Qu’est-ce que l’Océanographie ?

Née véritablement à la fin du 19^e siècle, l’océanographie est une science multiple qui fait intervenir de nombreuses disciplines scientifiques (biologie, physique, chimie, géosciences…) afin de mieux comprendre ce milieu si vaste qui n’a pas fini de livrer ses secrets : l’Océan.

L’océanographie, une science multiple

L’océanographie est une science qui étudie les mers, les océans : leurs limites et leurs interactions avec l’air, le fond, les continents mais aussi les organismes qui y vivent.

Ce n’est pas une science comme une autre car elle fait intervenir de nombreuses disciplines scientifiques, à l’image de la multiplicité de ses domaines d’études.

Ainsi, les océanographes s’intéressent à la dynamique des fluides (courants, marées…), à la chimie de l’eau de mer, à la géologie* des fonds marins, à la biologie* ou au comportement des êtres vivants qui peuplent ces fonds…

Pour faire progresser les connaissances dans ces domaines, diverses disciplines plus ou moins connues du grand public coopèrent, telles que la biologie* et la microbiologie* marines, la chimie*, la biochimie*, la géologie, la sédimentologie*, ou encore la géophysique* qui englobe la géodésie*, la sismologie*, l’hydrologie*, la météorologie*… L’océanographe n’est bien évidemment pas un spécialiste dans toutes ces disciplines à la fois !

C’est la mutualisation des savoirs acquis dans les différentes branches qui composent l’océanographie qui permettent de mieux connaître et comprendre l’océan.

Précision de vocabulaire

Océanographie : formé de –océan et –graphie. Selon Le Petit Robert, édition de 2003, ce terme daterait de 1584 mais n’est vraiment employé qu’à partir de 1876, date de la fin de la première campagne océanographique moderne de la corvette britannique HMS (Her Majesty’s Ship) Challenger.

Le suffixe –graphie désigne l’action d’écrire, par extension décrire.

Océanologie : formé de –océan et –logie. Néologisme datant de 1966. Méthodes et opérations scientifiques, techniques mises en œuvre en vue de la prospection, de l’exploitation économique ou de la protection des océans.

Le suffixe –logie, issu du grec –logos, désigne le discours, par extension la rationalité, l’étude.

Océanographie ou Océanologie ?

Suivant les sources ou les personnes consultées, des flottements existent dans les définitions… On peut rencontrer les termes « océanographie » et « océanologie » employés comme des synonymes. L’océanologie (terme issu de l’anglais « oceanology ») correspond parfois à la définition d’océanographie appliquée (à destination des services, industries…).

D’autres expliquent que l’océanologie, par opposition à l’océanographie, ne se contente pas de décrire l’océan mais de comprendre ses mécanismes. En réalité, ce terme est employé à un stade particulier de développement de l’océanographie. C’est-à-dire à partir du moment où « les travaux scientifiques et la technologie permettent d’aborder une nouvelle étape, celle de la conquête et de l’exploitation des océans au profit des hommes.
Océanologie est un terme générique qui recouvre les sciences océanographiques et les activités de recherche et de développement relatives à l’espace océanographique ». © « L’océanologie : La recherche et la mer », Bruno Chomel de Varagnes – Paris : « La documentation française illustrée », n°280, 1974.

L’océan en quelques chiffres

71% de la surface du globe est couverte par l’océan soit 361 millions de km².

Le volume de l’océan global est estimé à 1 370 millions de km³, soit 97% de l’eau de la planète.

Les océans sont définis d’après les caractéristiques suivantes :

• leur superficie est élevée
• leur profondeur importante
• il existe de larges communications entre eux
• leurs rivages appartiennent à deux continents différents.

Formation des océans

Il y a 4,5 milliards d’années, la Terre était incandescente et entourée d’une masse nuageuse contenant de la vapeur chargée en eau. 400 millions d’années plus tard, il se met à pleuvoir massivement, l’eau sort de son état gazeux. Ce déluge entraîne un refroidissement progressif du globe. Ce sont ces pluies diluviennes qui sont à l’origine des océans qui réguleront le climat et permettront il y a 4 milliards d’années l’installation de la vie (des processus chimiques ayant eu lieu dans l’eau à l’état liquide sont à l’origine de la vie).

Superficie des océans

• Océan Atlantique : 106 106 km²
• Océan Pacifique : 180 106 km²
• Océan Indien : 75 106 km²

Certains auteurs considèrent parfois en plus la zone autour du continent Antarctique, limitée par un front thermique entre le 38e et le 40e parallèle sud comme un quatrième océan, baptisé Austral ou Antarctique. (Un front thermique désigne une brusque variation de la température de la mer et permet de délimiter des masses d’eau).

L’océan Arctique n’ayant qu’une superficie d’environ 14 106 km² est plutôt considéré comme une mer glaciaire.

Naissance de l’océanographie

18^e siècle : les voyages d’exploration scientifique

L’exploration de l’océan a d’abord eu besoin de la navigation et de ses progrès. La navigation se développe parallèlement à l’intensification des échanges commerciaux suite à la naissance de l’agriculture en Egypte et en Mésopotamie (vers 8 000 ans av. J.-C.). Les Phéniciens de l’Antiquité sont à l’origine de l’art de la navigation lointaine (entre 1 200 et 600 ans av. J.-C, en mer Rouge, Atlantique Est, océan Indien). La science de la navigation s’éveille avec la civilisation grecque. Dès la Haute Antiquité (- 58 av. J.-C. à 250 ap. J.-C.), des philosophes comme Aristote (384-322 av. J.-C.), puis Pline l’Ancien (23-79), étudient les organismes marins.

Cependant avant le 19e siècle, on ne peut pas véritablement parler d’océanographie même si les premiers grands navigateurs recueillent des observations sur les mers qu’ils traversent et réalisent des cartes. Durant le Moyen Âge, l’exploration des océans s’intensifie grâce aux Arabes, Vikings, Chinois et Polynésiens. Les musulmans, en développant leur commerce, utilisent l’astrolabe*, rapportent des boussoles* de Chine, enrichissent la géographie de connaissances mathématiques et astronomiques*.

La Renaissance est l’ère des grandes découvertes, de l’expansion maritime. La cartographie (édition des cartes et plans) se développe : les navigateurs et les scientifiques se mettent à échanger des informations car ce sont les compilateurs qui font les cartes et non plus les marins eux-mêmes. Des noms de marins célèbres sont restés (les navigateurs portugais Christophe Colomb, 1450-1506 ; Vasco de Gama, 1469-1524 ; Fernando Magellan, 1480-1521…) mais les motivations de ces voyages sont avant tout économique et religieuse (établir des comptoirs, des colonies).

Au cours du 18e siècle, en Europe, de nouveaux courants scientifiques et philosophiques émergent (Les Lumières). Un vent nouveau souffle sur les sciences naturelles, les océans deviennent objets de découvertes et des naturalistes* embarquent sur les navires.

Suite aux expéditions commerciales, des progrès techniques ont permis d’améliorer la navigation (meilleure connaissance des côtes, des vents, des courants). Des expéditions scientifiques, financées par les gouvernements ou par des académies scientifiques* voient le jour. Ainsi des scientifiques sont envoyés explorer les mers et cartographier de nouvelles régions.

Des naturalistes* et des peintres embarquent pour dessiner et classer les nouvelles espèces découvertes dont, les animaux et végétaux marins. De cette façon, l’inventaire des espèces marines s’enrichit. Les articles consacrés à la mer dans l’Encyclopédie sont de plus en plus nombreux.

Leurs voyages inspirèrent les futures expéditions purement scientifiques des 19e et 20e siècles.

Pendant la première moitié du 19e, se développent ce qu’on appelait des croisières de naturalistes*. Ainsi Charles Darwin (1809-1882), à 22 ans, participe en tant que naturaliste volontaire à l’expédition de reconnaissance et d’exploration scientifique dans les mers du Sud à bord du HMS (Her Majesty’s Ship) Beagle.

Pour cette mission, le navire a été doté de laboratoires. Charles Darwin procède à des observations multiples, étudie les récifs coralliens, utilise des filets à plancton pour capturer des petites créatures dérivant dans les eaux. Ces observations et la collection qu’il réalise lui permettent d’écrire un résumé de sa théorie qui devient, en 1859, un classique de la littérature scientifique : De l’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle ou la préservation des races favorisées dans la lutte pour la vie.

Seconde moitié du 19^e siècle : naissance de l’océanographie

Au début du 19e siècle, les pratiques d’inventaire commencent à changer.

Par exemple, le baron Alexander Von Humboldt (1769-1859), naturaliste et voyageur allemand qui a exploré l’Amérique tropicale et l’Asie centrale, ne se contente plus d’inventorier la faune et la flore mais tente d’en comprendre l’organisation spatiale. Il aurait même proposé une politique d’exploitation des ressources en Amérique du Sud après y avoir constaté de mauvaises pratiques de pêche.

Quelques dates représentatives du développement de l’océanographie

• 1725 : le comte italien Luigi Ferdinando Marsigli (1658-1730), membre de l’Académie royale des sciences de Paris, publie à Amsterdam « L’Histoire physique de la mer ». Ce livre aborde entre autres la configuration du fond de la mer dans le Golfe du Lion, des relevés de température en Méditerranée, les coraux… Cet ouvrage est considéré comme le premier livre d’océanographie.
• 1750 : dès cette date, on utilise des dragues* pour récolter des animaux et des végétaux du littoral. Les espèces sont ensuite étudiées dans les musées d’histoire naturelle.
• 1751 : publication par Diderot des premiers volumes de L’Encyclopédie qui consacre de nombreux articles à la mer.
• 1752 : en France, est créée l’Académie de Marine, société savante* composée d’hydrographes*, de marins, d’astronomes*, de naturalistes*, qui participent à des voyages d’exploration.
• 1769 : l’américain Benjamin Franklin établit la première carte du Gulf Stream en s’appuyant sur les données fournies par les chasseurs de baleine.
• 1795 : création en France du Bureau des Longitudes. Il s’agit de reprendre « la maîtrise des mers aux anglais », grâce à l’amélioration de la détermination des longitudes en mer.
• 1799 : le physicien français Laplace établit dans le quatrième livre de son « Traité de mécanique céleste » une théorie dynamique des marées (utilisée jusqu’en 1992 !).
• 1841 : le naturaliste britannique Edward FORBES (1815-1854) effectue des expériences de dragage en mer Égée prouvant que la faune se raréfie au fur et à mesure des profondeurs.

• 1851 : Michael SARS (1805-1869) naturaliste et prêtre norvégien publie une liste d’espèces récoltées à environ 550 mètres de profondeur au large des côtes norvégiennes.
• 1861 : suite à la remontée d’un câble entre la Sardaigne et l’Algérie, le naturaliste français Henri de Milne Edwards (1800-1885) découvre des vers à tube (sorte de ver marin) et des madréporaires* qui proliféraient à plus de 1800 mètres.
• 1868 : les Britanniques lancent plusieurs campagnes pour découvrir les espèces des grands fonds. WYVILLE THOMSON (1830-1882) naturaliste écossais, à bord du Porcupine rapporte les premières mesures et prélèvements jusqu’à 3 500 mètres.
• 1874 : parution du premier ouvrage d’océanographie traitant des grandes profondeurs « The Depths of the Seas » (traduit en français sous le titre « Les abîmes de la mer ») par Charles WYVILLE THOMPSON. En France, 2 entités participent activement au développement de l’océanographie : l’institution universitaire (la Faculté des Sciences de Paris ; le Muséum national d’Histoire naturelle) et la Marine nationale.
• En 1880 et 1883, la France équipe deux navires pour participer elle aussi à cet effort de recherche : le Travailleur et le Talisman. Alphonse MILNE-EDWARDS, professeur de zoologie au Muséum National d’Histoire Naturelle, effectue de 1880 à 1884 des expéditions, du golfe de Gascogne à Madère et en Méditerranée, à bord du Travailleur, aviso à roues de la Marine nationale.

Le Talisman, un éclaireur d’escadre, est plus grand que le Travailleur et peut effectuer des voyages plus lointains. En 1883, le Talismanfait des récoltes profondes jusqu’aux îles du Cap Vert, dans la mer des Sargasses et au large des Açores, découvrant une profondeur de 6 250 mètres.

L’observation du relief sous-marin au large des Açores et l’examen des pierres ponces et des roches volcaniques remontées par les dragues, font comprendre qu’il existe « une grande chaîne volcanique parallèle à la côte d’Afrique » ; c’est la dorsale médio-atlantique qui ne sera mise en évidence que plus d’un demi-siècle plus tard ! Tous les animaux récoltés sont décrits et figurent depuis dans les collections du Muséum national d’Histoire naturelle à Paris.

Les campagnes océanographiques se multiplient alors dans le monde entier : les Etats-Unis en 1888, l’Allemagne en 1899, les Pays-Bas 1900.

C’est le début des véritables campagnes océanographiques. La naissance de l’océanographie a donc été contemporaine des découvertes réalisées par les premiers biologistes curieux de savoir si la vie existait dans les grandes profondeurs.

Ce sont aussi le développement de la navigation intercontinentale et la pose de câbles transatlantiques qui engageront ces campagnes. En effet, suite à divers échecs (rupture d’un câble télégraphique entre l’Irlande et Terre Neuve), il devient nécessaire de mieux connaître les profondeurs de l’Atlantique. Jusque-là, on croyait que le fond des océans était plat et on ignorait la composition du substrat dans lequel les câbles risquaient de s’enliser si les fonds étaient trop meubles.

Fin 19^e – début 20^e : les stations marines

Les biologistes marins, afin de collecter les animaux vivants, ont pris l’habitude de se rendre sur le littoral. Ils ont alors besoin de lieux pour stocker, conserver et étudier les espèces récoltées. Les stations marines sont donc créées pour pallier ce problème.

L’idée d’un laboratoire fixe permettant des études plus approfondies voit le jour, notamment grâce à Carl Vogt (1817-1895), zoologiste allemand, qui tente en vain de créer un laboratoire marin à Trieste (Italie).

Il inspirera le zoologiste belge Pierre Van Beneden (1809-1894) qui fait transformer une huîtrière d’Ostende (Belgique) en 1843 pour en faire un laboratoire maritime mais celui-ci finit par être abandonné.

En France, les stations marines se développent rapidement. Elles sont destinées à l’enseignement et accueillent durant l’été des chercheurs de différentes disciplines. Elles sont principalement consacrées à la biologie marine.

Victor COSTE (1807-1873), naturaliste* français, s’intéresse à l’ichtyologie*. Il fonde en 1859 la station marine de Concarneau (Finistère), le premier laboratoire maritime des côtes françaises, qui jouera un rôle important dans la recherche scientifique de l’époque. C’est aujourd’hui la plus ancienne station de biologie marine existant au monde.

Depuis 1996, la station est gérée par le Muséum National d’Histoire Naturelle en concertation avec le Collège de France. En plus des activités de recherche, on y trouve un marinarium (musée-laboratoire).

Suivront les stations fondées par le professeur titulaire de la chaire de Zoologie de la Sorbonne, Henri de Lacaze-Duthiers : Roscoff (Finistère), en 1872 ; puis Banyuls-sur-Mer (Pyrenées-Orientales) en 1882.

La même année, deux jeunes zoologistes : Hermann Fol et Jules Barrois fondent le « Laboratoire des Hautes Etudes » à Villefranche-sur-Mer (Alpes Maritimes) ; après diverses évolutions au cours de la fin 19e et du 20e siècle (en 1884, A. de Koretneff, professeur de l’université de Kiev, en fait le « Laboratoire russe de zoologie » ; en 1931, il est rattaché au Ministère de l’éducation nationale français, mis à disposition de l’Université de Paris et rattaché au Laboratoire Arago, à Banyuls-sur-Mer ; en 1971 la station devient indépendante de Banyuls) le laboratoire de zoologie marine devient peu à peu pluridisciplinaire pour donner naissance au centre d’Etudes et de Recherches océanographiques de Villefranche-sur-Mer (CEROV), qui deviendra l’Observatoire océanologique en 1989.

En 1863, la société des sciences naturelles et archéologiques d’Arcachon organise une exposition internationale dont les locaux servent par la suite à la création de la station marine d’Arcachon (Gironde) qui sera achevée en 1883.

En 1874, la faculté des sciences de Lille fonde le laboratoire marin de Wimereux (à proximité de Boulogne-sur-Mer) et l’université de Caen, celui de Luc-sur-Mer (Calvados). En 1879, l’université de Montpellier crée le laboratoire de Sète (Hérault). En 1900, un professeur de zoologie de Lille crée la station de Portel au sud de Boulogne-sur-Mer. À la demande des professeurs du Muséum national d’histoire naturelle, est créé en 1888 le laboratoire marin de l’île de Tatihou, dans la Cotentin. En 1923, sur les conseils de Jean Charcot, le Laboratoire maritime vient s’installer dans les locaux de la Marine nationale à Saint-Servan, à l’embouchure de la Rance. Il est ensuite transféré à Dinard en 1935.

La même année est achevée la station d’Endoume (Bouches-du-Rhône) rattachée à la faculté des sciences de Marseille. Il est aujourd’hui l’une des composantes du Centre Océanologique de Marseille (Université de Méditerranée, Aix-Marseille 2).

Entre 1891 et 1900, l’université de Lyon installe la station marine de Tamaris, dans la rade de Toulon (Var).

La France créé également des stations marines dans ses colonies : Castiglione en Algérie, Salâmmbo en Tunisie, Nha Trang au Vietnam…

Avec la création de toutes ces stations débute en France, au sein de l’enseignement supérieur, une recherche en biologie marine de qualité, associée à l’enseignement, deux activités qui n’ont cessé de se développer.

Des pays étrangers installent également à la fin du XIXe siècle des laboratoires sur leurs côtes.

En 1871, en Russie, la station biologique de Sébastopol est créée sur les bords de la mer Noire. En 1872, l’Allemand Anton Dohrn (1840-1909) crée la station zoologique de Naples (Italie). Cette station marine était considérée à l’époque comme le plus grand établissement mondial dédié à la recherche. Contrairement aux stations françaises, elle n’est pas rattachée à une université mais est privée, ouverte toute l’année, à la disposition des chercheurs.

Certains scientifiques l’ayant fréquentée, créent à leur tour un laboratoire marin dans leur pays : le laboratoire de Misaki (Japon) créé en 1887 par Kakichi Mitsukuri (1858-1903), Plymouth (Angleterre) créée en 1888 par Edwin Ray Lankester.

En 1888, né aux Etats-Unis, près de Boston, le Woods Hole, un institut créé par Charles Otis Whitman (1842-1910), et qui deviendra le Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

En Californie, à San Diego, un deuxième laboratoire américain voit le jour en 1903 : le Scripps Institution of Oceanography.

Répondant à des besoins économiques, l’activité des stations marines à la fin du 19e siècle et au début du 20e siècle est intense tandis que l’océanographie en haute mer souffre de moyens financiers et techniques limités.

Fin 19^{e –} début 20^e : essor de l’océanographie

Les campagnes océanographiques modernes

En 1872, a lieu la première campagne océanographique moderne autour du monde. Le premier navire à but scientifique, la corvette HMS (Her Majesty’s Ship) Challenger part d’Angleterre pour quatre ans de mission et rapporte des milliers d’échantillons et d’observations.

Cette campagne lança le début des grandes expéditions scientifiques dans le monde entier et à son retour en 1876, le terme « océanographie » commence à être réellement employé.

Ainsi, jusqu’en 1914, de nombreuses expéditions allemandes, américaines et monégasques ont lieu.

De 1885 à 1915, le prince Albert Ier de Monaco (1848-1922), lui-même navigateur et océanographe, met à disposition des scientifiques successivement ses yachts l’Hirondelle, l’Hirondelle II, la Princesse Alice et la Princesse Alice II.

28 campagnes de recherche océanographique sont menées en Méditerranée et dans l’Atlantique nord.

Les yachts sont spécialement conçus pour des travaux océanographiques : ils sont équipés de laboratoires avec tables à roulis, tables éclairantes, réservoirs d’alcool spéciaux et ils disposent d’une distribution d’eau distillée et d’eau de mer.

Les scientifiques, grâce à ce matériel moderne, peuvent alors recueillir des animaux qui échappaient aux engins de récolte habituels.

Les résultats des recherches sont publiés dans 110 volumes intitulés « Résultats des campagnes scientifiques accomplies sur son yacht par Albert Ier, Prince Souverain de Monaco » : ils concernent l’étude des courants superficiels et l’exploration zoologique des fonds, jusqu’à moins 6 035 mètres.

Il est aussi le fondateur du Musée océanographique de Monaco ouvert en 1910 et de l’Institut océanographique de Paris inauguré en 1911.

Organismes internationaux de coordination

C’est à cette même époque que sont créés les organismes internationaux de coordination :

• 1889, début des réunions qui ont conduit à la création à Copenhague le 22 juillet 1902 d’un Conseil International pour l’Exploration de la Mer (CIEM) ; la France y adhère en 1918. Ce conseil coordonne et assure la promotion de la recherche marine dans l’Atlantique Nord. Il compte aujourd’hui 20 membres : Allemagne, Belgique, Canada, Danemark, Espagne, Estonie, Etats-Unis, Finlande, France, Irlande, Islande, Lettonie, Lituanie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Royaume-Uni, Russie, Suisse.
• 1912, création de la CIESM (Commission internationale pour l’exploitation scientifique de la Méditerranée) qui soutient la recherche en Méditerranée et en mer Noire dans de multiples disciplines marines et environnementales. Elle compte aujourd’hui 23 pays membres. Cette commission fut créée suite au 9e congrès de géographie (1908, Genève) où l’idée de l’exploration océanographique de la Méditerranée, dans l’intérêt de la pêche marine, avait été avancée. Un comité spécial avait alors été composé par le Prince Albert Ier de Monaco (le Président) et par plusieurs professeurs : Cori (Trieste), Vinciguerra (Rome), Regnard (Paris), Navarete (Madrid).

Programmes de recherche systématiques

Entre 1918 et 1957, sont mis en place des programmes de recherche systématiques nationaux : exploration de l’Atlantique Sud de 1925 à 1927 par le navire allemand Meteor (c’est le premier à réaliser l’étude hydrographique* d’un océan entier et à être équipé d’un sondeur* ultrasonore) ; étude de l’océan Austral au début des années 1930 par le navire britannique Discovery.

L’année Géophysique Internationale (AGI) de 1957 sera le point de départ des programmes internationaux de recherche à l’échelle du globe. Entre juillet et décembre 1958, période d’activité solaire maximum, de nombreuses études des phénomènes géophysiques* eurent lieu afin de mieux connaître les propriétés physiques de la Terre et ses interactions avec le soleil, en divers points du globe, notamment dans les régions polaires, peu étudiées jusqu’alors.

Développement des instituts océanographiques dans le monde

Allemagne

En 1980, est créé l’Institut Alfred Wegener, principal centre de recherche de l’Allemagne en matière polaire, maritime et climatologique, dont le siège est à Bremerhaven. Les recherches menées par l’Institut concernent aussi bien la tectonique des plaques que la structure des chaînes alimentaires tout en passant par les causes et conséquences des changements climatiques.

Canada

Créé en 1962 par le gouvernement du Canada et situé sur les rives du bassin de Bedford, à Dartmouth, en Nouvelle-Écosse, l’Institut océanographique de Bedford (IOB) est le plus grand centre de recherches océaniques du Canada et le premier grand centre fédéral à vocation océanographique. L’Institut effectue des recherches orientées pour le compte du gouvernement du Canada, dans le but de guider et d’étayer le processus décisionnel gouvernemental dans un vaste éventail de domaines touchant à l’océan et concernant, notamment, la souveraineté, la défense, la protection de l’environnement, la santé et la sécurité, les ressources halieutiques et les ressources naturelles ainsi que la planification et la gestion de l’environnement et des océans.

Etats-Unis

En 1970, trois agences du gouvernement américain fusionnent (United States Coast and Geodetic Survey, 1807 ; le Weather Bureau, 1870 ; le Bureau of Commercial Fisheries, 1871) pour fonder la NOAA (National Oceanographic and Atmospheric Administration), agence américaine responsable de l’étude de l’océan et de l’atmosphère. Sa mission est de comprendre et prévoir les changements de l’environnement, d’administrer les ressources marines et côtières afin de concilier les besoins économiques, sociaux et environnementaux des États-Unis dans ces domaines.

France

Entre les 2 guerres, l’océanographie des pêches acquiert de l’importance avec la création, en 1920 de l’Office Scientifique et Technique de Pêches Maritimes (OSTPM). Objectif : recueillir sur les lieux de pêche des informations à transmettre aux pêcheurs, réaliser des études sur la biologie des espèces marines commercialisées et le milieu marin. Au début des années 1930, l’OSTPM met en service le chalutier océanographique Président Théodore Tissier qui va effectuer de nombreuses campagnes océanographiques, dans l’Atlantique nord en particulier.

En 1953, l’OSTPM devient l’ISTPM (Institut Scientifique et Technique de Pêches Maritimes). Il doit alors répondre aux besoins de reconstruction des outils de production et de transformation détruit par la guerre, à la nécessité d’introduction de nouvelles technologies et de création à terre de laboratoires bien équipés et en mer de navires modernes, à la mise en œuvre de programmes de recherche de haut niveau, à la compétition internationale.

Dans les années 1950, le CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) fonde un laboratoire rattaché à la station marine de Roscoff.

En 1967, le CNEXO (Centre national pour l’exploitation des océans) naît officiellement. C’est un établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC) qui a pour mission « de développer la connaissance des océans, les études et les recherches tendant à l’exploitation des ressources contenues à leur surface, dans leur masse, leur sol et leur sous-sol ».

En 1985, est créé l’INSU (Institut national des sciences de l’Univers) qui va reconnaître le Centre d’Océanologie de Marseille, l’Observatoire Océanologique de Banyuls, l’Observatoire Océanologique de Villefranche-sur-Mer et la Station biologique de Roscoff comme des Observatoires des Sciences de l’Univers (OSU). Les OSU ont pour mission, entre autres l’acquisition de données d’observation ; la mise en place des programmes en vue de l’exploitation et la protection du milieu océanique ; la formation des étudiants et des personnels de recherche.

En 1984, le CNEXO et l’Institut scientifique et technique des pêches maritimes (ISTPM) fusionnent pour former l’Ifremer (Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer).

Dans le domaine militaire, le Service hydrographique de la Marine fait progresser la cartographie et l’hydrographie marines. En 1971, il devient le Service hydrographique et océanographique de la Marine (SHOM).

Grande-Bretagne

Inauguré en 1995, le NOCS (National Oceanography Centre, Southampton, Grande-Bretagne) est reconnu comme un important Centre de Recherche et d’Enseignement en Sciences de la Mer, en Sciences de la Terre, et en Technologies Marines. Fruit d’un partenariat entre l’Université de Southampton et le Natural Environment Research Council (NERC), le NOCS compte aujourd’hui plus de 1200 personnes dans ses murs (500 chercheurs, enseignants et techniciens, 750 étudiants).

Sa mission : comprendre le fonctionnement de l’ensemble des systèmes – physique, biologique, géologique et chimique – de la planète Terre et de ses océans.

Japon

En mai 1971, le gouvernement japonais adopte la loi créant la JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology). Inauguré en octobre 1971, ses activités se sont rapidement orientées vers le développement et l’utilisation de nouvelles technologies. Aujourd’hui, il est constitué de quatre départements dans les domaines suivants : recherche océanique profonde ; technologies marines ; observation de l’océan et recherche sur les écosystèmes marins. La JAMSTEC est doté entre autres du navire de forage Chikyu.

Quelques dates importantes pour l’océanographie du 20^e siècle

• 1934 : les Américains William Beebe et Otis Barton atteignent la profondeur de 923 mètres à bord de leur bathysphère.
• 1947 : le navire suédois Albatross découvre une fosse de 7 800 mètres au large de Porto Rico et y pêche quelques spécimens, dépassant ainsi le record du Prince Albert Ier de Monaco.
• 1948 : Henry Stommel explique pourquoi la vitesse du Gulf Stream* peut atteindre jusqu’à 4 km/h tandis que les grands courants océaniques circulent en moyenne à 1 km/h. L’accélération du Gulf Stream, générée par la force de Coriolis* (due à la rotation de la Terre) est plus forte aux pôles qu’à l’équateur. Plus la latitude augmente, plus le courant est rapide ; il ralentit ensuite à cause des forces de frottement, croissantes au fur et à mesure que le courant augmente.
• 1952 : le navire danois Galathea démontre qu’il n’y a pas de limite de profondeur à la vie sous-marine. En réalisant une expérience dans la fosse des Tonga-Kermadec, dans le Pacifique central, des êtres vivants prélevés à plus de 10 000 mètres de profondeur sont remontés à bord : mollusques, crustacés…
• 1953 : premiers essais du bathyscaphe FNRS III au large de Toulon. Les profondeurs de 750 mètres, 1 650 mètres et 2 100 mètres sont atteintes, battant très largement le record établi en 1949 à 1 370 mètres par l’américain Otis Barton avec sa bathysphère.
• 1954 : au large de Dakar, le bathyscaphe FNRS III atteint l’immersion de 4 050 mètres avec à son bord les deux français, Georges Houot et Pierre Willm.
• 1960 : les hommes « les plus profonds du monde » sont l’américain Don Walsh et le Suisse Jacques Picard. Ils ont atteint avec le bathyscaphe américain Trieste le fond de la fosse des Mariannes au large des Philippines à 10 916 mètres.
• 1965 : les géologues américains Bruce Heezen et Marie Tharp représentent en relief le fond des océans d’après les sondages acoustiques réalisés durant les quinze années précédentes. Sont alors représentées les dorsales océaniques qui s’étendent sur des milliers de kilomètres.
• 1969 : premiers essais de la soucoupe française Cyana, capable de descendre, avec 3 personnes à son bord, à 3 000 mètres de profondeur.
• 1970 : le professeur Henri Lacombe mesure en Méditerranée la vitesse du mouvement vertical du phénomène de formation des eaux profondes : entre 5 et 8 centimètres par seconde. Plus l’évaporation est importante, plus l’eau est salée et plus elle est dense. L’eau s’alourdit quand sa température baisse et quand l’eau de surface devient trop lourde, elle coule. Toute la circulation océanique* est régie par ce principe de formation d’eaux profondes (salées et froides) et par le processus inverse de résurgence d’eau de surface.
  Grâce aux études qui ont suivi sur la circulation océanique, on sait que les eaux plongent dans le nord de l’Atlantique Nord, qu’elles circulent au fond des mers et qu’elles réapparaissent 600 ans plus tard dans l’océan Indien et 1 200 ans plus tard dans le Pacifique nord !
• 1974 : le sous-marin habité américain Alvin participe à la campagne franco-américaine FAMOUS le long de la ride médio-atlantique au sud des Açores en compagnie des engins sous-marins français : la soucoupe Cyana et le bathyscaphe Archimède. Les trois engins totaliseront 51 plongées avec 228 heures passées au fond d’où ils ramèneront 2 tonnes d’échantillons de roches, 25 000 photos et 100 heures de film. Les observations réalisées durant ces plongées viendront confirmer la théorie de la dérive des continents.
• 1977 : des géologues américains découvrent en plongeant à bord de l’Alvin des organismes vivant à proximité des sources hydrothermales, par 2 500 mètres de fond, dans des conditions de température et de pression extrême.
• 1978 : le premier satellite entièrement dédié à l’océan, Seasat, est lancé le 28 juin pour renseigner les scientifiques sur la surface de la mer, sa température, ses mouvements. La même année (en octobre), son système électrique est endommagé et sa mission prend fin.
• 1984 : le sous-marin Nautile est mis en service par le CNEXO. Il peut embarquer trois personnes (pilote, co-pilote et observateur) dans une sphère munie de hublots jusqu’à des profondeurs de 6 000 mètres.
• 1993 : le Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) met en service le robot sous-marin autonome AUV ABE capable d’intervenir jusqu’à 5 000 mètres.
• 1995 : le robot téléopéré japonais Kaiko bat le record de profondeur avec 10 911 mètres atteint dans la fosse des Mariannes.
• 1998 : mise en service par l’IFREMER du robot téléopéré Victor 6000 capable de descendre à 6 000 mètres de profondeur.
• 2004 : mise en service du robot autonome sous-marin AUV français Aster^X capable de plonger à 3000 mètres de profondeur.
• 2006 : premiers essais de SeaOrbiter, vaisseau scientifique d’observation imaginé par Jacques Rougerie, né de la confrontation des expériences de Jacques Piccard, Jean-Loup Chrétien, et développé et testé grâce à COMEX et à l’institut norvégien Marintek. SeaOrbiter devrait dériver au gré des courants avec à son bord 18 océanautes dès 2009.

En résumé, l’évolution de l’océanographie suit le schéma suivant :

• Exploration et description
• Compréhension théorique des phénomènes
• Modélisation*, exploration et prévention

La première phase n’est pas encore terminée !

Instruments et engins au service de l’océanographie

Si c’est une nécessité technique (poser des câbles transatlantiques) qui est, entre autres, à l’origine de l’océanographie, ce sont aussi les progrès de la technique qui permettent les progrès de l’océanographie, car les contraintes d’exploration de l’océan sont grandes : navigation soumise aux aléas des conditions météorologiques, problème de la pression croissante quand on veut plonger dans les grandes profondeurs (la pression augmente d’une atmosphère*, soit 1 kilogramme par cm² tous les 10 mètres)…

Les navires océanographiques français

Avant tout, les navires sont les équipements de base des campagnes océanographiques en mer. Outre ses capacités de navigation (puissance, maniabilité…), les treuils et câbles sont indispensables pour procéder à des prélèvements et des mesures. Ceux-ci sont améliorés au fil du temps : treuils manuels puis à vapeur, électriques et enfin hydrauliques*. Les cordages des câbles deviennent de plus en plus adaptés.

Les instruments de navigation embarqués sont essentiels (chronomètres, sextants…) et leurs progrès permirent d’améliorer les explorations scientifiques.

• Figure 6 – The Hirondelle
• Figure 7 – Baril lesté destiné à l’étude des courants. Il est largué à un endroit et contient un message où il est demandé à la personne qui le trouve d’indiquer le lieu et l’heure où elle l’a retrouvé, afin de pouvoir retracer sa dérive.

On distingue les navires hauturiers (destinés aux campagnes en pleine mer, au large) et les navires côtiers, qui, comme leur nom l’indique, servent aux campagnes océanographiques le long des côtes.

En 2006, la flotte océanographique française est composée de :

Cinq navires hauturiers (ou grands hauturiers)

• Deux navires de L’Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer (Ifremer) : L’Atalante (pluridisciplinaire ; tous océans) et le Thalassa, navire support du ROV Victor 6 000, plutôt destiné à l’océanographie physique et à l’halieutique (l’exploitation biologique des fonds marins, c’est-à-dire ce qui concerne la pêche) dans l’océan Atlantique.
• Deux navires de l’Institut Paul-Emile Victor (IPEV) avec le Marion Dufresne II (pluridisciplinaire ; tous océans) et L’Astrolabe (ravitailleur ; Tasmanie – Terre Adélie)
• Deux navires partagés entre l’Ifremer et la Marine nationale : le Beautemps-Beaupré et le Pourquoi pas ?

Les besoins d’hydrographie et d’océanographie de la Marine nationale et de la communauté scientifique concourent à des activités de même nature qui favorisent une synergie entre les deux ministères de la Défense et de la Recherche pour leurs moyens maritimes. Dans ce cadre, deux navires ont été construits en partenariat entre le ministère de la Défense et l’Ifremer.

Un navire civil, armé par Genavir sous pavillon français, à usage partagé. Il porte le nom de Pourquoi pas ? Ce navire d’une centaine de mètres, est financé à 55% par l’Ifremer et 45% par la Marine avec une utilisation répartie de 150 jours/an pour la Marine et de 180 jours/an pour l’Ifremer. Il s’agit d’un navire polyvalent équipé pour les travaux en route et optimisé pour les travaux en chantier. Le Pourquoi pas ? peut ainsi mener à bien des missions d’hydrographie, hauturière ou côtière, de géosciences, d’océanographie physique, chimique et biologique et mettre en œuvre les équipements scientifiques de l’Institut. Au cours d’une mission, il est capable de mettre en œuvre alternativement deux équipements lourds, type Nautile, Victor 6000 ou engin remorqué.

Effectuez une visite virtuelle du laboratoire d’hydrologie à bord du Pourquoi Pas ? et découvrez toutes les caractéristiques techniques du navire sur le site Internet de l’Ifremer.

Un navire militaire, le Beautemps-Beaupré, destiné à couvrir les besoins stratégiques de la Marine et du SHOM, dans l’Atlantique-Nord en particulier. Ses principales missions portent sur l’hydrographie, la bathymétrie fine et l’océanographie physique. L’Ifremer participe à son financement à hauteur de 5% et peut l’utiliser 10 jours/an.

Quatre navires semi-hauturiers (ou petits hauturiers)

• un navire Ifremer : Le Suroît (géophysique ; Méditerranée et proche de l’Atlantique)
• un navire de l’IPEV : La Curieuse (halieutique/océanographie ; océan Indien)
• deux navires de l’Institut de Recherche et Développement (IRD) : Alis (pluridisciplinaire ; Atlantique tropical) et Antéa (pluridisciplinaire ; Pacifique Sud-Ouest).

Six navires côtiers (ou de façade)

• trois navires Ifremer : L’Europe (halieutique, littoral ; Méditerranée), Gwen Drez (halieutique ; Manche – Golfe de Gascogne) et Thalia (pluridisciplinaire ; Manche – Golfe de Gascogne).
• trois navires de l’Institut National des Sciences de l’Univers : Téthys II (pluridisciplinaire ; Méditerranée), Côtes de la Manche (pluridisciplinaire ; Manche – Golfe de Gascogne), Côte d’Aquitaine (pluridisciplinaire ; Manche – Golfe de Gascogne).

L’Atalante et le Pourquoi pas ?,navires pluridisciplinaires et hauturiers Ifremer.

Quelques instruments de mesure

Les instruments de mesure employés lors de missions océanographiques sont très nombreux. Nous n’en citerons que quelques-uns.

Mesurer la profondeur et connaître le relief des fonds marins

Pour mesurer la profondeur des mers et océans, on utilisait autrefois un plomb de sonde et un fil. Vinrent ensuite les instruments utilisant les sons (vers 1919), puis les ultrasons (après 1918). Les ultrasons sont des sons dont la fréquence dépasse 20 Kilos Hertz. Les hertz sont des unités de mesure de fréquence. La fréquence désigne, en physique, le nombre de cycles identiques d’un phénomène par unité de temps (souvent par seconde) ; ici la fréquence sonore.

Seules les techniques acoustiques permettent une bathymétrie* fiable dès que la profondeur dépasse quelques dizaines de mètres.

Aujourd’hui les équipements acoustiques à la disposition des chercheurs sont très modernes : sondeur de bathymétrie et de pêche ; sonar latéral…

Fonctionnement des sondeurs et sonars

Le sondeur

Il peut être utilisé pour mesurer la hauteur d’eau (bathymétrie) ou détecter des bancs de poissons (pêche ou océanographie). L’appareil est composé de systèmes électroniques pour l’émission et la réception des signaux sonores et la mesure du temps de propagation de ces signaux (datation et détection de l’écho de fond).

Le transducteur, sorte de haut-parleur, est souvent un disque ou triangle de céramique installé sous la coque du navire. Un système de présentation des échos obtenus permet de visualiser les mesures.

Pour les modèles anciens, il s’agit de rouleaux de papier ; sur les modèles plus récents, d’un écran cathodique, et d’un affichage numérique sur les modèles grand public d’aide à la navigation.

Le graphe obtenu représente une vue en coupe du profil du fond et de la tranche d’eau. Un des intérêts est de pouvoir faire figurer les échos des cibles situées en pleine eau : bancs de poissons…

Il en existe différentes sortes :

• les sondeurs monofaisceaux : ils mesurent la profondeur à la verticale du navire le long de la route suivie, selon un angle de 15° à 30°.
• les sondeurs multifaisceaux : ils datent des années 1970 et ont beaucoup évolué depuis. Ils permettent la cartographie de larges zones, de l’ordre de 10 000 km2 en 24 heures (l’angle couvert par le sondeur peut aller jusqu’à 150°). Ils émettent et reçoivent des faisceaux ultrasonores, suivant une succession d’angles étroits qui permettent de réaliser une cartographie précise au premier passage. Par exemple le sondeur multifaisceaux de l’Atalante permet de déterminer des profondeurs entre 100 et 10 000 mètres grâce à 151 faisceaux espacés de 1 degré. Les cartes peuvent ensuite être élaborées directement à bord, grâce à l’informatique, rendant obsolète le fastidieux travail de tracé d’autrefois. Le sondeur multifaisceaux permet, en plus des relevés topographiques du relief sous-marin, de fournir des images permettant d’identifier la nature du fond.
• les sondeurs de sédiments : ils permettent d’explorer les premières strates de sédiment*. Il s’agit souvent de sondeurs monofaisceaux fonctionnant à très fort niveau et à des fréquences basses (de 1 à 10 KHz) et utilisant des techniques de compression pour améliorer la pénétration des couches de sédiments.

Le sonar latéral

SONAR est l’acronyme de SOund Navigation And Ranging (navigation et détection acoustique).

Le sonar latéral est composé d’antennes très allongées installées de part et d’autre d’un « poisson » cylindrique en métal profilé, de câbles, d’une alimentation électrique et d’un équipement de visualisation et d’enregistrement à bord. Les fréquences employées sont élevées et la portée est de quelques centaines de mètres. Le récepteur de signaux sonores est similaire à celui des sondeurs. Les signaux enregistrés latéralement à la direction d’avancée du sonar, juxtaposée aux signaux successifs déjà obtenus par le sonar pendant son avancée, constituent ligne après ligne l’image acoustique.

Quand les fonds marins ne sont pas plats, une correction géométrique est nécessaire pour obtenir une image correcte, soit par des hypothèses simples, a priori, sur la topographie ; soit en complétant le relevé sonar par des mesures de bathymétrie. Les obstacles sur le fond se traduisent par des ombres portées sur le fond, de forme correspondante à l’objet immergé. Ce qui est utile pour la détection des mines et des épaves, mais aussi pour étudier le relief de fond.

Le plus souvent, il s’agit de systèmes légers, facilement transportables, destinés à une utilisation sur les petits fonds (portée de quelques centaines de mètres) mais des modèles grands fonds existent aussi.

Mesurer la température, la salinité et autres paramètres physiques et chimiques de l’eau de mer.

Pendant la descente et la remontée les mesures sont enregistrées dans une mémoire interne à la sonde ou transmises à bord. Il est également possible de transmettre des ordres à la sonde ou à des appareils qui lui sont associés.

Il est intéressant de prélever des échantillons d’eau de mer à différentes profondeurs pour les analyser afin de contrôler le bon fonctionnement des capteurs, d’affiner leur étalonnage et d’obtenir après analyse une mesure des paramètres physiques ou chimiques pour lesquels il n’existe pas de capteurs. Pour cela il faut ajouter à la bathysonde un système de bouteilles de prélèvement (jusqu’à 24 bouteilles). Ces bouteilles sont placées verticalement les unes à côté des autres en formant un cercle autour du moteur qui commande leur fermeture. Cette disposition fait que ce système s’appelle une « rosette ».

Les bouteilles sont descendues ouvertes à leur partie supérieure et inférieure. Pendant la remontée, une commande est envoyée au moteur pour les fermer à des immersions choisies. La sonde descend et remonte à une vitesse de l’ordre d’un mètre par seconde. Le navire est immobilisé longtemps quand la sonde est à la mer. Une station à 3600 mètres dure plus de deux heures.

• Les sondes perdables
  Les plus utilisées sont les XBT : Expendable BathyThermograph. Il existe également les XCTD.
  Ces sondes sont lancées à partir du bord (il n’est donc pas nécessaire d’arrêter le bateau) et sont reliées à un pistolet de lancement, lui-même relié par un câble à un PC d’acquisition, par un mince fil de cuivre qui transmet la mesure enregistrée directement sur le PC. Lorsque le fil de cuivre casse au bout d’une certaine profondeur (dépendant aussi de la vitesse du navire) la sonde est perdue. Ces sondes permettent des profils de température (et de salinité pour les XCTD) de la surface à plus de 700 mètres en moyenne.
• Les « poissons remorqués »
  La sonde est placée dans un engin remorqué derrière le navire. Il est possible de commander son immersion et de le faire évoluer entre la surface et quelques centaines de mètres.
• Les sondes autonomes qui ne sont plus reliées au navire par un câble.
  – Les classiques : après sa mise à l’eau elle plonge jusqu’à atteindre l’immersion voulue. Sa récupération en surface peut poser des problèmes la nuit, par mauvaise visibilité ou par mauvais temps.
  – Les perdables (Provor) : cet appareil reste le plus souvent à une immersion choisie. A partir des positionnements en surface il fournit une approximation du courant à son immersion. Avant de remonter à la surface il plonge et remonte en mesurant un profil en température et conductivité.
• Les célérimètres qui mesure la vitesse du son dans l’eau.
• Les analyseurs comme par exemple le fluorimètre qui mesure la concentration en phytoplancton.
• Les marégraphes sont des instruments enregistreurs de la hauteur des marées qui tracent une courbe, un graphique (marégramme) permettant de connaître à tout moment cette hauteur.
• Les granulomètres mesurent la quantité de particules directement dans l’eau et leur distribution en taille de 0.7 à 400 microns. Il s’agit de particules inertes organiques, minérales ou de particules vivantes (bactéries, picoplancton, phytoplancton, zooplancton, œufs et des larves de poissons et de crustacés).
• Les instruments de tomographie qui transmettent des ondes horizontalement entre les mouillages pour mesurer la température sur des centaines de kilomètres. La tomographie acoustique dans l’océan permet une excellente propagation du son (c’est grâce à cela que les baleines et les dauphins communiquent sur des distances de milliers de kilomètres). La tomographie acoustique est une technique de mesure qui utilise la transmission du son à travers de longues distances, sur de longs parcours, pour déterminer la température de l’eau de mer.

Réaliser des prélèvements et des carottages de sédiments

Les bennes

Les bennes constituent un procédé très simple de prélèvement de sédiments en surface sur le fond marin.

Lors du largage, les mâchoires de la benne sont ouvertes. Elle descend et atteint le fond. À ce moment, les mâchoires se referment à l’aide d’un ressort, ce qui emprisonne une certaine quantité de sédiments ou de substrats meubles. La benne est alors remontée à la surface où son contenu peut être analysé.

Les carottiers

Les carottes de sédiments marins servent à reconstituer les climats du passé et, plus particulièrement, la circulation océanique profonde associée à ces climats. Ainsi, 3 mètres de carottes suffisent pour remonter 10 000 ans en arrière avec une résolution fine, de l’ordre de 50 ans (l’analyse de la carotte se fait centimètre par centimètre voire plus).

Il existe plusieurs types de carottier, nous en citerons deux :

• Les carottiers à piston

Le Marion Dufresne est équipé du carottier géant Calypso : il est l’un des seuls navires à collecter des carottes sédimentaires pouvant atteindre plus de 60 mètres de longueur. Il peut procéder à des carottages jusqu’à 6 000 mètres de fond.

Quand le contre-poids touche le fond, il déclenche le largage du lest en plomb d’environ 7 tonnes qui enfonce, par son seul poids, le tube dans le sédiment. L’ensemble est ensuite remonté à bord.

Descendant à la vitesse de 1 mètre par seconde, le carottier met près d’une heure pour atteindre un fond de 3 000 mètres et autant pour être remonté. Dès que le tube du carottier est remonté, celui-ci est couché sur le pont. Le tube en plastique très dur et résistant contenant le sédiment est extrait du tube en acier.

Cette enveloppe plastique est découpée en tronçons de 1,5 mètres. Chaque tronçon est référencé et est ensuite coupée en 2 sur la longueur. Une moitié est immédiatement emballée et mise en en chambre froide pour éviter qu’elle ne sèche. C’est une carotte « archive ». La seconde moitié permet aux scientifiques du bord de travailler : examen visuel à l’œil nu ou au microscope ; première série de mesures sur le sédiment lui-même.

Ces expériences réalisées à bord ont 2 objectifs : s’assurer que le lieu de carottage répond aux objectifs scientifiques fixés ; établir un état initial du sédiment qui permettra de vérifier, à terre, que la carotte n’a pas subi d’altération. A l’issue de la mission, les carottes seront analysées en laboratoire.

• Les carottiers à vibration ou vibrocarottier.

Le vibrocarottier utilise, comme son nom l’indique, la vibration afin de faciliter la pénétration du sol. Aidé par la gravité et parfois par un piston, il est en mesure de pénétrer les sols beaucoup plus denses.

Les dragues

La drague à roches est utilisée pour le prélèvement des affleurements rocheux tels que les basaltes des dorsales océaniques ou les socles d’origine continentale. Elle est constituée d’une ouverture équipée de « dents » permettant d’accrocher l’engin sur le fond, et d’une cotte de mailles recouverte d’une « peau » afin de conserver le matériel arraché au fond. Quatre câbles la relient à un lest disposé à environ 150 m en avant, de manière à faire travailler la drague horizontalement.

Le dragage s’effectue à l’arrière du navire. L’enregistrement tensiométrique du câble du treuil permet de détecter les « croches » de la drague sur le fond, ainsi que le poids de matériel récolté. La drague est ensuite vidée sur le pont du navire. Un premier tri des roches est effectué avant leur conditionnement et leur étude plus approfondie à terre.

La drague « Sanders »*, montée sur des skis, est utilisée plus rarement, particulièrement pour les prélèvements d’objets « durs » posés sur le fond, tels par exemple les nodules polymétalliques.

Etudier la dynamique des fonds marins

Les pénétromètres

Le pénétromètre Penfeld, conçu par Ifremer, est un appareil de mesures géotechniques. Posé sur le fond, il effectue des mesures à l’aide d’une pointe instrumentée dans le sédiment. Il est conçu pour travailler jusqu’à une profondeur d’eau maximale de 6 000 mètres. Il est doté d’une tige qui s’enfonce dans le sédiment sur une profondeur de 30 mètres. L’appareil est relié au navire par un câble porteur. Il mesure les propriétés mécaniques du sol, par exemple la stabilité des pentes.

Ces informations peuvent intéresser les groupes pétroliers dans le cadre de forages en grande profondeur.

Les flûtes sismiques

Pour détecter la structure profonde des sous-sols sous-marins, les océanographes, en complément des sonars et des sondeurs peuvent recourir à la sismique*. Cette technique permet d’enregistrer les ondes réfléchies par les différentes couches du sous-sol jusqu’à 30 kilomètres. Deux méthodes sont employées : la sismique réflexion et la sismique réfraction.

Les équipements nécessaires à la mesure sismique sont de trois types :

• les émetteurs (ou sources) qui émettent une onde acoustique dont on connaît les caractéristiques (fréquences, durée, amplitude du signal) dans le milieu liquide.
• les récepteurs qui convertissent l’onde acoustique en tension électrique. En sismique, on utilise deux types de récepteurs : les hydrophones piézo-électriques et les géophones, ou sismomètres. En sismique réflexion, pour capter le signal acoustique, on utilisera principalement une flûte sismique, longue perche parsemée d’hydrophones, dont les dimensions peuvent atteindre plusieurs kilomètres, et qui est remorquée derrière le navire pour détecter des signaux sismiques. En sismique réfraction, on utilisera plutôt des stations posées sur le fond, de type OBS (Ocean Bottom Seismometer).
• les systèmes d’acquisition qui transforment l’information électrique en un enregistrement calibré, daté, ordonné, parfaitement identifié et stocké sur un support d’archivage.

Mesurer la circulation océanique

Pour mesurer la circulation océanique*, peuvent être employés des flotteurs de surface ou de subsurface qui sont des engins plus ou moins autonomes censés suivre les mouvements de l’eau à leur profondeur d’immersion.

Les courantomètres mesurent la direction et la vitesse des courants océaniques. Il existe de nombreux types de courantomètres : des courantomètres équipés d’un compas et d’une hélice, des courantomètres acoustiques, des courantomètres dérivants, des courantomètres mécaniques montés sur des lignes de mouillage au point fixe…

Les scientifiques peuvent aussi calculer les courants à partir du calcul de la densité des masses d’eau, issue des mesures de température et salinité. Ces mesures peuvent être effectuées par des sondes connectées à un câble électroporteur, déployées à partir des navires océanographiques obligés de se mettre en station le temps de la mesure.

Le courantomètre acoustique profileur ou ADCP, peut mesurer et enregistrer les courants jusqu’à 1 distance de 600 mètres de l’instrument. Il utilise l’effet Doppler. Les ondes sonores sont réfléchies par des objets flottants entre deux eaux.

Ils peuvent être fixés sous la coque d’un navire en mouvement ou installé sur une sonde CTD. Des objets suspendus dans la colonne d’eau réfléchissent les impulsions sonores émises par les ACDP. Lorsque le signal réfléchi revient, l’ADCP se transforme d’émetteur en récepteur.

Suivant le temps de trajet entre l’émission et la réception, une information concernant la direction du courant et sa vitesse peut être obtenue à différents niveaux de la colonne d’eau. En employant les vitesses observées des différentes couches, des profiles verticaux peuvent être mesurés. Ils auraient autrement exigé un nombre considérable de courantomètres classiques.

Le flotteur Provor est un instrument autonome de subsurface qui mesure la température et la salinité au cœur des océans. Le flotteur est programmé à l’avance et déployé à partir d’un navire. Il enchaîne alors des cycles de dix jours, pendant plusieurs années, jusqu’à épuisement de son énergie.

Chaque cycle se décompose en deux temps : une descente vers l’immersion de consigne à 1 000 mètres, puis une dérive au gré des courants jusqu’à l’immersion de début de profil à 2 000 mètres.

Il entame ensuite sa remontée vers la surface en réalisant ses mesures. Une fois émergé, il transmet ses données aux satellites défilants Argos, qui les transmettent aux stations au sol afin qu’elles soient traitées puis repart pour un nouveau cycle.

Fin 2007, le réseau Argo d’observation global de l’océan a franchi le cap des 3 000 flotteurs répartis dans tous les océans du monde. Pour la première fois dans l’histoire de l’océanographie, un réseau global d’observation des océans in situ est mis en place. C’est le complément indispensable des mesures satellitaires permettant de suivre, comprendre et prévoir le rôle de l’océan sur le climat de la planète.

En mesurant la température et la salinité, en continu de la surface à 2 000 mètres de profondeur, Argo a ouvert de nouvelles perspectives pour les prévisions saisonnières, l’étude des ouragans ou encore le suivi de la hausse du niveau de la mer liée au réchauffement global.

Les données Argo sont essentielles au suivi et à la prévision de l’océan et des mers européennes, et aux actions qui se mettent en place dans le cadre du Programme européen GMES (Global Monitoring for Environnement and Security / Surveillance mondiale pour la gestion de l’environnement et la sécurité des personnes et des biens) et de sa composante française Mercator Océan.

Pérenniser le dispositif constitue le prochain défi d’Argo afin d’établir un véritable système de surveillance à long terme de l’océan.

Les mouillages sont des câbles mesurant jusqu’à 5 km de long, d’une épaisseur inférieure à 6 mm, fixés au fond grâce à un gros lest. Ces câbles sont maintenus verticalement dans l’eau par des flotteurs. Ils sont équipés d’instruments qui peuvent fonctionner en autonomie pendant 1 à 2 ans.

Parmi les instruments mis en place sur les mouillages, on peut citer :

• les microcats qui mesurent la température et la salinité. Ils permettent d’identifier les différents types d’eau qui se sont formées dans différentes régions géographiques. Ces 2 paramètres ont un impact important sur la circulation des courants océaniques. De leur valeur à différentes positions, il est possible de calculer les courants océaniques ;
• le courantomètre afin d’observer le courant autour du mouillage à des profondeurs précises
• Les instruments de Tomographie qui transmettent des ondes horizontalement entre les mouillages pour mesurer la température sur des centaines de kilomètres ;
• l’échosondeur-inversé (PIES) couplé avec des capteurs de pression fixés au fond de l’océan, afin de mesurer la hauteur de la surface de la mer et le poids de l’eau ;
• le largueur acoustique pour larguer le lest du mouillage via une commande acoustique afin de récupérer celle-ci après 1 à 2 ans.

Habituellement, les données sont stockées par chaque instrument sur des mémoires et disques internes, et elles sont récupérées une fois le mouillage remonté. Mais depuis peu, une partie des données est transmise une fois par jour par satellite.

Les bouées dérivantes sont équipées d’un système de positionnement par satellite. On déduit de leurs mouvements la vitesse et la direction du courant ; elles peuvent aussi mesurer d’autres paramètres (température de l’eau et de l’air, pression atmosphérique…).

Les gliders sont des mini sous-marins téléguidés qui remontent en surface et communiquent avec un opérateur par satellite afin d’envoyer en temps réel les données acquises.

À l’origine, ces engins ont été conçus pour enregistrer des paramètres typiquement physiques et chimiques comme la température et la salinité de l’eau. Équipé de capteurs optiques qui enregistrent la fluorescence de la chlorophylle du phytoplancton ou des matières dissoutes, la concentration des particules en suspension dans l’eau ou encore la concentration en oxygène.

Ces mesures permettent notamment d’identifier les zones privilégiées de l’océan où la photosynthèse par le phytoplancton est accrue et qui contribuent ainsi d’une certaine manière à la séquestration de dioxyde de carbone. Il peut également être utilisé pour étudier la circulation océanique.

Filmer et photographier les fonds sous-marins

Les sous-marins habités comme le Nautile ou le robot sous-marin (ROV) Victor 6000 sont dotés d’équipements de prise de vue par caméras vidéo et photo.

Cependant, les images vidéo sous-marines sont prises en deux dimensions. Or, l’être humain voit et comprend en trois dimensions. Les images en 2D ramenées du fond perdent donc de précieuses informations, comme le relief ou la taille et la distance entre les objets. D’où l’idée de développer un système de stéréovidéographie qui simule la vision de nos yeux.

Dans le cadre de la campagne Momareto qui s’est déroulée en août 2006, deux caméras, espacées de quelques centimètres, ont été fixées sur Victor 6000 : elles convergent vers le même point et prennent des images simultanées. Un traitement mathématique complexe permet de fusionner ces images et de reconstruire des cartes en 3 dimensions.

Prélever et manipuler des organismes vivants

En océanographie biologique, divers instruments de prélèvement des organismes sont utilisés suivant la taille des animaux : dragues, filets à mailles plus ou moins serrées, pinces au bout des bras manipulateurs des sous-marins ou engins téléguidés. Les caractéristiques de leur milieu de vie (pression, température…) doivent être prises en compte si l’on veut remonter les animaux vivants.

Les filets à plancton sont faits d’un cône de tissu de nylon dont les dimensions et la maille sont définies en fonction du type de plancton à récolter. L’extrémité de ce cône est équipée d’un collecteur qui recueille les particules et les organismes vivants. L’ouverture du filet varie de quelques décimètres à environ deux mètres, tandis que la longueur est comprise entre 1 et 10 mètres.

Après la pêche, la collecte doit être transférée rapidement dans un bocal puis acheminée au laboratoire. Le filet peut être associé ou non à des capteurs physico-chimiques (enregistrant la pression, vitesse, température…).

Tracté par un bateau, le filet permet de collecter les organismes dans une couche d’eau selon un trait horizontal. Largué en un point et remonté verticalement, il fournit des données sur la répartition verticale des espèces dans la colonne d’eau.

Periscop : une enceinte de récolte sous pression.

Conçue par Bruce Shillito, Enseignant-Chercheur, spécialisé en océanographie biologique, (Université Pierre et Marie Curie, Équipe « Adaptations aux Milieux Extrêmes » (AMEX)) et Gérard Hamel, ingénieur de recherche en physique spécialisé dans les hautes pressions (Université Pierre et Marie Curie, Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés), Periscop signifie « Projet d’Enceinte de Récupération Isobare Servant à la Collecte d’Organismes Profonds ».

Ce prototype a été développé en 2006 et permet de conserver la pression durant la remontée de la faune. En effet, la faune qui vit dans les écosystèmes océaniques profonds est soumise à une pression hydrostatique qui équivaut à 1 bar tous les 10 mètres (1 bar = 1 kg/cm2).

Quand ils remontent de 2 000 mètres de profondeur, les organismes subissent une décompression de plus de 200 bars, qui leur est souvent fatale. L’effet de cette décompression nuit à notre compréhension de leur comportement et de leur physiologie dans leur milieu naturel. C’est pourquoi plusieurs équipes développent des aquariums qui permettent la recompression des organismes une fois à la surface.

Les organismes sont prélevés dans un petit cylindre de 10 centimètres de diamètre, connecté à l’embout de l’aspirateur à faune du robot sous-marin Victor 6000. Ce cylindre a été tendrement surnommé « Periscopette » ! Celui-ci est alors insérée dans Periscop, une enceinte en inox conçue pour conserver la pression intérieure jusqu’à 300 bars. Victor 6000 ferme alors cette enceinte avec une vanne à boisseau sphérique. L’ascenseur transporte alors Periscop vers la surface.

Le respiromètre est une structure autonome qui permet de mesurer le métabolisme respiratoire des petits organismes (quelques millimètres) vivant sur/ou dans le sédiment jusqu’à une profondeur de 6000 m.

La chambre benthique est déployée sur le fond. Le principe consiste à isoler un certain volume d’eau et de sédiment et de suivre l’évolution des paramètres chimiques (exemple : oxygène, dioxyde de carbone, sels nutritifs) que l’on veut mesurer en fonction du temps. Par déduction, l’abondance de la faune peut en être évaluée.

Les biocapteurs sont conçus pour détecter spécifiquement une espèce marine (micro-organismes) ou une molécule cible (toxines, polluants…). Des programmes de recherche sont en cours afin de mettre au point des biocapteurs capables de détecter par exemple de l’algue toxique Alexandrium minutum dont les toxines peuvent être mortelles pour l’homme et qui rendent les coquillages impropres à la consommation.

Les engins aériens ont aussi été utilisés relativement tôt pour observer la surface de l’océan : ballons et dirigeables, puis avions et hélicoptères et enfin les satellites d’observation depuis l’espace. Grâce à leurs capteurs embarqués, ils permettent d’observer la totalité de l’océan de façon presque instantanée mais ne concernent que la surface (température des eaux de surface, hauteur et direction des vagues, niveau de la mer…).

Les engins habités

Dans un premier temps, les hommes vont concevoir des sous-marins habités afin de tenter de descendre le plus profond possible ; une véritable course aux records sera lancée ! Ce n’est que par la suite que ces sous-marins habités serviront aux explorations scientifiques et aux prélèvements spécifiques dans les grands fonds…

Bathysphère

À la fin des années 1920, William Beebe et Otis Barton, deux scientifiques et explorateurs américains, conçoivent la bathysphère. C’est une sphère d’acier suspendue au bout d’un câble, munie de hublots et de projecteurs. Ils atteignent en 1934 la profondeur de 908 mètres.

Bathyscaphes

Auguste Piccard (1884-1962), inventeur suisse, imagine dans les années 1940 le bathyscaphe, sorte de dirigeable sous-marin doté d’une sphère d’acier où trois passagers peuvent rester à l’abri de la pression.

En 1948, au large de Dakar, le bathyscaphe FNRS II effectue une plongée sans passagers à la profondeur de 1380 mètres. En 1954, le FNRS III (Marine nationale française) atteint 4050 mètres de profondeur. Le Trieste, coréalisé par Auguste et Jacques Piccard, fils de l’inventeur, est d’abord italien ; l’engin est ensuite racheté par la Marine américaine, et atteint en 1960 le record de plongée de 10 916 mètres dans la fosse des Mariannes (Pacifique). Archimède, bathyscaphe français successeur du FNRS III, atteint 9 500 mètres en 1962 dans la fosse des Kouriles (Japon).

Sous-marins habités (en anglais les HOV : Human Occupied Vehicle)

Les progrès technologiques amènent à concevoir des submersibles habités plus maniables, plus mobiles et facilement transportables par les navires océanographiques. On ne vise donc plus les records de profondeur mais la polyvalence et la mobilité jusqu’à moins 3 000 mètres. Désormais les sous-marins ne sont donc plus de simples ascenseurs vers les abysses : ils se font moyens d’exploration, de récolte, de mesure, et très vite, d’expérimentation.

En 1958, les ingénieurs de l’OFRS (Office français de Recherche Sous-marines), à la demande de Jacques-Yves Cousteau, mettent au point la SP 350 pour « Soucoupe Plongeante à 350 mètres » (surnommée « Denise » – le prénom de la femme d’un des ingénieurs Jean Mollard). L’engin est prévu pour 2 personnes. Elle sera suivie en 1967 des SP 500, deux submersibles d’exploration les « puces de mer » de 1 mètre sur 2 et de 2 tonnes.

En 1964, est mis en service le sous-marin américain Alvin qui peut plonger à 4 500 mètres avec 3 personnes à son bord. Alvin devrait être prochainement remplacé par un sous-marin capable de descendre à 6 500 mètres.

Après près de 200 plongées, le bathyscaphe français Archimède termine sa carrière en 1974 avec la mission scientifique franco-américaine FAMOUS alors que la soucoupe plongeante Cyana (ex-SP 3000) débute la sienne. Cyana descend à 3 000 mètres de profondeur avec une équipe de 3 personnes. Elle a été désarmée en 2003.

Dans les années 1980, une nouvelle génération de sous-marins permettent de plonger jusqu’à 6 000 mètres : le Nautile (France), le Sea Cliff (Etats-Unis), Mir 1 et Mir 2 (URSS), le Shinkaï (Japon). On dénombre actuellement moins d’une vingtaine de sous-marins habités dans le monde.

Les engins non habités : les robots sous-marins

L’homme a conçu le robot sous-marin pour effectuer des travaux routiniers ou pour accéder à des zones dangereuses. Ces robots, capables d’intervenir jusqu’à 11 000 mètres sont utilisés par des organismes scientifiques ou par des industries offshores dans le cadre de missions tels que l’étude des fonds marins, l’exploration d’épaves ou les travaux sous-marins…. Il existe 3 types de robots : les engins remorqués, les robots reliés par câble au bateau (ROV) et les engins autonomes (AUV). En France, on peut citer Scampi (robot remorqué), Victor 6000 (ROV) ou AsterX (AUV).

Les engins sous-marins remorqués

Le Scampi (Système de CAméras Ponctuel Interactif) est un poisson remorqué destiné à la prise de vues photo et vidéo des fonds marins, il est conçu pour opérer jusqu’à 6 000 m de profondeur. Son autonomie est supérieure à 10 heures. La liaison du Scampi au navire support est réalisée par un câble coaxial armé qui transmet en temps réel l’image vidéo du fond, les commandes de l’opérateur et certaines données, dont l’altitude de l’engin au-dessus du fond.

Les robots sous-marins téléopérés ou téléguidés (ROV)

Les ROV (Remotely Operated Vehicle) sont des robots submersibles téléguidés par le pilote d’un sous-marin ou depuis la salle de contrôle d’un navire. Ils sont reliés au navire par un câble, nommé ombilical, même s’ils possèdent leurs propres moyens de propulsion. L’Ifremer (Institut français pour l’exploitation de la mer) utilise ainsi le Victor 6 000. Doté de caméras et projecteurs, il peut intervenir jusqu’à 6 000 mètres de profondeur, permettant, entre autres, de réaliser des prélèvements et opérations grâce à ses deux bras manipulateurs.

Les robots sous-marins autonomes (AUV)

Les AUV (Autonomous Underwater Vehicle) sont des robots submersibles autonomes fonctionnant sans être commandés à distance. La dernière génération de ces engins possède une intelligence artificielle.

L’engin, connaissant sa position et naviguant vers un objectif, est préprogrammé et donc complètement autonome pendant la mission. Les opérateurs n’interviennent pas. Mais en réalité la plupart ne sont pas complètement autonomes et sont plutôt des UVV (« untethered underwater vehicle » ; « untethered » : « non attaché » en français).

Un UVV fonctionne comme l’AUV mais n’est pas capable de réfléchir seul, il existe un lien acoustique entre la surface et l’engin qui permet l’échange et la vérification de données.

En cas d’urgence, l’opérateur en surface peut diriger l’AUV. En résumé, on peut :

• les utiliser de manière complètement autonome
• en exerçant un contrôle depuis la surface
• en les guidant entièrement

Quelques principes d’océanographie

Les domaines d’études qui composent l’océanographie sont multiples et variés, et ont chacun leur spécificité. Des spécialistes dans chaque discipline sont nécessaires pour faire progresser les connaissances, même si les différentes branches de l’océanographie sont souvent amenées à travailler ensemble pour comprendre des organisations complexes. Par exemple, en ce qui concerne les sources hydrothermales, des approches géologique, chimique et biologique peuvent être nécessaires.

Après une définition de chaque discipline, nous en donnerons quelques principes de base.

Nous présenterons ainsi l’océanographie biologique, l’océanographie chimique et physique, les géosciences marines, l’océanographie appliquée, l’océanographie spatiale, l’océanographie opérationnelle.

Océanographie biologique

L’océanographie biologique étudie les relations entre les communautés d’organismes et les facteurs physiques et chimiques du milieu environnant. Elle prend en compte des niveaux d’organisation supra-individuels ; c’est-à-dire non pas les comportements de chaque individu mais l’organisation des milieux et organismes qui y vivent. Ces groupes d’êtres vivants et leur milieu de vie sont nommés populations, communautés, écosystèmes*, ou encore biosphères…

On parle alors d’une approche biogéochimique qui permet d’accéder à des modélisations* couplées entre phénomènes physiques, chimiques et biologiques. La physique et la chimie de l’eau de mer sont donc aussi importantes dans cette discipline.

La chaîne alimentaire océanique simplifiée

Des milliers d’espèces marines cohabitent dans les océans en vivant de phytoplancton marin (micro-organismes végétaux) et/ou en se nourrissant les uns des autres.

• Maillon 1 : à la base, la végétation réalise la fonction chlorophyllienne et produit de la matière vivante. Ce premier maillon est le phytoplancton constitué de producteurs primaires présents dans la couche superficielle éclairée de l’océan. C’est ce que les scientifiques appellent la production primaire.

Le phytoplancton est mangé par le zooplancton.

• Maillon 2 : Animaux phytophages (qui se nourrissent de matière végétale) appelés zooplancton (animaux microscopiques, larves, crustacés)

Le zooplancton est mangé par le necton.

• Maillon 3 : Le necton (maillon 3) se nourrit de l’ensemble du plancton (phytoplancton-maillon 1 et zooplancton-maillon 2). Il est composé de petits carnivores.

Le necton est mangé par les grands carnivores.

• Maillon 4 : Les grands carnivores qui se nourrissent des autres carnivores plus petits. C’est sur ce 4e maillon que les hommes exercent leur prédation.

Les détritus ou cadavres des animaux marins sont soumis à l’action bactérienne qui les transforme à nouveau en gaz carbonique et en sels minéraux nutritifs. Le cycle recommence alors…

La fonction chlorophyllienne

Les organismes végétaux se reproduisent à partir d’une souche et se développent par photosynthèse* des matières minérales contenues dans l’eau. La nourriture animale ne peut pas entretenir la vie à elle seule, sans nourriture végétale les espèces animales disparaîtraient rapidement.

Les végétaux marins et le phytoplancton (micro-organismes végétaux) constituent le principal fourrage des animaux marins. Le gaz carbonique et les sels minéraux nutritifs contenus dans la mer (provenant du fond de la mer, de la croûte terrestre et des détritus d’animaux marins tombés au fond) produisent par photosynthèse* des végétaux.

La photosynthèse est la synthèse de la matière organique réalisée par les plantes à partir de composés inorganiques (dioxyde de carbone et eau). Cette synthèse se fait en utilisant la lumière solaire : l’énergie solaire est ainsi transformée en énergie de liaison dans la molécule organique.

La chlorophylle* est un composé chimique existant dans les plantes et permettant la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique lors de la photosynthèse.

Au cours de la photosynthèse, l’assimilation de l’énergie lumineuse, puis son transfert qui aboutit à la réduction de la molécule de dioxyde de carbone (CO₂) en sucre met en œuvre des processus compliqués dans lesquels la chlorophylle* (molécule présente dans les plantes) joue un rôle capital.

Cette énergie ainsi stockée sous forme de liaison chimique sera restituée lors de la destruction de cette molécule, que ce soit lors de la respiration (de la plante ou l’animal), ou lors de la décomposition de la matière organique, à la mort de la plante ou de l’animal, par les bactéries.

Dans les profondeurs, le cumul des contraintes telles que l’absence progressive de lumière solaire, la baisse de la température, l’augmentation de la pression, diminue la biomasse*. Celle-ci est donc répartie de manière hétérogène dans les océans. Dans les profondeurs, le plancton est uniquement animal, on trouve aussi des petits organismes (bactéries, vers, mollusques, crustacés) et des grands poissons. La chaîne alimentaire n’est plus la même puisqu’il n’y a plus de lumière et donc plus de photosynthèse.

Les différentes zones de l’océan et leurs écosystèmes propres

On distingue le domaine pélagique où vit le pelagos, c’est-à-dire les végétaux et animaux vivant en pleine eau ; et le domaine benthique où vit le benthos, végétaux et animaux vivant près du fond, sur le fond ou dans le sédiment. La province néritique désigne les eaux qui baignent le plateau continental et la province océanique, les eaux au-delà des eaux continentales.

Les communautés littorales et de surface

C’est souvent là que la vie est la plus importante et la plus riche. Ces êtres vivants entretiennent aussi des relations de prédation avec la biosphère* atmosphérique (oiseaux, insectes) et la biosphère continentale (prédateurs terrestres, otaries, phoques…).

Les eaux intermédiaires

Ce sont les eaux qui ne sont ni en surface, ni au fond. On y voit des peuplements d’animaux répartis suivants plusieurs zones comme des étages, que les scientifiques nomment faciès. Les scientifiques ne s’accordent pas tous sur la répartition de ces faciès. Il y existe des migrations verticales d’animaux.

La vie abyssale

On a longtemps cru que la vie dans les abysses était impossible à cause de l’obscurité, de la forte pression et de la température décroissante de l’eau. Le métabolisme des êtres vivants en grande profondeur est adapté à ces conditions extrêmes.

Nous retiendrons l’étagement des espèces proposé par Patrick Geistdoerfer, directeur de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique).

Il précise ainsi les grandes divisions biologiques du domaine marin, relatives aux profondeurs où les animaux vivent (© Océanographie générale / Patrick Geistdoerfer. – Rennes : Infomer, 2002. – Bibliothèque de l’Institut français d’aide à la formation professionnelle maritime) :

• Le système littoral, au niveau du plateau continental (de 0 à 200 mètres).
• Le système bahtyal, au niveau du talus continental, de 200 mètres jusqu’à 3 000 – 4 000 mètres, comprenant une partie des dorsales océaniques.
• Le système abyssal : les plaines abyssales de 3 000 à 7 000 mètres.
• Le système hadal : au-delà des plaines abyssales (jusqu’à 11 000 mètres de profondeur dans les fosses océaniques).

Le pelagos est lui aussi divisé en espèces vivant à différentes profondeurs :

• Les espèces épipélagiques : jusqu’à 100 mètres
• Les espèces mésopélagiques : entre 100 et 1 000 mètres
• Les espèces bathypélagiques : entre 1 000 et 4 000 mètres
• Les espèces abyssopélagiques : entre 4 000 et 6 000 mètres
• Les espèces hadopélagiques : au-delà de 6 000 mètres

Un cas particulier : la vie près des sources hydrothermales :

Auprès des oasis sous-marines (ou sources hydrothermales, fumeurs noirs), découvertes en 1977, se développe un écosystème unique très riche.

Fumeur noir © Creative Commons

© The Stephen Low Company

Des vers, anémones, crabes, crevettes, moules vivent autour de ces sources chaudes (à des températures de 150 à 300 C°). L’eau de mer s’infiltre dans les fissures des rifts* où elle est réchauffée avant de rejaillir dans des cheminées. On y trouve des organismes extrémophiles*.

Leurs conditions de vie normales sont mortelles pour la plupart des autres organismes : températures proches ou supérieures à 100°C (hyperthermophiles) ou inférieures à 0°C (psychrophiles), pressions exceptionnelles (grands fonds marins), milieux très chargés en sel (halophiles), milieux acides ou alcalins, milieux radioactifs et pauvres en oxygène…

Les thermophiles se nourrissent de produits chimiques issus des sources hydrothermales ; ils sont ensuite mangés par les crevettes et vers géants qui vivent à proximité et se dévorent aussi entre eux… La lumière du soleil n’intervient pas.

Beaucoup d’extrémophiles appartiennent au groupe des Archaea* ou des bactéries, mais il existe aussi ce qu’on appelle des extrémophiles eucaryotes unicellulaires et métazoaires qui peuvent être des insectes, crustacés, poissons…

Océanographie chimique et physique

La chimie marine s’intéresse à la composition de l’eau : salinité, sels nutritifs, éléments polluants… La biogéochimie (discipline qui fait intervenir l’océanographie biologique, chimique et la géophysique) étudie les cycles de la matière vivante : carbone, azote, phosphore… La physique marine étudie les caractéristiques physico-chimiques qui permettent de reconnaître une masse d’eau (température, salinité, pression, densité) et la dynamique des fluides : leurs mouvements suivant les vents, la force de Coriolis*…

Expérience pour observer le changement d’état des bulles © Pacific Ring of Fire 2004 Expedition. NOAA Office of Ocean Exploration ; Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist

Bulles de sulfure éparpillées sur le fond marin près de la fosse de Brimstone (Pacifique) © Pacific Ring of Fire 2004 Expedition. NOAA Office of Ocean Exploration ; Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Chief Scientist

Expérience pour observer le changement d’état des bulles collectées sur le site de « Champagne vent » (Pacifique), pendant l’expédition américaine Pacific Ring of Fire. L’hydrate de dioxyde de carbone solide et l’eau prélevés sur le fond à 300 mètres de profondeur sont convertis en dioxyde de carbone gazeux et en eau liquide, à cause de la diminution de la pression due à la remontée du sous-marin.

Propriétés chimiques de l’eau de mer

Définie initialement comme la quantité de sels dissous dans un volume d’eau de mer, la salinité est un paramètre aussi important en océanographie physique (il marque les masses d’eau) que biologique (espèces sténohalines* et euryhalines*) et chimique (le comportement des espèces chimiques varie avec la salinité, le degré d’oxydation, précipitation, etc…). La valeur moyenne de salinité admise pour les océans est 3,5 % en poids.

Depuis les années 1970, la découverte des sources hydrothermales profondes a permis de mieux comprendre la présence d’éléments volatils comme les halogènes, l’azote et le soufre dans les océans. En effet les conditions particulières de température et de pression favorisent la dissolution de certains éléments.

Un peu de théorie sur la physique de l’océan

La circulation océanique*

Différents facteurs engendrent un déplacement perpétuel de l’eau des océans : la rotation de la Terre, le vent, la chaleur du soleil, l’attraction de la Lune. Leur influence combinée crée divers mouvements influencés par la stratification* du fluide et l’existence de frontières méridiennes*: les vagues et les marées, les tourbillons, les courants de surface, les courants profonds.

Pour étudier la circulation océanique, les océanographes utilisent différentes méthodes. Des éléments chimiques peuvent servir de traceurs de la circulation profonde et comme marqueurs des masses d’eau : la température, la salinité, la teneur en oxygène.

Le Carbone 14* est un traceur radioactif qui permet d’étudier la circulation profonde. Sa désintégration radioactive peut servir pour chronométrer la circulation océanique, il a aussi permis la datation des eaux profondes. D’autres traceurs peuvent être utiles tels que les produits de l’activité humaine qui se répandent dans l’environnement : le tritium et les chlorofluorocarbures (ou fréons).

La température des océans

C’est le résultat de facteurs antagonistes que sont l’échauffement et le refroidissement des eaux en fonction des radiations solaires, de la convection* à partir de l’atmosphère, de la condensation de la vapeur d’eau.

Ces éléments amènent à un état d’équilibre mais le rayonnement solaire n’est pas le même en tous points du globe et à tout moment de l’année. Si on établit un bilan radiatif (des rayonnements) arrivant et quittant le globe terrestre, on s’aperçoit que c’est grâce à l’océan que l’équilibre est atteint.

De plus la circulation des eaux océaniques, en surface, est souvent liée aux phénomènes météorologiques (vents, différences de pression.). Les mouvements en profondeur sont liés à la densité des eaux, celle-ci résultant des échanges entre l’océan et l’atmosphère. L’océan et l’atmosphère forment donc un système couplé. L’étude de ce couplage est parfois appelée l’océano-météorologie.

La densité des eaux de mer

C’est, en physique pure, le rapport de la masse d’un volume d’une substance à la masse du même volume d’eau distillée à 4°C et à pression atmosphérique* normale (1013 hectoPascals*).

Les eaux de mer se répartissent verticalement en fonction de leurs densités respectives, des moins denses en surface vers les plus denses au fond.

La densité des eaux de mer dépend de leur température et de leur salinité. Plus une eau est froide et salée plus elle est dense. Or ces deux facteurs dépendent des échanges entre l’océan et l’atmosphère en surface. Quand il fait chaud, la température de l’eau augmente, elle devient donc moins dense, mais il se produit aussi une intense évaporation, donc elle devient plus salée et plus dense.

C’est un équilibre entre deux actions contradictoires qui va déterminer la densité de l’eau et donc les mouvements verticaux qui lui permettent de se placer à la profondeur qui lui correspond.

Les propriétés optiques de l’eau de mer

La lumière est un rayonnement électromagnétique qui peut traverser le vide à la vitesse de 299 792 458 mètres par seconde. Dans l’eau de mer sa vitesse diminue environ d’1/3. Quand la lumière se propage à travers une colonne d’eau, son intensité décroît exponentiellement* depuis la source.

Cette atténuation a deux causes essentielles :

• L’absorption : c’est la transformation de l’énergie rayonnante en une autre forme d’énergie, en chaleur, pour la plus grande partie, ou en énergie chimique.

L’absorption peut être due à :

– l’eau elle-même (les rayons infrarouges* sont très vite absorbés par l’eau ; dans les premières dizaines de centimètres sous la surface océanique)

– aux composés organiques dissous

– aux particules organiques ou minérales en suspension

– aux algues qui transforment l’énergie lumineuse en énergie (bio)chimique* par les processus de photosynthèse*.

Remarque : celle-ci constitue une très faible part des phénomènes d’absorption, évaluée à environ 0,1% de l’énergie solaire absorbée par les océans.

• La diffusion : c’est surtout la diffusion particulaire qui va dominer, c’est-à-dire que les particules en suspension dans l’eau de mer et les molécules d’eau diffusent un rayon de lumière et forment ensemble comme un faisceau lumineux ; en réalité, l’ensemble des particules éclairées.

L’atténuation de la lumière est donc liée pour une grande part à la teneur en matières en suspension et donc à la turbidité* de l’eau de mer.

Les eaux littorales ont tendance à être plus turbides que les eaux océaniques du large (remises en suspension, apports estuariens…etc.). Les eaux claires sont donc aussi des eaux pauvres en éléments nutritifs (provenant de la décomposition de la matière organique ou des apports de la côte), elles auront donc une faible productivité biologique.

L’absorption varie avec les longueurs d’onde et après quelques dizaines de mètres, seuls les bleus continuent à se propager, la lumière devient quasi monochromatique (une seule couleur).

La couleur de la mer va du bleu au vert : elle est davantage bleue lorsqu’il y a peu de production biologique (et donc moins de chlorophylle, responsable de la couleur verte) comme dans les mers tropicales et équatoriales où l’on rencontre parfois un bleu indigo ; le long des côtes, les eaux sont généralement verdâtres ; dans les régions polaires, la mer est quasiment verte.

Au-delà de 1 000 mètres environ, la lumière du jour n’est plus perceptible, les seules sources de lumière sont alors liées au phénomène de bioluminescence*.

Les propriétés acoustiques des eaux de mer

Tous les sons proviennent d’une vibration (exemple la vibration de la membrane d’un haut-parleur). Quand le son se déplace, la pression engendrée par la vibration augmente et diminue de manière sinusoïdale*.

Les longueurs d’onde de l’énergie acoustique s’échelonnent dans l’océan entre 50 mètres et 1 millimètre. Si l’on considère la vitesse de propagation du son dans l’eau de mer comme approximativement 1 500 mètres par seconde, cela conduit à des fréquences de 30 Hz à 1,5 Mhz (1 méga Hertz = 106 Hertz).

Le son se propage bien mieux dans l’eau que dans l’air, c’est donc un moyen de communication privilégié pour les espèces sous-marines. L’homme a su exploiter cette caractéristique pour explorer l’océan et ses ressources.

Géosciences marines

Les géosciences marines sont la géologie* et la géophysique* marines.

La géologie marine étudie les fonds océaniques, leur morphologie, la nature des sédiments* qui les recouvrent, leur structure et les processus qui ont modelé leur formes présentes et passées.

La morphologie des fonds marins est composée de trois grands domaines : les marges continentales (actives, a ; passives, b) les bassins océaniques (c) et les dorsales océaniques (d).

Dans les bassins océaniques, on trouve aussi les grandes fosses (e) : elles atteignent les profondeurs les plus importantes, elles sont longues et étroites et se situent entre 4 000 et 6 000 mètres en dessous du bassin océanique. C’est-à-dire à une profondeur pouvant aller jusqu’à environ 10 000 mètres ! Elles sont peu nombreuses, on en compte une trentaine. La plupart se situent dans l’océan Pacifique. Par exemple, la très profonde fosse des Mariannes (en bordure de l’archipel des Mariannes, dans l’océan Pacifique) atteint 11 034 mètres de profondeur.

• Les marges continentales (a et b)

Ce sont les parties immergées des blocs continentaux, elles font la transition entre le continent et le plancher océanique. Elles représentent environ 20 % de la surface totale des océans. Ces marges s’étendent de la ligne de côte jusqu’à 2 000-3 000 mètres de profondeur. Il y a deux types de marges.

Les marges de type Atlantique sont stables (a, marges passives), c’est-à-dire qu’elles ne présentent pas d’activité sismique actuellement. Dans ce type de marges, le passage de la croûte continentale à la croûte océanique se fait au sein de la même plaque lithosphérique* et résulte de la déchirure d’un continent.

Les marges de type Pacifique sont actives (b), elles présentent une activité sismique*, tectonique* et volcanique. Elles sont créées par la déformation de la croûte terrestre résultant de la convergence de deux plaques lithosphériques.* On parle de zone de subduction, c’est-à-dire que la plaque océanique s’enfonce sous la plaque continentale.

Les marges sont elles-mêmes composées de trois zones : un plateau, une pente (ou talus) et un glacis* continental.

Le plateau continental est la zone qui prolonge le continent, de la zone intertidale* jusqu’à une profondeur moyenne de 200 mètres qui correspond à une rupture de pente. Les reliefs y sont peu marqués. Les sédiments présents sont d’origines variées mais essentiellement de provenance continentale. Les plateaux continentaux sont plus ou moins étendus : de quelques mètres à plusieurs centaines (10% de la surface de l’océan Atlantique).

La pente (ou talus continental), de faible largeur, s’étend de la rupture de pente (à environ 200 mètres de profondeur) jusqu’à 2 000/3 000 mètres de profondeur. La pente est importante, en moyenne de 3 à 10% d’inclinaison mais elle peut atteindre jusqu’à 40% ! Le relief y est très accidenté, on y trouve des falaises et des canyons.

Le glacis* continental dont l’inclinaison est inférieure à 1%, est recouvert par une couche de sédiments* qui provient du continent par des phénomènes d’érosion* ou d’un phénomène de drainage par les fleuves. Il se trouve au pied du talus, entre 2 000 et 4 000 mètres de profondeur. On y trouve aussi des sédiments d’origine océanique, ce sont les particules organiques issues des squelettes des animaux morts qui tombent sur le fond.

• Les bassins océaniques (c)

Au-delà des marges continentales, on trouve les bassins océaniques qui représentent environ 76% de la surface des océans. Ces bassins sont essentiellement les plaines abyssales situées entre 3 000 et 6 000 mètres de profondeur. On rencontre des plaines très plates ou bien parsemées de collines. Leur fond est la croûte océanique. En plus des collines, on trouve aussi de façon disséminée des seuils*, des monts sous-marins, et des montagnes (de 200 à 1 000 mètres au-dessus du fond marin).

• Les dorsales océaniques (d)

Les dorsales océaniques ont été découvertes au début du 20e et les rifts* en 1950. C’est le long des dorsales actives et sur les rifts*, que se trouvent les sources hydrothermales. La première a été découverte en février 1977 au cours d’une mission géologique du submersible américain Alvin.

Les dorsales océaniques s’étendent sur plus de 70 000 kilomètres. Elles constituent une chaîne de montagnes, aux reliefs accidentés, culminant à environ 2 000 mètres au-dessus du fond marin. Parfois elles émergent en surface comme en Islande.

Explication : Soumises à une forte différence de température entre la base du manteau inférieur (température moyenne d’environ 3000°C) d’une part et la transition asthénosphère- lithosphère (température moyenne d’environ 1330°C) d’autre part, les parties chaudes des roches du manteau, moins denses, auront tendance à s’élever, tandis que les parties froides, plus denses, auront tendance à s’enfoncer.

C’est grâce aux progrès de la technique que la connaissance de la structure des fonds marins a pu progresser (sondeurs*, submersibles, télédétection spatiale*, techniques de forage*, de dragage*).

Océanographie appliquée

Le terme d’océanographie appliquée (ou encore génie océanologique) désigne les méthodes et opérations scientifiques et techniques mises en œuvre en vue de la prospection, de l’exploitation économique ou de la protection des océans.

Depuis les années 1990, l’océanographie appliquée a évolué selon plusieurs critères : la nécessité de mieux connaître l’océan dont l’influence est déterminante sur les variabilités du climat, les budgets alloués à la recherche dans ce domaine qui varient selon les pays (recherches aussi au sein d’entreprises privées), le développement d’activités offshore (en mer profonde ; exploitation des gisements de gaz et de pétrole en mer, câbles sous-marins…).

L’océanographie appliquée intervient dans le domaine de la sécurité (évaluer les risques d’un forage en haute mer par exemple), dans le domaine de la réduction des coûts d’exploitation, de la prolongation de durée de service ou du démantèlement des appareils utilisés, de l’optimisation des techniques d’inspection, de maintenance et de réparation. Depuis des techniques ont émergé en ce qui concerne les biotechnologies, les matériaux avancés, les technologies informatiques.

Les biotechnologies visent à valoriser les ressources marines en les utilisant en thérapeutique, en cosmétique, en agro-alimentaire, dans le domaine des biocarburants… Exemples :

• Le laboratoire Ifremer « Physiologie et Biotechnologie des algues », est engagé dans le projet français « Shamash », réunissant 7 laboratoires et une PME, dont l’objectif est de cultiver des microalgues pour en extraire l’huile et fabriquer un biocarburant propre, non-concurrent des cultures alimentaires.
• Les vers marins intéressent la communauté scientifique. Morgane Rousselot (biochimiste au laboratoire « Écophysiologie : évolution et adaptation moléculaire » de Roscoff) a vérifié, pendant sa thèse, que leur hémoglobine était proche de celle de l’Homme et qu’elle pourrait devenir d’ici peu un substitut sanguin efficace.
• Les archéobactéries thermophiles prélevés au niveau de sources hydrothermales possèdent une membrane lipidique et une paroi cellulaire hors du commun. De quoi intéresser le milieu pharmaceutique et les sociétés spécialisée en cosmétologie.
• Les polysaccharides issus des microorganismes prélevés au niveau de sources hydrothermales intéressent également les organismes de recherche médicale.
  Ainsi, le Groupe Interdisciplinaire d’Etude de Nouvelles Stratégies Anti-Tumorales (GIENSAT) basé à Brest a pour mission de découvrir de nouveaux traitements du cancer à partir des produits d’origine marine. Il a développé l’utilisation des polysaccharides pour limiter les inconvénients de la chimiothérapie en aidant à mieux cibler l’action des médicaments sur les seules cellules malades.

Le secteur de l’informatique intervient en ce qui concerne la modélisation* des données, mais aussi dans le domaine de la robotique sous-marine.

Les acteurs de l’océanographie appliquée peuvent être des organismes, laboratoires publics ou bien des entreprises privées, comme la Comex, société d’ingénierie sous-marine française de renommée internationale par son activité pionnière pour le développement des industries sous-marines en milieu extrême (exploitation de pétrole offshore, etc…).

Pour en savoir plus sur la Comex et son fondateur, consultez le dossier Henri-Germain Delauze, un pionnier des grandes profondeurs.

Océanographie spatiale

L’océanographie spatiale désigne l’étude de l’océan par le biais de la télédétection spatiale* pour la compréhension de phénomènes géophysiques* de l’océan et de l’interface océan / atmosphère.

Dans les années 1970, c’est l’avènement de l’ère spatiale qui constitue une avancée technologique importante dans le domaine de la recherche océanographique. Elle permet d’avoir une vue d’ensemble de l’océan, dans sa globalité. Les régions polaires difficiles d’accès sont ainsi plus facilement observables.

Il existe différents satellites d’observation :

• les géostationnaires qui apportent des informations précises et régulières sur une seule région donnée< :li>
• les orbitaux qui suivent des orbites* plus basses et tournent donc plus vite que la Terre et peuvent couvrir toute la surface de celle-ci en quelques jours.

Des capteurs sont embarqués sur ces satellites :

• les radiomètres, capteurs passifs qui mesurent le rayonnement magnétique émis par l’atmosphère et la surface océanique et terrestre à différentes longueurs d’onde (permettent de mesurer la température de surface, l’abondance de la chlorophylle*, l’évolution de la couverture de glace),
• les radars, capteurs actifs qui produisent et émettent des ondes capables de traverser l’atmosphère (sans être trop perturbé par les nuages) et d’analyser les modifications apportées à ces ondes, après réflexion sur la surface (mesure des paramètres dynamiques de l’océan : niveau de la mer et topographie* de la surface, hauteur et direction des vagues).

La télédétection désigne la science et les techniques de détection à distance. Elle permet l’étude de la surface terrestre et des océans par analyse d’images provenant d’avions ou de satellites. On parle de télédétection aérospatiale.

La télédétection se base sur la mesure du rayonnement électromagnétique. L’électromagnétisme est une partie de la physique qui étudie les mouvements des charges électriques et les champs électriques et magnétiques créés par ces charges.

La télédétection permet donc de mesurer les rayonnements électromagnétiques émis ou réfléchis par les objets étudiés : par exemple en océanographie, la surface de l’océan. Ces rayonnements correspondent à différentes longueurs d’onde et sont plus ou moins intenses selon l’état de l’objet étudié.

Les ondes électromagnétiques sont, dans l’ordre décroissant des longueurs d’onde : les ondes hertziennes, les rayons infrarouges, les radiations visibles, les rayons ultraviolets, les rayons X, les rayons gamma ; les caractéristiques de propagation dans l’atmosphère du rayonnement électromagnétique doivent aussi être prises en compte.

La télédétection peut permettre de mesurer :

• la salinité ;
• dans le cadre d’études géophysiques*, l’évolution des glaces de mer (fonte, formation, dérive…) ;
• le vent et les vagues de surface ;
• la circulation océanique ;
• le suivi des tourbillons ;
• le niveau de la mer…
• La concentration en chlorophylle* peut aussi être repérée par satellite, elle permettra de connaître la quantité de phytoplancton présente.

En effet, le phytoplancton est composé de milliards de cellules microscopiques et ces cellules, possèdent des pigments dont la chlorophylle*, qui utilisent l’énergie solaire pour la synthèse de la matière organique (production primaire).

La présence du phytoplancton modifie donc les propriétés optiques de la lumière émise par la surface marine : plus il y a de chlorophylle*, plus la couleur de la surface est verte. Les satellites qui analysent cette lumière permettent de suivre l’évolution de la production de matière organique primaire.

En France, les données recueillies grâce à des satellites pour l’Ifremer (Institut français pour l’exploitation de la mer) sont archivées au CERSAT (Centre ERS d’Archivage et de Traitement). C’est le centre de traitement et de distribution de données spatiales de l’Ifremer, créé en 1991 pour les satellites ERS d’observation de la terre lancés par l’ESA (Agence Spatiale Européenne).

Océanographie opérationnelle

L’objectif de l’océanographie opérationnelle est de pouvoir décrire et prévoir l’état de l’océan à tout moment dans un endroit donné : état de la mer, température de l’eau, sens et force d’un courant…

Les analyses et prévisions peuvent servir aux océanographes mais aussi aux secteurs de la navigation, de l’industrie offshore, de la pêche et des forces navales.

Pour cela, des capteurs, balises, etc… sont mouillés pour une longue durée.

Les événements climatiques comme El Niño* peuvent être étudiés, ainsi que la dispersion des pollutions, le niveau des mers, le cycle du carbone, les variations du climat et ses impacts…

Un exemple de programme d’océanographie opérationnelle : Mercator.

Les 6 principaux organismes français engagés dans l’étude de l’océan et du climat ont décidé en 1995 d’inventer et de mettre en place dans un délai de 5 à 7 ans un projet d’océanographie opérationnelle.

Ce projet, lancé par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), le CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), l’IFREMER (Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer), l’IRD (Institut de Recherche pour le Développement), Météo-France, et le SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine), s’est concrétisé par la création du groupement d’intérêt public Mercator Ocean, à Toulouse en 2002.

Ces organismes s’étaient lancés comme défi de développer le premier système français d’océanographie opérationnelle capable de décrire à tout instant l’état de l’océan, en profondeur comme en surface, dans toutes ses zones.

Ce projet s’inscrit dans le cadre de l’expérience internationale GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment). C’est la première expérience internationale d’océanographie opérationnelle à l’échelle de l’océan global. Décidée en 1997, elle a débuté en 2003.

Pari réussi ! Le premier bulletin Mercator, paru le 17 janvier 2001, donnait les caractéristiques de l’océan dans ses trois dimensions à J+8 et J+15.

Depuis 2005, l’équipe Mercator Océan met en ligne un bulletin des prévisions océanographiques sur tout le globe pour les 2 semaines à venir.

Comment fonctionne le système Mercator ?

Mercator Ocean fonctionne grâce à un modèle d’analyse et de prévision océanique. C’est-à-dire un modèle mathématique qui permet de décrire l’océan dans toutes ses dimensions : horizontalement, verticalement et suivant son évolution dans le temps. Ce modèle fournit une description mathématique de phénomènes physiques : les mouvements de l’eau, de l’air à la surface de la Terre ; les transports de chaleur (température) ; la salinité.

Le modèle permet de symboliser par une équation ces éléments en tout lieu et au cours du temps. Les scientifiques ont au préalable effectué un découpage de l’océan en des milliers de petites mailles qui représentent l’océan dans son intégralité, sur toute sa surface, et jusqu’au plus profond.

Le modèle global d’océan utilisé par Mercator comporte 46 millions de mailles ! Les modèles numériques doivent aussi effectuer une assimilation de données : c’est-à-dire intégrer des données mesurées en surface et à l’intérieur de l’océan.

Pour cela, Mercator utilise des satellites altimétriques pour mesurer la hauteur de la mer et obtenir ainsi des informations sur les courants et des satellites à capteur infrarouge* pour mesurer la température de la surface des océans.

Les mesures in situ sont également nécessaires pour avoir des informations sur les caractéristiques en profondeur. Les océanographes peuvent recourir à différents procédés pour prendre ces mesures depuis les navires océanographiques : les flotteurs Argo ; les mouillages ; les bouées dérivantes ; les bathysondes ; les gliders ; les sondes perdables : (les plus utilisées sont les XBT : Expendable BathyThermograph).

Quelques missions océanographiques

Première campagne océanographique moderne : la campagne multidisciplinaire du HMS Challenger

Des animaux sont récoltés jusqu’à 5 500 mètres, et la plus grande profondeur est mesurée à 8 000 mètres. Challenger donne réellement le coup d’envoi de l’océanographie moderne : rationalisation des méthodes de prélèvement et mise en place de nouveaux protocoles scientifiques.

Une réponse est donnée à l’une des deux questions fondamentales de la campagne : la vie existe jusqu’à 5 500 mètres et il n’y a donc pas de limite.

Concernant la deuxième question, il faudra attendre plus d’un siècle et de nouvelles découvertes pour que de nombreux fossiles vivants soient trouvés…

Même si les interrogations principales auxquelles va tenter de répondre l’expédition concernent la biologie marine, les scientifiques purent aussi se livrer à des études dans divers domaines de l’océanographie : géophysique*, topographie*, météorologie*, zoologie*, botanique*. Un matériel important avait été emmené à bord et les cales du navire, transformées en laboratoires.

Plus de 50 ans seront nécessaires à une centaine de naturalistes et de géologues pour dépouiller la matière recueillie lors de l’expédition Challenger : on répertorie plus de 4 000 nouvelles espèces et les cartes des fonds marins sont bouleversées, en particulier par les indices de la présence d’une dorsale dans l’océan Atlantique.

Géosciences marines : Opération Famous

Famous est le premier programme d’étude à haute résolution des fonds sous-marins. La théorie de la tectonique* des plaques, acceptée dans le monde de la science à partir de 1968, restait néanmoins une hypothèse s’appuyant sur des mesures indirectes. La nécessité de plonger pour vérifier le phénomène d’expansion océanique s’imposait alors.

Une exploration d’une partie de la dorsale médio-océanique a donc eu lieu et plus exactement de la vallée profonde qui l’entaille sur toute sa longueur : le rift*, l’endroit où se forment les plaques flottant sur du magma à la surface de la Terre, comme le veut en effet l’hypothèse de la dérive des continents.

Genèse de la mission

A l’origine, il s’agit d’une initiative du CNEXO* (Centre national pour l’exploitation des océans), futur Ifremer, et de la WHOI* (Woods Hole Oceanographic Institution).

En novembre 1971, le CNEXO et le WHOI se réunissent pour définir les objectifs de la mission et son organisation. Ils rédigent un document commun faisant l’état des lieux des connaissances et des lacunes en ce qui concerne la théorie de la tectonique* des plaques.

L’objectif de la mission est d’examiner en détail, de photographier et de cartographier une région dans laquelle se met en place la nouvelle croûte océanique au fur et à mesure que les plaques adjacentes (plaque Afrique et plaque Amérique) s’écartent dans leur mouvement de dérive.

Si l’hypothèse de la tectonique des plaques rend bien compte du mouvement des plaques, elle n’explique pas encore bien les processus physiques responsables de la formation de ces plaques dans les zones d’écartement.

De même, on connaît peu de choses sur l’activité volcanique, les phénomènes de circulation hydrothermale, la minéralisation* qui caractérisent cette zone. Le but est de lever toutes ces incertitudes. Pour cela, des prélèvements de roche sont prévus à chaque plongée.

Le nom de l’opération provient d’une suggestion de Xavier LE PICHON : FAMOUS pour French American Mid Ocean Undersea Survey (littéralement, enquête sous-marine franco-américaine en plein océan).

Les chefs de projet désignés sont : Jim HEIRTZLER pour la partie américaine, Claude Riffaud pour la partie française.

Une préparation impressionnante

Le choix des sous-marins se fait en fonction de leurs capacités à descendre à environ 3 000 mètres, profondeur estimée de cette zone. Archimède et SP 3000 (future Cyana) pour la France / Alvin pour les Etats-Unis). Archimède a déjà effectué de nombreuses plongées et a montré sa fiabilité.

Après avoir été défini, le site Famous, qui s’étend sur une vingtaine de kilomètres à 900 kilomètres à l’ouest des Açores, est soigneusement cartographié. Ce qui permet d’attribuer les sites de plongée aux sous-marins suivant leurs capacités :

• Le fond de la vallée pour Archimède (lourd, peu manœuvrant)
• la zone Sud et les flancs du rift pour Alvin
• la faille transformante* Nord pour SP 3000, supposé plus manœuvrant

La mise au point des équipements représente deux ans d’efforts, du côté français, comme du côté américain. 23 navires de surface de divers pays (navires français, américains, britanniques, soviétiques) sont déployés pour des études pré-mission. Jamais un programme aussi exhaustif et précis sur une zone du fond des océans n’avait été réalisé auparavant.

Les études réalisées en amont concernent : des mesures des courants, des relevés bathymétriques* pour ne pas descendre en aveugle sur fond inconnu (on utilise de nouveaux sondeurs* à pinceaux étroits, les plus précis à l’époque), des missions de dragage pour fournir des échantillons de roche aux géologues, des opérations sismiques pour renseigner les géophysiciens sur la structure de la croûte aux abords du rift…

Pour la première fois, des explorateurs des grands fonds allaient plonger en sachant avec précision dans quelle zone ils évolueraient.

Un effort considérable est aussi fait en ce qui concerne l’équipement des sous-marins et navires. Des caméras, appareils photographiques, systèmes d’enregistrement sont embarqués. Sur Archimède, des bras hydrauliques* sont conçus pour prélever des roches ; un équipement spécial de recharge de ses batteries est emmené à bord de son navire support le Marcel Le Bihan… La Marine américaine promet une couverture complète de la zone par un nouveau procédé encore un peu confidentiel : le Libec (Light behind camera).

Un système de navigation ayant pour objectif de pouvoir reconstituer sur une carte le trajet sous-marin et retrouver les points précis d’une plongée sur l’autre est mis en place par Thomson-CSF (groupe industriel français résultat de la fusion en 1968 de l’activité électronique de l’entreprise Thomson-Brandt et de la CFS, Compagnie Générale de Télégraphie Sans fil) et la Marine nationale.

Ce système repose sur un champ de trois balises acoustiques mouillé sur le fond, en triangle, maintenues par flotteurs à environ 100 mètres du fond. Le navire interroge les balises à cadence régulière et les réponses sont enregistrées par un ordinateur. Le navire peut alors se localiser précisément non plus grâce au satellite mais grâce à une balise située sur fond.

De plus, le submersible est constamment suivi en plongée depuis la surface, par l’intermédiaire d’un téléphone sous-marin ente le navire et le sous-marin : le Tuux, pour lequel 18 mois d’élaboration ont été nécessaires.

Déroulé de la mission

C’est l’équipe française et Archimède qui lancent l’opération.

Il existe 2 groupes pour la partie française :

• Archimède / Marcel Le Bihan, personnel de la Marine nationale française, ingénieurs et techniciens CNEXO en charge du positionnement et de l’instrumentation du sous-marin.
• Cyana (ex SP 3000) / Noroît, personnel CNEXO, Jean Jarry à la direction.

Pour l’équipe américaine, la maîtrise d’œuvre est assurée par la WHOI, sous la direction de Jim HEIRTZLER. Alvin possède sa propre équipe de pilotes, ingénieurs et techniciens. Les bâtiments opérationnels sont Knorr et Lulu.

51 plongées auront lieu dans un relief tourmenté : 19 pour Archimède, 15 pour Cyana et 17 pour Alvin.

Résultats

Famous a permis de réaliser une topographie des lieux avec une précision jamais atteinte auparavant, à quelques mètres près.

L’étude géologique de cette zone est comparable à celle effectuée sur les continents. Avant la mission Famous, les océanographes avaient dû se contenter d’extrapoler des considérations géologiques à partir de données géophysiques recueillies depuis la surface, sans aucune vérification directe possible.

Cette opération apporte une dimension nouvelle à l’océanographie, elle a permis la mise au point d’un outil d’investigation incomparable, et n’est pas un simple travail d’observation.

Le recueil des données est précis, le travail répond à des critères scientifiques objectifs et est un exemple des possibilités que peut offrir une importante mobilisation scientifique et technique internationale.

Pour en savoir plus, découvrez le film en ligne retraçant l’opération Famous sur le site du CERIMES (Centre de ressources et d’information sur les multimédias pour l’enseignement supérieur).

Océanographie spatiale : Projet Topex-Poseidon

Le projet Poséidon consistait à embarquer un radar altimétrique sur une plate-forme satellitaire. L’objectif premier était d’étudier la circulation des océans et sa variabilité, l’état de la mer et les marées océaniques. Ce projet est concrétisé en 1992 avec le lancement du satellite franco-américain Topex-Poséidon.

Le 10 août 1992, la fusée Ariane 4 est lancée depuis le centre spatial de Kourou (Guyane) afin de placer en orbite le satellite Topex-Poseidon, à l’initiative du CNES (Centre national d’études spatiales) et de la Nasa (National Aeronautics and Space Administration), qui souhaitaient développer une mission dédiée à l’étude des océans.

Ce satellite est placé à 1336 kilomètres d’altitude, il a une orbite* particulière (de forme circulaire) et une inclinaison de 66 degrés sur l’équateur. Il effectuera des mesures et couvrira tout l’océan entre le 66^e parallèle Nord et le 66e parallèle Sud.

Ce nom est la jonction des noms des deux projets développés aux Etats-Unis (TOPEX) et en France (Poseidon), qui forment alors une mission conjointe. Poseidon (nom du dieu de la mer dans la mythologie grecque) est le nom de l’altimètre* embarqué sur le satellite. « TOPEX » signifie TOPography Experiment for ocean circulation.

Ce satellite permettra de mesurer la hauteur des océans de façon très précise pour pouvoir étudier le niveau de la mer, la circulation océanique (courants…), les interactions avec l’atmosphère…

Grâce aux instruments embarqués sur Topex-Poseidon et à la combinaison de leurs résultats, on peut savoir à quelques centimètres près où se trouve le satellite lorsqu’il effectue ses mesures.

Ces instruments sont : un altimètre, un radiomètre tri-fréquence, trois systèmes d’orbitographie précise (un réflecteur laser qui donne une distance par rapport à des stations au sol, un récepteur GPS qui donne une distance par rapport à des satellites, un récepteur du système de positionnement DORIS qui donne la vitesse de rapprochement ou d’éloignement du satellite par rapport à des stations au sol).

Le réseau DORIS est constitué d’environ 50 balises réparties sur toute la planète, qui peuvent par exemple permettre de calculer l’orbite d’un satellite.

L’orbite élevée et inclinée du satellite est définie en fonction de sa mission. Elle tient aussi compte de la zone à observer (c’est-à-dire 90% de la surface des océans), du rythme des marées, du survol de deux sites (un aux Etats-Unis, l’autre en Italie) utilisés pour paramétrer les instruments au début de la mission.

Après avoir effectué 127 tours en environ dix jours, le satellite repasse à proximité des mêmes points à un kilomètre près, décrivant un maillage régulier des traces au sol. Le même cycle recommence tous les dix jours.

Topex-Poseidon a fait progresser l’étude des océans, en permettant :

• de couvrir de façon globale et continue la topographie* de la surface des océans et ses variations ;
• les premières descriptions globales sur dix ans des variations des courants ;
• une plus grande précision des mesures de l’élévation du niveau des océans ;
• une meilleure compréhension du rôle des marées dans la circulation océanique* en eaux profondes ;
• le développement de modèles* globaux de marées océaniques très précis.

Exemples concrets d’applications de Topex-Poseidon :

• Topex-Poseidon a permis d’étudier les saisons océaniques, c’est-à-dire les variations de température des océans. Dans l’hémisphère Nord, l’océan reçoit davantage de chaleur en été, ce qui a pour effet de le dilater et deux mois après, quand la chaleur s’est diffusée dans les 1 000 premiers mètres d’eau, en automne, le niveau océanique maximal est atteint ; tandis que le niveau le plus bas est atteint au printemps, deux mois après le refroidissement de l’hiver. Le satellite a permis de découvrir la véritable amplitude de ces variations : jusqu’à 5 centimètres au-dessus du niveau moyen des océans alors qu’on l’estimait à l’époque de 1 ou 2 centimètres.
• Pour la première fois aussi, Topex-Poseidon a permis de surveiller de façon globale et continue l’évolution du phénomène El Niño. Il s’agit d’un phénomène climatique très intense qui a lieu dans le Pacifique au large du Pérou. Les eaux habituellement froides (18-22 C°) sont en quelques mois remplacées par des eaux plus chaudes (25-29 C°), ce qui a des conséquences importantes sur la faune et la flore, le climat, les ressources… En 1997, le phénomène a été particulièrement important et dès le mois de mars Topex-Poseidon a observé les premières manifestations du phénomène : la propagation d’une « bosse » d’eau chaude, surélevée de 20 à 30 centimètres par rapport au reste de l’océan, qui a traversé le Pacifique d’Ouest en Est.

Le programme Topex-Poseidon ne devait durer que cinq ans, le satellite avait été conçu pour ce temps donné d’exploitation, mais en réalité son observation continue des océans a duré treize ans ! C’est la plus longue mission d’observation radar depuis une orbite terrestre !

Le 9 octobre 2006, un incident survenu sur une des roues à inertie du satellite lui fait perdre ses capacités de manœuvre sur orbite. Le satellite n’est plus opérationnel, il restera sur son orbite, sans danger pour la Terre.

C’est la mission Jason qui prend la suite, elle a été lancée en 2001.

Le satellite Jason évoluait depuis presque trois ans en tandem avec Topex-Poseidon, doublant ainsi les données collectées et permettant d’étudier des phénomènes à plus petite échelle.

Le successeur de Jason, Jason 2, a été lancé le 20 juin 2008 depuis la base Vandeberg en Californie.

Son orbite* lui permet de balayer 95% de la surface des mers libres. Jason 2 continue les observations du niveau des océans et de la circulation des courants océaniques initiées en 1992 par Topex-Poseidon et reprises par Jason 1 à partir de 2001.

Océanographie biologique : une des composantes de la campagne Serpentine

La campagne Serpentine est une campagne franco-russe multidisciplinaire qui s’est déroulée du 26 février au 6 avril 2007 sur la dorsale atlantique entre 13° et 17° Nord.

La campagne tire son nom de la roche hydratée produite par la réaction entre l’océan et le manteau terrestre porté à l’affleurement* : la serpentine.

Les recherches concernaient aussi bien les sciences de la vie que les sciences de la terre puisqu’il s’agissait d’étudier les variabilités géologiques, géochimiques, biologiques et microbiologiques des processus hydrothermaux associés aux roches du manteau à l’axe des dorsales lentes.

Le chef de mission était Yves Fouquet, responsable du laboratoire de Géochimie et Métallogénie d’Ifremer de Brest et du programme GEODE (programme pluridisciplinaire d’études des milieux extrêmes dans les grands fonds).

Une dizaine d’organismes russes et français a participé à cette campagne, dans des spécialités telles que la biologie et la microbiologie, la géologie, la géochimie*, la métallogénie* (science des gisements métallifères).

Cette campagne a eu lieu à bord du Pourquoi Pas ? et le ROV Victor 6000 a permis de réaliser des prélèvements de diverses natures : eau, fluides hydrothermaux, roches, échantillons biologiques…

De nouveaux sites hydrothermaux ont été découverts :

• des sites actifs : Ashadze 1, Ashadze 2, Ashadze 3
• un site inactif : Logatchev 5

Ces découvertes et les plongées sur ces sites ont permis de faire diverses observations sur les propriétés physiques, chimiques et géologiques des lieux mais nous évoquerons ici ce qui concerne la biologie.

Sur les sites Ashadze, une faune différente des autres sites de l’Atlantique a été découverte : anémones, crevettes, vers tubicoles*…

Sur le site Logatchev 2, des champs de moules mortes, aux coquilles récentes et intactes, laissent penser qu’un incident aurait détruit l’environnement qui permettait la croissance de ces moules.

La campagne Serpentine a aussi été l’occasion d’étudier les microorganismes piezzophiles. Ceux-ci peuplent les grands fonds, ils sont aussi appelés barophiles (aimant la pression) et font partie des extrêmophiles (qui vivent dans des conditions extrêmes) tout comme les microorganismes hyperthermophiles (croissance optimale au-delà de 80°C) qui ont déjà été localisés sur des sources hydrothermales.

Les scientifiques s’interrogent sur l’évolution de leur croissance en fonction des facteurs que sont la température et la pression.

L’analyse des fluides hydrothermaux issus des nouveaux sites découverts permettra d’étudier la synthèse du méthane et de l’hydrogène dans ces lieux. On sait que cette synthèse est nécessaire au développement d’une biosphère profonde mantellique (organismes vivant sous le plancher océanique / mantellique ou mantélique : propre au manteau terrestre).

Cela permettra d’avancer dans la connaissance des microorganismes qui vivent sous le plancher océanique. Certains ont été découverts jusqu’à 1 600 mètres sous le plancher océanique, par une profondeur de 4 500 mètres d’eau.

Une autre action menée pendant la campagne est de continuer les recherches entreprises internationalement pour comprendre si les sites hydrothermaux de la dorsale médio-atlantique ont pu servir de milieux relais pour certains groupes zoologiques, vivant des deux côtés de l’Atlantique.

En effet, il existe des ressemblances entre la faune des sources hydrothermales profondes et celle des sources froides sur les marges continentales (à proximité des canyons creusés par les grands fleuves comme la Mississipi, le Zaïre). Elles utilisent toutes deux les fluides riches en éléments réduits. Les sources froides constituent un suintement de fluide enrichi en méthane et autres hydrocarbures sur le plancher océanique. Les sources hydrothermales constituent une source d’eau chaude, riches en minéraux.

Des similitudes ont aussi été remarquées et même des espèces identiques dans des milieux très différents et éloignés sur les deux bords de l’Atlantique. Une hypothèse est celle que ces communautés d’êtres vivants auraient une origine commune et se seraient éloignées et différenciées dans le temps suite à l’ouverture de l’Atlantique.