 5.25 et illustré à la Figure 5.23 (A). ... 115 Tableau 5.3 – Ratio des puissances incidentes au senseur à partir de la source de lumière Thorlabs en unités absolues illustré à la Figure 5.25. ... 116 Tableau 5.4 - Puissance incidente au détecteur en fonction des puissances à la sortie de la sphère intégratrice à partir de la source de lumière Thorlabs et le spectre résultant calculé à la Figure 5.27. ... 118 Tableau 5.5 - Ratio des puissances incidentes au senseur à partir de la source de lumière Thorlabs en unités absolues illustré à la Figure 5.27. ... 118 Tableau 5.6 – Comparaison des données disponibles sous l’eau du lac Ward Hunt et du lac Saint-Charles. ... 120 Tableau 5.7 - Ratio des puissances incidentes au senseur à partir du spectre du Soleil en unités absolues illustré à la Figure 5.29. ... 120

Tableau 5.8 – Conditions météorologiques enregistrées par le gouvernement du Canada pendant la période de déploiement du second prototype au lac Saint-Joseph entre le 21 et le 26 octobre 2019. .. 129 Tableau 5.9 - Récapitulatif des caractéristiques des deux prototypes conçus dans de travail et présentées respectivement aux chapitres 3 et 5. ... 132 Tableau 5.10 - Comparaison entre les luminances mesurées au lac Ward Hunt et au lac Saint-Joseph en fonction du temps. ... 138

Liste des Acronymes

3D Trois Dimensions

a.u. Unité arbitraire

ABS Acrylonitrile Butadiène Styrène

ADC Convertisseur analogique-numérique (« Analog-to-Digital Converter »)

ADP Adénosine Diphosphate

AIRS Atmospheric Infrared Sounder

APS Active-Pixel Sensor

AS Aperture Stop (Diaphragme d’entrée du système)

ATP Adénosine Triphosphate

BaSO4 Sulfate de Baryum

-C2H5 Éthyle

CCD Charge-Coupled Device (Dispositif à transfert de charge)

CEN Centre d’études nordiques

CH Méthylidyne

CH2O Adéhyde formique (Formaldéhyde)

-CH3 Méthyle

-CHO Famille des aldéhydes

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

CO2 Dioxyde de Carbone (Gaz Carbonique)

-COOH Famille des acides carboxyliques

COPL Centre d’Optique, Photonique et Laser

DC Direct-Current

DEL Diode Électroluminescente

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

F/# Ouverture (F-number)

FOV Field Of View (Champ de vue)

FSR Free Spectral Range (Plage spectrale libre)

GBP Produit gain bande passante

GOF Glass Optical Fiber

GPIO General Purpose Input/Output

H2O Monoxyde de Carbone (Molécule d’eau)

I/O Input/Output port

IDE Integrated Development Environment

JAS Just Above the Surface

JBS Just Below the Surface

NA Numerical Aperture (Ouverture Numérique)

NADP Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate

NASA National Aeronautics and Space Administration

NI Numéro d’identifiant

NIRP National Institute of Polar Research of Tokyo

NIST National Institute of Standard Technology

O2 Dioxygène

Op-Amp Amplificateur opérationnel

OSA Optical Society

PCB Printed Circuit Board

pchip Piecewise Cubic Hermite Interpolation Polynomial

PLA Acide polylactique

PMMA Polyméthacrylate de méthyle (« Acrylique »)

POF Plastic Optical Fiber

PWM Pulse Width Modulation

RMS Root Mean Squared

RTC Real Time Clock

SD Secure Digital

SMD Surface-Mount Device

spline Polynomial interpolation

TiO2 Dioxyde de Titane

USB Universal Serial Bus

USD Dollar américain

UV Ultra-violet

Liste des Symboles

A Aire d’une surface

𝜶𝜶 Angle du prisme

𝛼𝛼 Coefficient d’expansion thermique du matériau

𝐴𝐴 Gain de l’amplificateur

𝛽𝛽 Gain du transistor

C Carbone

C Celsius

𝐶𝐶 Capacitance

d Le pas du réseau de diffraction

dB Décibel

e Constante d’Euler (2.7183…)

E Étendue géométrique

Ee Énergie incidente sur la photodiode

𝐸𝐸𝜃𝜃 Énergie incidente sur la photodiode planaire en fonction de l’angle

𝐸𝐸𝑒𝑒 Éclairement énergétique

𝜂𝜂 Ratio entre la puissance à la sortie et à l’entrée du système g Grammes GB Gigabyte (109 _bytes) G1 Réseau de diffraction h Heure H Hydrogène

ℎ𝑒𝑒 Dimension de l’objet ou de l’image dans le système optique

h Constante de Plank (6.62607004 E -34 m2_kg/s)

𝐼𝐼 Courant électrique

𝐼𝐼𝑒𝑒 Intensité énergétique

𝐼𝐼𝑖𝑖𝑖𝑖 Courant à l’entrée du circuit

<I> Moyenne de puissance

j Jours

𝐽𝐽 Joules

K Kelvin

kB Kilobyte (103 _bytes)

Kd Coefficient de l’atténuation diffuse

l Longueur

LS Surface illuminée de L1

L1 Lentille captant la lumière de la source

Δ𝐿𝐿 Changement de longueur du composant

𝜆𝜆 Longueur d’onde

𝐿𝐿1 Longueur finale du composant

𝐿𝐿𝑒𝑒 Luminance énergétique

M Magnification du système optique

𝜃𝜃 Mètre

m Minutes

𝜃𝜃𝑒𝑒 Ordre de diffraction

Mg Magnésium

𝑀𝑀𝑠𝑠 Facteur multiplicatif de la sphère

M1 Miroir sphérique Czerny-Turner collimant la lumière

M2 Miroir sphérique Czerny-Turner focalisant la lumière

𝜇𝜇 Facteur d’atténuation du matériau

N Azote

N Nord

𝑛𝑛𝑐𝑐 Indice de réfraction du milieu pour la raie c de l’hydrogène @ 656.3 nm

𝑛𝑛𝑑𝑑 Indice de réfraction du milieu pour la raie d du sodium @ 589.3 nm

𝑛𝑛𝑒𝑒 Indice de réfraction du milieu

𝑛𝑛𝑓𝑓 Indice de réfraction du milieu pour la raie f de l’hydrogène @ 486.1 nm

𝜈𝜈𝑠𝑠 Réponse en fréquence du circuit

𝜈𝜈𝑑𝑑 Nombre d’Abbe

ν Fréquence (Hz) de l’onde électromagnétique associée au photon considéré

O Ouest

O Oxygène

kΩ Kilo-Ohm (103 _Ohm)

MΩ Mega-Ohm (106 _Ohm)

Ω ; sr Angle solide (Stéradian)

Ω Demi-angle de la lumière entrante (L1)

Ω* Demi-angle de la lumière sortante (M2)

Ω’ Demi-angle de la lumière sortante (L1)

Ω’’ Demi-angle de la lumière entrante (M1)

p Distance entre l’objet et la lentille L1

pF Picofarad

po Pouces

𝑃𝑃𝑠𝑠 Puissance à la sortie du système

𝑃𝑃𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑐𝑐𝑒𝑒 Puissance à la source

𝑝𝑝̅ Réflexion moyenne de la surface

𝜋𝜋 Constante d’Archimède (3.1416…)

Φ𝑒𝑒 Flux énergétique

q Distance entre la lentille L1 et la fente d’entrée

Q Lumière incidente

r Rayon d’un cercle ou d’une sphère

𝑹𝑹 Facteur de réflexion du matériau

𝑅𝑅 Résistance

R2 _{Facteur d’ajustement affine}

𝑠𝑠 Secondes

S’ Aire de la fente d’entré

S’’ Aire du miroir M1

t Temps

𝑻𝑻 Facteur de transmission du matériau

Ta Température ambiante

Ti Titane

Δ𝑡𝑡 Différentiel de température

θ Angle (Radian)

θDeg Angle (Degré)

Θ Angle de déviation du prisme

V Volt

𝑉𝑉 Tension

VR Voltage de biais sur la photodiode

Je dédie ce modeste travail à ma famille qui m’a donné la curiosité scientifique et m’a encouragé et soutenu pendant mes études qui ont mené à ce projet de recherche. Particulièrement à mon père Richard L. Lachance ainsi qu’à ma mère Sonya Delisle sans qui je n’aurais jamais eu cette poussée vers la recherche scientifique. À mes grands-parents, feu Luc Lachance et Nicole Thibault ainsi que Gaston Delisle et Ginette Nadeau pour leur amour éternel. À ma sœur Mary-Pierre Godbout, sans oublier Steve Godbout et Nathalie C. Ouellet pour m’avoir supporté pendant mes études. Une dédicace spéciale à ma copine Audrey-Maude Vézina pour m’avoir aidé et supporté pendant toutes ces années pour m’aider à passer au travers.

« Une personne qui n’a jamais commis d’erreurs n’a jamais tenté d’innover » - Albert Einstein

Remerciements

J’aimerais remercier ma directrice Sophie LaRochelle ainsi que mes co-directeurs, Simon Thibault et Warwick F. Vincent, pour m’avoir guidé et encadré durant mon projet de recherche. Ils m’ont permis de me remettre en question pour accomplir un travail de meilleure qualité. J’ai aussi été en mesure d’améliorer mes compétences de recherche et d’aller de l’avant dans mes études graduées. Je remercie aussi Ruohui Wang pour son aide en tant que stagiaire postdoctorale qui m’a aidé et m’a dirigé en partie pendant mon projet. J’aimerais aussi remercier les membres de l’équipe technique Sentinelle Nord, Jean-Marie Trudeau, Éric Bharucha et Frédérick Ross, pour leurs aides et leurs conseils pendant le développement des prototypes. J’aimerais aussi remercier les équipes du COPL, de l’Université Laval et de Sentinelle Nord pour leurs contributions au projet.

Finalement, à toute ma famille, mes amis, ma copine et à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour que ce projet soit possible, merci infiniment.

Introduction

Le rayonnement solaire sous-marin exerce un large éventail d’effets sur les écosystèmes aquatiques, notamment le réchauffement de la colonne d’eau, les réactions photochimiques et le comportement des espèces animales, incluant la visualisation de leurs proies et les patrons de migration verticale. L’effet le plus important sur les réseaux trophiques aquatiques est l’approvisionnement de l’énergie pour la production de biomasse par des organismes photo-dépendants (les phototrophes) par le processus de photosynthèse. Dans le Nord, les lacs sont un composant majeur du paysage, qu’ils soient gelés ou non [1, p. 190]. Dans ces lacs, les organismes comprennent des plantes supérieures (macrophytes aquatiques), des algues planctoniques (phytoplancton) et des espèces de fond (périphyton) comme les cyanobactéries qui produisent des biofilms et des tapis microbiens [1]. Dans les régions polaires, la photosynthèse varie considérablement, car la lumière incidente varie de 24 heures d’insolation par jour pendant trois mois d’été, aux noirceurs continues pendant trois mois d’hiver. La neige et la glace ainsi que la matière organique dissoute et les particules exercent des contrôles supplémentaires sur le rayonnement solaire sous-marin dans les lacs et les mers de haute latitude [2], et il est donc nécessaire de mesurer en continu la lumière dans la colonne d’eau.

Un des endroits les plus touchés par les changements climatiques est l’Arctique puisque l’augmentation de la température locale [3] cause la perte de la glace de mer, ce qui réduit la couverture de la calotte de neige [4], diminue l’albédo total de cette région et, conséquemment, augmente l’énergie absorbée par l’environnement. Une perte moyenne d’environ 50 % de la calotte glaciaire a été observée entre les années 1979 et 2000 [5, 6] et la température de l’air ambiant démontre une augmentation de 2 degrés Celsius entre les années 1981 et 2010 [7, 8]. La perte de la calotte glaciaire réduit ainsi l’habitat et les terrains de chasse de plusieurs espèces nordiques qui dépendent de cette glace pour survivre. Un autre effet non négligeable est l’amincissement de la glace de mer qui rend les déplacements plus dangereux pour les animaux, mais aussi pour les humains qui vivent dans l’Arctique. Les populations inuites du Nunavut sont ainsi très affectées par les réchauffements, puisqu’en plus de l’amincissement de la glace de mer, l’augmentation de la température cause la fonte du pergélisol. Le ramollissement du terrain peut causer des dommages aux structures présentes et rend l’utilisation des routes de glaces impraticables pendant une certaine période de l’année. De telles conditions requièrent un entretien constant et coûteux des infrastructures nordiques. La fonte des sols gelés mène aussi

à des changements géographiques du territoire avec l’apparition de lacs thermokarstiques (lacs de fonte) [9]. Ces lacs sont le résultat de la fonte du pergélisol et d’une accumulation locale de l’eau produite par cette fonte. Ces lacs sont dommageables pour le territoire puisqu’ils peuvent en rendre certaines parties inhospitalières. De plus, la fonte de toute cette glace produit des émissions importantes de gaz à effet de serre qui, jusqu’à maintenant, étaient piégés dans la glace. Ces relâches contribuent à leur tour aux changements climatiques. Il y a alors un cercle vicieux : la température augmente et fait fondre la glace, la fonte relâche les gaz piégés qui contribuent à l’augmentation de la température.

C’est pourquoi l’étude des changements climatiques est une science en elle-même. Elle requiert une collaboration entre plusieurs domaines de recherche afin de mieux comprendre tous ses aspects. Ces domaines de recherches comprennent, mais ne sont pas restreints, à la physique, à l’ingénierie (mécanique, électrique, civil, etc.), à la médecine, à la biologie, à la psychologie et à l’architecture. C’est de la collaboration entre ces différents départements qu’a émergé le monde des sciences nordiques, un domaine de recherche en expansion. Le gouvernement canadien a vu la nécessité d’étudier le Nord et les effets des changements climatiques sur son territoire et ses habitants. Ces études ont pour but d’observer, de comprendre, d’analyser, de prédire et de juguler les changements qui affectent l’Arctique. Afin d’appuyer cette recherche, le gouvernement canadien a accordé un financement important au programme Sentinelle Nord de l’Université Laval par l’intermédiaire des fonds Apogée Canada [10].

À cet effet, professeur Warwick F. Vincent du laboratoire de recherche sur les écosystèmes aquatiques du département de biologie à l’Université Laval a proposé un projet concernant le développement d’un instrument permettant de mesurer la lumière disponible aux microorganismes vivants dans les environnements aquatiques de l’Arctique. La motivation pour ce projet vient du fait que les environnements aquatiques de l’Arctique sont sous l’effet des changements climatiques et subissent des conséquences imprévues en lien avec la diversité biologique sous-marine [11]. Plus précisément, la fonte des glaces recouvrant normalement les lacs gelés de l’Arctique change la quantité de lumière disponible sous l’eau disponible pour les microorganismes photosynthétiques. Pour mieux comprendre les effets qu’ont ces changements sur la quantité de l’éclairement sous-marin, il est premièrement nécessaire d’être en mesure de quantifier ce changement. Ainsi, ce qui est requis pour ce projet de recherche est le

microorganismes photosynthétiques sous-marins des lacs de l’Arctique de façon autonome pendant de longues périodes sous différentes conditions.

Dans ce travail, le chapitre 1 introduit des éléments de la théorie concernant la photosynthèse et l’interaction lumière/matière nécessaire à ce projet. Ensuite, les défis techniques en lien avec le développement d’un instrument devant être déployé dans l’environnement extrême de l’Arctique sont explorés. Le chapitre se poursuit par la description de la théorie de la radiométrie et les concepts connexes reliés à la mesure de la lumière en plus de la description des principes et composants servant à la photo-détection en lien avec le projet de recherche. Finalement, le chapitre se termine par une revue de la littérature concernant la mesure de la luminosité sous-marine. En effet, la détection de la lumière dans ce milieu n’est pas une science nouvelle et différents principes sont décrits dans la littérature scientifique. Ces travaux ont été utilisés comme inspiration pour le développement de la sonde de ce projet de recherche.

Le chapitre 2 donne une description des critères de conception pour la sonde visée pour ce projet de recherche. Ces critères se basent sur les mesures ayant déjà été prises auparavant dans le contexte de la mesure de la luminosité sous-marine des lacs de l’Arctique utilisant des instruments de mesure commerciaux. À l’aide de ces données, il a été possible d’établir les requis de l’instrument de façon détaillé.

Le chapitre 3 est en lien avec le développement et les tests du premier prototype fait dans le cadre de ce projet de recherche. Le chapitre commence par identifier les objectifs spécifiques de ce prototype. Puis, une description de la détection de la lumière sous-marine fait par ce prototype, une caractérisation des fibres optiques choisie, les simulations numériques du transfert lumineux dans le système et le milieu, le montage optique fait en laboratoire, le montage expérimental du prototype complet sont explorés dans ce chapitre. Pour terminer, les données prises pendant de déploiement du prototype sont analysées et discutées. Une conclusion est tirée à propos du fonctionnement et des résultats obtenus à partir du déploiement du prototype. Cette conclusion sera utilisée comme base pour le second prototype.

Le chapitre 4 présente le travail fait pour trouver une façon d’augmenter la capacité de collecte de lumière de la sonde du premier prototype présenté au chapitre précédent. Ces recherches ont fait l’objet d’une présentation orale à la conférence « OSA Opticals Sensors and Sensing

Congress » se déroulant entre le 25 et 27 juin 2019 au San Jose McEnery Convention Center en Californie aux États-Unis d’Amérique (ETu2A.2) [12]. L’acte de la conférence est recopié presque intégralement dans le chapitre. Les références uniques à ce travail sont insérées à la fin du chapitre.

Le chapitre 5 est en lien avec le développement et les tests du second prototype de ce projet de recherche. Le développement de cette seconde version de l’instrument se base sur les résultats obtenus avec le premier prototype et plusieurs améliorations sont apportées. Le chapitre commence par identifier les objectifs spécifiques de ce prototype. Puis, la conception du système optique d’analyse spectrale y est décrite, en plus de la reconstruction du spectre à partir d’un nombre de points réduit. Par la suite, l’analyse de la directionnalité de la lumière est explorée. Ensuite, le choix de photodiode est fait pour la fabrication du senseur utilisé dans le prototype ainsi que le circuit de contrôle et d’amplification. La conception mécanique est décrite après la description du système électronique. Des simulations de la lumière attendue au senseur ont été faites dans différentes conditions et le système d’analyse spectrale a été testé en laboratoire. Finalement, le chapitre décrit le déploiement du second prototype. Le déploiement sur un lac de la région de Québec, les données recueillies, l’analyse et une discussion constituent les dernières sections de ce chapitre. Pour terminer, une conclusion est faite sur le fonctionnement de ce deuxième prototype, sur ses avantages et désavantages.

Ce mémoire termine avec une conclusion générale sur tout le projet de recherche qui discute des objectifs ayant été atteints et ceux ne l’ayant pas été. La conclusion décrit aussi les résultats obtenus en plus des changements pouvant être apportés lors d’une version subséquente.

1

Chapitre 1

Théorie

L’objectif général de cette étude était de répondre au besoin d’instruments de mesure de l’éclairage sous-marin dans l’Arctique en développant un nouveau système de senseurs basés sur la fibre optique. Dans ce chapitre, une partie du contexte théorique en lien avec ce projet est présenté initialement, puis nous discutons du processus de capture biologique de la lumière et la photosynthèse. Les défis techniques liés à la conception d’instruments pour les mesures environnementales dans l’Arctique, la théorie de la radiométrie et les mesures de l’éclairement sont ensuite énumérés. La description des senseurs utilisés pour la détection de la lumière est abordée, suivie d’une synthèse des travaux antérieurs ayant abordé la détection de la luminosité sous-marine dans le contexte de l’étude de la photosynthèse en milieu aquatique. Certains articles scientifiques portant sur la détection de la luminosité sous-marine, et plus particulièrement les méthodes utilisées par les chercheurs et les objectifs de ces recherches, sont révisés. De plus, différents produits commerciaux disponibles pour l’analyse de la luminosité sous-marine sont présentés en portant une attention particulière aux avantages et inconvénients de chacun des instruments. Cette analyse posera les fondations pour les chapitres subséquents qui aborderont la conception de l’instrument de ce projet. En particulier, la comparaison entre les prototypes présentés dans ce document et les instruments disponibles commercialement permettra de mieux comprendre les objectifs visés par le développement de notre prototype.

1.1 La photosynthèse et l’interaction lumière-matière

La première étape de la photosynthèse est l’absorption de la lumière effectuée par les complexes de pigments-protéines associés avec les membranes cellulaires qui s’appellent les thylakoïdes. Chez les eucaryotes (les plantes aquatiques et les algues), ces membranes sont à l’intérieur des organelles nommées chloroplastes, tandis que chez les procaryotes (notamment les cyanobactéries) les thylakoïdes sont libres dans les cellules. La structure de la membrane photosynthétique peut varier d’une phototrophe à une autre, mais des résultats soutiennent que le mode d’organisation est semblable à celui présenté à la Figure 1.1. Ces sous-systèmes

contiennent les composants requis pour la séparation et le transfert de charges, en plus des pigments-protéines servant à l’absorption de la lumière [13].

Figure 1.1- Mode d’organisation de la membrane thylakoïde des algues et plantes aquatiques [14, p. 275].

Les pigments photosynthétiques sont des molécules qui absorbent efficacement les photons de longueurs d’onde entre 400 nm et 700 nm (« Photosynthetically Available Radiation » ; PAR). Il y a trois types distincts de pigments photosynthétiques : les chlorophylles, les caroténoïdes et les biliprotéines. Presque toutes les phototrophes réalisant de la photosynthèse contiennent la

chlorophylle et les caroténoïdes. Seules les algues rouges, les cyanobactéries et les cryptophytes

contiennent aussi les biliprotéines.

La chlorophylle se sépare en quatre types de structure générale de la chlorophylle a, b, c et d. La

structure de la chlorophylle a/b est démontrée à la Figure 1.2 (a) et celle de la c1/c2 est démontrée

Figure 1.2 - Structure de la chlorophylle. (a) a/b. Pour la chlorophylle b, le -CH3 de l’anneau II est

remplacé par un -CHO. Pour la chlorophylle a2 et b2, l’éthyle de l’anneau II est remplacé par un vinyle.

(b) c1/c2. Pour la chlorophylle c1, R représente un -C2H5. Pour la chlorophylle c2, R représente

un-CH=CH [14, p. 276].

Tous les phototrophes contiennent de la chlorophylle a. Les phototrophes contiennent aussi de

la chlorophylle b ou une ou plusieurs des chlorophylles de types c ou la chlorophylle d. En

général, la chlorophylle constitue la majorité des pigments présents chez les phototrophes. Par exemple, les concentrations des trois principaux types de pigments trouvés dans les algues marines multicellulaires du littoral de Heligoland (Allemagne) sont : 0.9 à 0.44 % de masse sèche rouge ; 0.17 à 0.55 % de masse sèche brune ; 0.28 à 1.53 % de masse sèche verte [14].

En ce qui concerne le phytoplancton, la concentration de chlorophylle a est maximale dans les eaux riches en nutriments et faibles en lumière, ce qui favorise une croissance rapide malgré l’éclairement réduit. Il a été observé que le ratio entre le carbone et la chlorophylle dans le plancton trouvé dans la mer nordique est à son minimum au début du printemps, à seulement 20 pour 1. Par la suite, le ratio augmente en été à 100 pour 1 [15]. En considérant que le plancton est fait d’environ 37 % de carbone et en ignorant la majorité des autres composants, ces ratios correspondent à des quantités de 1.8 % et 0.37 % de la masse sèche respectivement. Les conditions les plus favorables à la croissance de plancton ayant une haute concentration de pigments sont peu de lumière et un haut taux de nitrogène [16, 17, 18, 19, 20]. Dans ce cas, les concentrations de chlorophylles sont plus hautes que celles observées dans des conditions naturelles.

Figure 1.3 – Spectre d’absorption de la chlorophylle a, b, c1 et d.

Données recueillies par : [21, 22, 23, 24]. Et assemblées par : [25].

Les propriétés d’absorption de la lumière par la chlorophylle sont définies par l’excitation de deux singlets de l’électron ; le supérieur et l’inférieur. Les spectres d’absorption de la

chlorophylle a et b sont démontrés à la Figure 1.3.

Ils ont chacun une forte bande d’absorption dans le rouge et une forte bande d’absorption dans le bleu, en plus d’avoir plusieurs autres bandes satellites. La bande d’absorption dans le rouge correspond à une excitation de l’état fondamental à l’état d’excitation inférieur. Cet état d’excitation se détériore en partie par transition avec radiation, ce qui produit la fluorescence associée à la photosynthèse. La bande d’absorption dans le bleu/mauve correspond à l’état d’excitation supérieur du pigment. Cet état excité est très instable et se détériore en quelques picosecondes dans l’état d’excitation inférieure par transition sans radiation, ce qui produit l’énergie chimique nécessaire pour le processus de photosynthèse [26]. L’absorption dans la bande centrale verte est faible, bien que non nulle. La majorité des photons dans cette bande sont réfléchis, c’est pourquoi les pigments de chlorophylle ont une teinte verte.

Il peut être observé que la structure moléculaire du caroténoïde est différente de la molécule de chlorophylle [14, pp. 283-286]. En effet, ce pigment étend sa bande d’absorption dans les courtes longueurs d’onde. C’est cette bande d’absorption qui lui donne sa couleur jaune, orange ou rouge, comme il peut être observé à la Figure 1.4.

Longueur d’onde [nm] Abs or banc e [a. u. ]

Figure 1.4 – Spectre d’absorption du bêta-carotène en solution à une concentration de 10 µg/ml et une transmission de 1 cm [14, p. 286].

La chlorophylle et les caroténoïdes sont liés avec des protéines dans les thylakoïdes. Tous les complexes de chlorophylles/caroténoïde-protéines observés à ce jour contiennent de la chlorophylle a. Certains contiennent aussi de la chlorophylle b ou c. La grande majorité de ces complexes contient aussi un ou plusieurs caroténoïdes. Il y a normalement plusieurs pigments de chlorophylle par polypeptide accompagnés d’un ou de plusieurs pigments de caroténoïde. Par exemple, chez les diatomées (un groupe d’algues très commun en milieux lacustres et marins) un mélange de caroténoïdes, de chlorophylle et de protéines est optimisé pour capturer la lumière verte, qui est souvent la plage de longueurs d’onde la plus pénétrante dans la colonne d’eau [27].

Le processus de photosynthèse est séparé en deux parties distinctes : la réaction lumineuse et la réaction sombre. Premièrement, la réaction lumineuse se passe dans la membrane thylakoïde. L’hydrogène est retiré de l’eau et transféré au nicotinamide adénine dinucléotide phosphate

(NADP) par des porteurs d’hydrogènes pour former le NADPH2 et ainsi libérer de l’oxygène.

En parallèle au transport d’hydrogène, il y a la conversion de l’adénosine diphosphate (ADP) avec du phosphate inorganique en adénosine triphosphate (ATP). Ces réactions chimiques sont associées avec une augmentation considérable de l’énergie libre, ce qui n’est possible que par l’absorption de l’énergie lumineuse par les pigments de chloroplastes. Cette réaction est illustrée à l’équation 1.1 :

(1.1)

Deuxièmement, la réaction sombre se passe dans le cœur des chloroplastes. Le NADPH2

produit pendant la réaction lumineuse est utilisé pour réduire le dioxyde de carbone (CO2) en

glucides. Cette réaction chimique est aussi associée à une augmentation de l’énergie libre. Celle-ci est produite par la détérioration de l’ATP générée pendant la réaction lumineuse. Cette réaction est illustrée à l’équation 1.2 [14, p. 301] :

(1.2)

La réaction complète est résumée à l’équation 1.3 :

CO2+ 2H2O ~8hν

�⎯⎯� (CH2O) + H2O + O2 (1.3)

1.2 Défis techniques pour l’instrumentation en milieu arctique

La conception d’un instrument pour la détection de la luminosité sous-marine dans les lacs nordiques canadiens nécessite de respecter les contraintes imposées par la recherche à haute latitude en milieu extrême. Ces conditions et leurs effets possibles sur l’instrument sont décrits dans cette section.

Figure 1.5 - L’instrument AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) à bord du satellite Aqua de la NASA mesure la température de la terre à partir des longueurs d’onde dans l’infrarouge. Cette figure représente la température de la surface de la Terre ou les nuages la recouvrant pendant le mois d’avril en 2003. L’échelle couvre une plage de température de -81 degrés Celsius, correspondant à la couleur

bleu-noir, jusqu’à 47 degrés Celsius, correspondant à la couleur rouge-noir [28].

D’abord, un phénomène simple et prévisible est la basse température moyenne présente dans l’environnement nordique. En effet, comme il peut être observé à la Figure 1.5, la température moyenne pendant le mois d’avril 2003 au nord du Canada est d’environ -30 °C, tandis que la température moyenne proche de la ville de Québec est d’environ 5 °C. Au lac Ward Hunt, les températures peuvent être aussi basses que -55 °C en hiver et aussi hautes que 10 °C en été [29]. Ces températures sont généralement plus basses que celles retrouvées dans la région du Québec. Les températures figurant à la Figure 1.5 ne sont que les températures ressenties à la surface de la Terre. Puisque l’objectif de ce projet est de mesurer la lumière sous-marine sous la surface des lacs nordiques, il y aura une différence entre les températures de surface et les températures ressenties sous la surface des lacs gelés. Si un lac est localisé dans un climat nordique, cela n’implique pas nécessairement que celui-ci gèlera entièrement en hiver, même lorsqu’exposé aux températures les plus froides. De l’eau en phase liquide peut être retrouvée sous la couche de neige et de glace de certains lacs nordiques. Cela est possible par deux effets majeurs : les propriétés isolantes de la neige et les plateaux énergétiques de changements de phases. En premier lieu, la neige est un bon isolant puisqu’elle est composée en grande partie d’air et qu’elle isole l’eau du vent [30, 31]. La seule perte énergétique que subit l’eau du lac est par transmission

thermique à travers la glace, la neige et l’environnement atour du lac. Donc, si le lac a un grand volume d’eau (une grande masse thermique) ainsi qu’une couche de neige et de glace importante, l’eau sera assez isolée de l’environnement et restera liquide pendant les périodes les plus froides. En deuxième lieu, pendant un changement de phase, la température du matériau restera stable. Il faut que celui-ci perde toute son énergie avant que le changement de phase soit complété. Ainsi, pendant que l’eau passe de l’état liquide à l’état solide au cours des périodes de froid, elle atteindra un minimum d’environ +4 °C [32] et ne descendra pas plus bas que cette température sans changement de phase. Ces deux effets couplés font en sorte que, sous une certaine profondeur, l’eau d’un lac nordique restera à une température minimum stable d’environ +4 °C, et ce, même si la température à l’extérieur du lac peut descendre aussi bas que -60 °C. Ces conditions extrêmes causent un gradient drastique en température entre la surface du lac et l’eau sous la couverture de glace et de neige.

L’impact de ces températures se fait sentir sur le plan de l’équipement scientifique déployé dans le Nord. Les appareils de mesure de pointe ont deux caractéristiques : la température de rangement recommandée et la température d’utilisation recommandée. Comme leurs noms l’indiquent, ces mesures déterminent les températures maximales et minimales auxquelles l’instrument peut être rangé et utilisé respectivement selon les recommandations du fabricant pour limiter l’usure et les bris, ainsi que les mesures erronées. Ces températures sont des recommandations du fabricant à la suite d’une batterie de tests visant à déterminer les limites du bon fonctionnement de l’instrument en question. Ces recommandations sont faites selon une marge de sécurité pour assurer le bon fonctionnement dans les limites des spécifications. Dans certains cas, un instrument peut fonctionner dans des conditions dépassant les indications du fournisseur. Cependant, dans la majorité des cas, l’instrument ne fonctionnera pas de façon optimale si les conditions dans lesquelles il se retrouve surpassent les spécifications. Ainsi, puisque la majorité des instruments de mesure de pointe ne sont pas fabriqués spécifiquement pour le climat nordique, plusieurs appareils n’ont pas les caractéristiques nécessaires pour être utilisés dans ces conditions extrêmes. Il est donc nécessaire que l’instrument conçu dans le contexte de ce projet soit en mesure de résister aux conditions extrêmes de l’Arctique.

Un autre effet ressenti par la basse température, plus spécifiquement le changement de température extrême, est l’expansion et la contraction des matériaux. En effet, il est connu que

température [33]. Si ces contractions ne sont pas prises en compte, cet effet peut mener à des bris dans l’instrument. De plus, puisque la température de l’eau liquide du lac est différente de la température de l’air, il y aura un gradient important de température entre l’eau du lac et sa surface. Cet effet se fera sentir surtout sur les composants les plus grands de l’instrument puisque les contractions et expansions se mesurent en pourcentage de la longueur totale d’un composant selon l’équation 1.5 [34] :

𝛥𝛥𝐿𝐿 = 𝐿𝐿0 𝛼𝛼 𝛥𝛥𝑡𝑡, (1.4)

𝐿𝐿1= 𝐿𝐿0+ 𝛥𝛥𝐿𝐿 = 𝐿𝐿0+ 𝐿𝐿0 𝛼𝛼 𝛥𝛥𝑡𝑡, (1.5)

où 𝐿𝐿0 est la longueur initiale, 𝐿𝐿1 est la longueur finale, Δ𝐿𝐿 est le changement de dimension, Δ𝑡𝑡

est la différence de température et 𝛼𝛼 est le coefficient d’expansion thermique du matériau. Ainsi, plus un composant est grand dans une dimension, plus la contraction ou l’expansion de celui-ci sera grande dans cette dimension. Dans le cas des fibres optiques, la contraction se fait surtout sentir sur la longueur totale de la fibre. Certains matériaux ont des coefficients de contraction et d’expansion moins importants que d’autres. Ils seront donc moins affectés. Cet effet a dû être pris en compte pendant la conception de l’instrument.

Le dernier facteur à prendre en compte l’isolement des stations de recherche nordiques. Le nord du Canada recoupe le Yukon, les Territoires du Nord-Ouest et le Nunavut comme illustré à la Figure 1.6.

La définition géographique du Nord canadien est souvent interchangée avec l’appellation de l’Arctique canadien. Il est généralement accepté que l’Arctique définit le territoire au-delà du cercle nordique géographique (au-delà de 66° 33’47,8ˮ, indiqué en bleu à la Figure 1.7. Une autre définition indique le territoire arctique comme étant les endroits où la température moyenne du mois le plus chaud de l’année n’excède pas 10 °C (indiqué en rouge à la Figure 1.7).

Figure 1.6 – Le nord du Canada. Le point rouge marque la localisation du lac Ward Hunt qui est le site des données de l’éclairement sous-marin utilisées dans la présente étude [35].

Les territoires nordiques sont des territoires peu peuplés. En effet, en 2016, seulement 35944 personnes ont été recensées dans le territoire du Nunavut [36]. Ce nombre de personnes est divisé sur une superficie plus grande que l’ouest de l’Europe. Un des premiers défis encourus lorsqu’un instrument doit être déployé dans le Nord est la distance. Par exemple, la grande distance entre l’Université Laval et Iqaluit (la capitale du Nunavut) nécessite l’utilisation d’un

avion commercial (comme Canadian North) ou d’un bateau (comme le bateau de recherche de la

garde côtière canadienne Amundsen) pour se rendre physiquement, avec plusieurs transferts ou

escales. Peu importe la méthode choisie pour se déplacer, il faut s’assurer que l’instrument et le matériau nécessaire arrivent dans un état fonctionnel. Une fois sur place, il faut se rendre au lieu de déploiement de l’instrument. Ce second trajet doit être organisé à l’aide des moyens locaux

comme l’avion Twin Otter nolisé, le véhicule tout-terrain, la motoneige, une embarcation ou un

hélicoptère. Pour organiser une expédition de prise de mesure dans l’Arctique, il est nécessaire d’obtenir des fonds et de planifier l’expédition au préalable. Pour aider à l’organisation de l’expédition, il est encouragé de contacter les communautés locales et de demander leur aide, ainsi que de les inclure dans l’expérience de recherche. Le coût et la difficulté de l’organisation d’une telle expédition sont une barrière quant à l’accessibilité du site de mesure. De plus, il faut s’assurer que l’instrument déployé dans de telles conditions pourra fonctionner de façon

Par ailleurs, s’il y a un problème pendant le déploiement, il faut que l’utilisateur soit en mesure de le régler sur place lors de l’installation ou à distance ensuite. Une autre façon de régler le problème est d’utiliser l’expertise et la proximité des communautés locales en leur demandant de l’aide pendant la prise de données de l’instrument. Cette méthode de fonctionnement est nommée « science communautaire ». Elle fait appel à des personnes qui ne sont pas nécessairement dans le domaine de recherche pour aider à prendre des données sans la présence du chercheur principal tout en incluant les communautés locales [37, 38]. Si ces méthodes ne sont pas disponibles, il faut considérer le fait que l’instrument ne sera accessible qu’à la prochaine expédition. Ainsi, il faut s’assurer que toutes les sources d’erreurs et d’échecs soient connues et prises en compte avant le déploiement de l’instrument.

Figure 1.7 - Carte de l’Arctique. Le cercle arctique (66°33’47,8ˮ) est indiqué en bleu et le contour de température moyenne en été n’excédant jamais 10 °C est indiqué en rouge [39].

1.3 Radiométrie

Dans cette section, la théorie concernant la radiométrie et le calcul de la puissance lumineuse dans un milieu sont expliqués en détail.

Puisque le projet se concentre sur la mesure de la lumière disponible à la photosynthèse dans les lacs canadiens, il est nécessaire de comprendre les notions de mesures de la puissance lumineuse qui est l’objet d’étude de la radiométrie. Cet aspect de l’optique se concentre sur la mesure de la puissance lumineuse de façon absolue [40]. Il ne faut pas confondre ce terme avec la photométrie, un autre aspect de l’optique qui se concentre sur la mesure de la lumière perçue par l’œil humain. Ces deux façons de mesurer la lumière sont très similaires, mais n’utilisent pas les mêmes unités et ne sont pas utilisées dans les mêmes situations. De plus, contrairement à la photométrie, les longueurs d’onde visées par la radiométrie ne sont pas restreintes au visible, entre 380 et 780 nm. La radiométrie mesure la distribution de puissance de la radiation dans l’espace physique. Cependant, dans ce présent projet, les longueurs d’onde d’intérêts sont restreintes à celles associées à la photosynthèse. Ces longueurs d’onde se trouvent entre 400 et 700 nm (PAR). Cela coïncide avec les longueurs d’onde visibles de la photométrie, mais sans correction quant à la sensibilité de l’œil humain. Il est nécessaire de mentionner aussi que la radiométrie est distincte des techniques quantiques de comptage de photons même si certaines unités de mesure expriment la puissance lumineuse sous forme quantique.

Les unités en radiométrie permettent de quantifier la lumière et sont fortement liées à la géométrie. Il faut donc comprendre la relation entre le flux lumineux, l’angle d’émission et la surface d’interaction pour mesurer la quantité de lumière présente à un certain point dans l’espace. Le Tableau 1.1 résume les principales quantités radiométriques avec leurs unités associées. Les unités présentées sont celles utilisées dans ce mémoire.

Tableau 1.1 - Résumé des unités radiométriques du système international.

Nom Symbole Unité Définition

Flux Énergétique _{Φ𝑒𝑒 𝑊𝑊 = 𝐽𝐽 𝑠𝑠}⁄ Mesure de la puissance totale d’un

rayonnement électromagnétique. Éclairement

Énergétique 𝐸𝐸𝑒𝑒 𝑊𝑊 𝑚𝑚

2

⁄ Mesure de la puissance reçue par

unité de surface.

Exitance Énergétique _{𝑀𝑀𝑒𝑒 𝑊𝑊/𝑚𝑚}2 _{Mesure de la puissance émise par}

unité de surface.

Intensité Énergétique _{𝐼𝐼𝑒𝑒,𝛺𝛺 𝑊𝑊 𝑠𝑠𝑠𝑠⁄} Mesure de la puissance en fonction

de l’angle solide.

Luminance Énergétique _{𝐿𝐿𝑒𝑒,𝛺𝛺 𝑊𝑊 (𝑚𝑚⁄} 2_{∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠) Mesure de la puissance en fonction}

de l’angle solide par unité de surface.

Facteur d’absorption _𝑨𝑨 - Puissance absorbée par une surface

divisée par la quantité reçue.

Facteur de réflexion _𝑹𝑹 - Puissance réfléchie par une surface

divisée par la quantité reçue.

Facteur de transmission _𝑻𝑻 - Puissance transmise par une surface

divisée par la quantité reçue.

Facteur d’atténuation _𝜇𝜇 - Puissance absorbée et diffusée par

un volume divisée par la quantité reçue.

Pour comprendre ces unités, il est nécessaire de définir les grandeurs géométriques utilisées par les unités de radiométrie. Les deux types principaux sont l’aire et l’angle solide. L’unité mesurant

l’aire d’une surface (A) est le mètre au carré (m2_{). Celle-ci est directement dérivée à partir des}

unités du système international (SI) et est nécessaire pour définir les unités d’éclairement et de luminance énergétiques. Par la suite, l’unité permettant de mesurer les angles en trois dimensions se nomme l’angle solide et s’exprime en stéradian (Ω). Cette unité fait aussi partie des unités SI. Elle peut être définie comme le rapport entre la surface de la sphère interceptée par un cône et le carré du rayon de celle-ci comme illustré à la Figure 1.8 (b) et défini par l’équation 1.6 :

L’angle solide peut être visualisé en stéradian par analogie à l’angle en degré comment étant la différence entre la mesure des angles en trois dimensions (Ω) et la mesure en deux dimensions (θ). Dans le cas d’un cercle, les angles mesurés se trouvent entre 0˚ et 360˚ tandis que pour une sphère, les angles solides mesurés se trouvent entre 0 sr et 4π sr.

Figure 1.8 – (a) Angle sous-tendu par un angle θ pour un cercle de rayon r. (b) Angle sous-tendu par un angle solide Ω pour une sphère de rayon r [41].

À l’aide des unités géométriques, il est possible de définir l’unité de puissance énergétique utilisée en radiométrie.

En premier lieu, le watt (W) est une unité de puissance ou de flux énergétique, et équivaut à un joule par seconde (J/s). En optique, le watt décrit le flux énergétique de la lumière en un point. Pendant longtemps, le watt a faussement été associé avec l’intensité d’une source puisque les ampoules incandescentes étaient cataloguées selon leur consommation énergétique en watt [42]. Dans ce cas, si deux ampoules incandescentes du même type sont comparées en fonction de leur consommation énergétique, il est possible de déterminer que l’ampoule ayant une consommation plus élevée sera plus intense. Cependant, avec l’arrivée des nouvelles ampoules à faible consommation énergétique, le watt ne peut plus être utilisé comme unité d’intensité puisqu’une ampoule à tube fluorescent de 13 W a approximativement la même intensité qu’une ampoule incandescente de 60 W. Dans le cadre de ce projet, le watt est utilisé comme unité de mesure de l’énergie lumineuse puisqu’elle n’est pas biaisée en fonction de l’énergie des photons, de la direction ou de la surface mesurée.

surface perpendiculaire à sa direction. Ceci définit la densité surfacique du flux énergétique en

un certain point. Cette unité est exprimée en watt par mètre carré (W/m2_{) et est souvent utilisée}

pour qualifier la puissance du flux énergétique reçue par unité de surface. Par exemple, la puissance énergétique reçue par le soleil est souvent mesurée en fonction de l’éclairement énergétique qui permet de quantifier l’énergie solaire par unité de surface reçue par la Terre. En

moyenne, l’éclairement énergétique reçu par la terre est de 1000 W/m2 _{[43, 44]. Cette unité peut}

être raffinée pour mesurer l’éclairement énergétique en fonction de la longueur d’onde. On parle donc d’éclairement énergétique spectral (nommé « spectral irradiance » en anglais). L’unité est

exprimée en fonction de watt par mètre carré par nanomètre (W/m2_{nm) ou même en watt par}

mètre carré par hertz (W/m2_{Hz), si le spectre est exprimé en fréquence.}

En troisième lieu, l’intensité énergétique permet de quantifier la puissance du rayonnement frappant un certain point par unité d’angle solide dans une direction donnée. Ceci définit la distribution angulaire du flux énergétique en un certain point. Cette unité est exprimée en watt par stéradian (W/sr). Dans le cas où tout le flux est uniformément réparti sur l’angle solide (Ω), la valeur de l’intensité énergétique est simplement définie par l’équation 1.7 :

𝐼𝐼𝑒𝑒,𝛺𝛺 = 𝜕𝜕𝛷𝛷_{𝜕𝜕𝛺𝛺}𝑒𝑒. (1.7)

Cette équation définit un éclairage isotrope où l’intensité est uniforme dans toutes les directions, pour un angle solide de 4π sr.

En quatrième lieu, la luminance énergétique définit précisément la puissance par unité de surface dans une direction donnée passant en un point d’une surface. Elle est exprimée en watt par

mètre carré par stéradian (W/m2_{sr). Cette unité décrit la manière dont la lumière est reçue par}

une surface donnée sous n’importe quel angle. Ceci permet de décrire la propagation de photons en un point. La luminance énergétique est reliée à l’intensité énergétique selon l’équation 1.8 :

𝐿𝐿𝑒𝑒,Ω= _{dS cosθ}dIe,Ω = 𝑑𝑑 2_Φ𝑒𝑒

𝑑𝑑Ω 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐, (1.8)