Dossier Océanographie opérationnelle 

Observation de l'océan depuis l'océan - Mesures In-Situ

Mars 2005 - Dernière mise à jour avril 2010 

I - Introduction

Les mesures et observations de l'océan "In-Situ" ne datent pas d'aujourd'hui. 

C'est la pose du premier câble télégraphique sous-marin en 1851 entre la France et la Grande Bretagne qui a fait prendre conscience de la nécessité de mieux connaître les fonds marins (topographie, température, sédiments, courants). L'expédition britannique du navire Challenger de 1872 à 1876, avec ses quelques 400 stations de mesures réparties dans les océans Atlantique, Pacifique et Indien fut la première a réaliser de véritables observations de l'océan. Ce fut un succès et le début de la science "océanographique". 

D'autres expéditions ont suivi mais les moyens dont on disposait rendait les campagnes de mesures et d'exploitation très longues.  Il a fallu attendre le milieu du 20 ème siècle et ses formidables progrès technologiques notamment en matière de communication spatiale pour accéder à une connaissance dynamique des océans.

Depuis la fin des années 60, l'électronique et sa miniaturisation permettent de faire des mesures océanographiques In Situ de plus en plus précises et en permanence. 

Origine CNES

A la fin des années 70, la mise en place du système  de collecte de données et de localisation par satellite à couverture mondiale, Argos, a donné aux mesures In Situ une dimension supplémentaire : la faculté d'être disponibles quasiment en temps réel dans tous les laboratoires concernés de la planète. Ce système  a été mis au point dans le cadre d'une collaboration Franco-Américaine  entre le CNES (Centre National d’Études Spatiales) et la NASA puis la NOAA (National Ocean and Atmospheric Administration).

Il est exploité en France par CLS (Collecte et localisation par Satellite), filiale commune du CNES et de l'IFREMER.

II - Quelles mesures in situ? 

Il existe une grande diversité de paramètres hydrologiques mesurés in situ : température, salinité, pression, conductivité, courants, paramètres physico-chimiques... ayant des applications dans des domaines aussi variés que l'océanographie, la biologie, la météorologie, la climatologie, la sismologie... notons au passage  que l'étude du fond des océans est un outil de base pour la paléoclimatologie et le paléomagnétisme...

L'océanographie opérationnelle utilise les profils de température et de salinité et les mesures de vitesses le long des trajectoires de flotteurs qui viennent compléter les données obtenues par satellites.

Voir http://www.mercator-ocean.fr/......

Dans un autre domaine, il est probable qu'à terme les mesures de bio géochimie viendront compléter cette panoplie. 

III - Quels systèmes de mesures

Actuellement les mesures océanographiques In Situ sont effectuées par des instruments de mesures en surface ou immergés (en profondeur depuis la sub surface jusqu'au plancher océanique).  Les mesures sont faites, soit lors de passage de navires océanographiques ou même marchands, soit par des systèmes automatiques, fixes ou dérivants.

Les navires larguent au bout d'un câble à la fois mécanique et électrique, des sondes qui permettent de mesurer les paramètres hydrologiques sur un profil vertical de la surface jusqu'au fond. Il s'agit des sondes CTD (conductivité, température, densité) et des XBT (eXpandable BathyThermograph), de capteurs de pression et d'oxygène. Ces instruments sont associés à des bouteilles qui opèrent des prélèvements d'eau, remontés à la surface et analysés chimiquement ou biologiquement. 

Les bouées fixes  (ou bouées ancrées, ou mouillages) entrent dans la catégorie des capteurs dit "Eulériens" et permettent, en un lieu donné, de suivre l'évolution des paramètres océaniques tels que température, salinité et courants en fonction de la profondeur et du temps. Les bouées et flotteurs dérivants entrent dans la catégorie des capteurs dit "Lagrangiens" : ils évoluent librement au gré de des courants.  En fonction de leur situation, ils donnent des indications sur les courants en surface et en profondeur (jusqu'à 2500 mètres).

Réseau Pirata    Origine IRD. Jacques Servain

Il existe une grande diversité de mesures avec des moyens et procédés différents. 

Les navires sont des moyens lourds nécessitant une importante intervention humaine donc coûteux. Les mouillages sont aussi coûteux car il faut un bateau pour aller les poser, les entretenir et les rechercher. 

Les flotteurs dérivants sont moins onéreux, ils nécessitent un bateau pour leur mise en place initiale mais ont ensuite leur autonomie qui peut aller jusqu'à 5 ans. 

La quasi totalité de ces points de mesure sont maintenant équipés de balises ARGOS. Les données sont transmises à un centre de traitement qui les met à disposition des utilisateurs en temps quasi réel.

Pour plus de détails sur les procédés utilisés et principes de fonctionnement, voir le site 

http://www.ifremer.fr/lpo/cours/intrumentation/ 

http://www.educnet.education.fr/

Exemple :  profileur dérivant PROVOR  

IV - Quels programmes et pour qui?

Un grand nombre d'équipes travaillant dans le monde entier, géophysiciens, biologistes, climatologues, océanographes....  ont besoin pour leurs travaux théoriques ou appliqués d'une pluralité de données océanographiques. 

Comment utiliser au mieux toutes ces opportunités, technologies, et multiples mesures qui permettent d'observer l'évolution  de l'océan et  qui concernent l'ensemble de la planète?

Une recette éprouvée, la coopération, le partenariat, et la pluridisciplinarité!!!

L'océanographie opérationnelle, héritière d'expériences mondiales comme WOCE

(World Ocean Circulation Experiment) ou TOGA (Tropical Ocean Global Atmosphere),

s'inscrit dans une démarche plus vaste de surveillance de la Planète. En effet  compte tenu des risques naturels ou artificiels conséquences des activités humaines, une auscultation permanente de tous les compartiments de la biosphère (atmosphère, océan, végétation), est indispensable. Toute la difficulté de cette démarche à peine entamée est de faire converger les multiples initiatives par institutions, par culture, par région ou par type de problématique...

Outre les centaines de bouées fixes ou dérivantes déployées "individuellement" pour les besoins de l'Océanographie ou ceux de la Météorologie, des réseaux internationaux de bouées ou de flotteurs transmettent les données en temps quasi réel. 

Citons le programme TAO (Tropical Atmosphere Ocean project) dont le développement a été motivé par le phénomène El Niño de 1982-1983. Le réseau prototype (TOGA), achevé en 1994, a déployé 70 mouillages opérationnels (type ATLAS, Autonomous Temperature Line Acquisition System)  réparties dans l'océan Pacifique, donnant des informations sur le vent en surface, l'humidité relative, la température de l'air et de la mer en surface et subsurface. Cette expérience à laquelle participèrent les USA, la France, le Japon, Taiwan et la Corée s'est poursuivie, sous l'égide de CLIVAR, GOOS, et GCOS (voir ci-après).

Elle est devenue en 2000 le réseau  TAO/TRITON , avec l'introduction des bouées Japonaise TRITON (Triangle Trans Ocean Buoy Network). 

 L'initiative la plus récente est le déploiement mondial d'un réseau de flotteurs profileurs qui devrait à terme fournir près de 100 000 profils par an sur les 2 000 premiers mètres.

Le programme Argo a été lancé sous l'égide de la COI par 18 de ses pays membres.

Le programme  Argo complète les mesures d'altimétrie (Jason1 et  Envisat) et permet ainsi d'alimenter les modèles numériques.

En septembre 2006, 2527 profileurs  (à terme 3000) recueillent des données sur la température et la salinité de l'eau dans tous les océans du monde. 

Ces deux réseaux TAO et ARGO, équipés de balises Argos transmettent leurs données par satellite à un centre de réception qui les redistribue aux équipes concernées, quasiment en temps réel, soit par internet, soit via le GTS (Global Telecommunications System) de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale). 

Voir : http://www.argo.net, jason.oceanobs.com/....

Le traitement en temps réel des données du programme Argo est effectué principalement dans deux centres spécialisés situé l'un en France, l'autre aux États Unis.

Le projet Coriolis  commun aux organismes IRD, MERCATOR, IFREMER, SHOM, Météo France, IPEV rassemble un réseau de données incluant Argo et des données de navires de recherche. Beaucoup d'équipes de recherche françaises et étrangères transmettent leurs données des campagnes en temps réel aux centre opérationnel  Coriolis.

Répartition des flotteurs Argo et bouées captées par Coriollis Pour en savoir plus, cliquer sur l'image

Une initiative analogue existe aux USA (NOAA  AOML) . 

Ces centres de collecte, de traitement et de diffusion de données sont une première concrétisation d'initiatives antérieures dans le domaine de l'océan et du climat comme : Global Ocean Observing System (GOOS), Global Climate Observing System (GCOS),  Climate Variability and Predictability Experiment (CLIVAR), and Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE). 

A terme, ils devraient être intégrés dans des cadres plus globaux en cour de gestation : GMES (Global Monitoring for Environment and Security)  au niveau Européen et GEOSS (Global Earth Observation System of

System) au niveau mondial.

V - Quelles perspectives?

Grâce aux programmes existants et aux moyens mis en place, on dispose aujourd'hui de manière opérationnelle d'un grand nombre de données hydrologiques en temps réel : 

1. Les mesures faites systématiquement à partir de navires dits d’opportunité le long de lignes de navigation (programme "Ship of opportunity")

2. Les flotteurs qui dérivent en surface au gré des courants (programm "NDBC's Drifting Buoy")

3. Le réseau de flotteurs de sub-surface du programme Argo, déployés dans tout l’océan qui sont programmés pour explorer tous les dix jours les 2000 premiers mètres de l’océan (en septembre 2006, 2500 flotteurs sont en fonction) 

4. Les mouillages de longue durée comme ceux des réseaux TAO/ Triton et Pirata qui surveillent les océans Pacifique et Atlantique équatoriaux. 

Mais, aujourd'hui, ces réseaux de mesures concernent seulement les couches supérieures de l'océan entre 0 et 2 000 mètres de profondeur.
Au delà, on ne dispose que de peu de données : celles issues de sections hydrologiques faites par des navires océanographiques, et qui sont des opérations lourdes, coûteuses et ponctuelles, celles aussi de quelques très rares mouillages à durée de vie limité.

 
L'océan profond reste donc peu observé, lacune regrettable pour l'avancée des connaissances, entre autres pour la relation "Océan-Climat" et la surveillance de l’évolution du « Tapis Roulant ».

En effet, on ignore en grande partie comment la chaleur migre depuis l'interface océan-atmosphère vers les eaux profondes. Le programme ARGO permet de surveiller le réchauffement de quelques 1/100ème de degrés par décennie, entre la surface et 2000 mètres ; mais nous ne connaissons presque rien des variations de quelques 1/1000ème de degrés dans les couches profondes, qui ont tout autant d'importance compte tenu du volume qu’elles représentent.
D'ailleurs une des recommandations du récent Workshop 2006 de l'UNESCO, "Sea Level Rise", est 

 
"Model results also point to the importance of the Southern Ocean and deeper layers (>2000 m). Observational strategies must accomodate this". 

Cette situation pourrait être considérablement améliorée, par la mise en oeuvre en des points stratégiques du concept "Ballon sonde de l'océan" dont une première réalisation EMMA-T (Échantillonnage des propriétés de Masses d'eau MArines) limitée au profil de la température a été lancée il y quelques années et qui à terme pourrait inclure la mesure de la salinité voire même des courants. 

Voir par exemple fiche sur le projet EMMA-CTD.  

Voir aussi  :

• Émergence de l'océanographie opérationnelle

• Les modèles numériques

• L'observation de l'océan depuis l'espace

• Une grande "Cause mondiale"

Sites internet :

IFREMER Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer 

CORIOLIS

ARGO

TAO Tropical Atmosphere Ocean project

NOAA  AOML National Oceanic Atmospheric Administration, Atlantic Oceanographic Meteorologic Laboratory

NOAA DBCP National Oceanic Atmospheric Administration, Data Buoy Cooperation Panel

GOOS Global Ocean Observing System

GCOS Global Climate Observing System

CLIVAR Climate Variability and Predictability Experiment

GMES Global Monitoring for Environment and Security

GODAE Climate Variability and Predictability Experiment 

GEOSS Global Earth Observation System of System