Les scientifiques se préparent à déployer un CTD en cours depuis le pont arrière d'un navire de recherche. Crédit :Amala Mahadevan
Le mouvement de l'océan est souvent pensé en termes horizontaux, par exemple dans les courants puissants qui balaient la planète, ou les vagues qui vont et viennent le long d'un littoral. Mais il y a aussi beaucoup de mouvement vertical, particulièrement en haute mer, où l'eau des profondeurs peut monter, apporter des nutriments à l'océan supérieur, tandis que les eaux de surface coulent, envoyer des organismes morts, avec l'oxygène et le carbone, à l'intérieur profond.
Les océanographes utilisent des instruments pour caractériser le mélange vertical des eaux océaniques et les communautés biologiques qui y vivent. Mais ces outils sont limités dans leur capacité à capturer des caractéristiques à petite échelle, comme les remontées et descentes d'eau et d'organismes sur un petit région océanique d'un kilomètre de large. De telles caractéristiques sont essentielles pour comprendre la composition de la vie marine qui existe dans un volume donné de l'océan (comme dans une pêcherie), ainsi que la quantité de carbone que l'océan peut absorber et séquestrer.
Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) ont conçu un instrument léger qui mesure à la fois les caractéristiques physiques et biologiques de l'océan vertical sur de petits, plaques d'un kilomètre de large. Le "profileur océanique, " nommé EcoCTD, a à peu près la taille d'un modèle réduit de fusée et peut être déposé à l'arrière d'un navire en mouvement. En tombant librement dans l'eau, ses capteurs mesurent les caractéristiques physiques, comme la température et la salinité, ainsi que des propriétés biologiques, comme la diffusion optique de la chlorophylle, le pigment vert du phytoplancton.
"Avec EcoCTD, nous pouvons voir des zones à petite échelle de mouvement vertical rapide, où les nutriments pourraient être apportés à la surface, et où la chlorophylle est transportée vers le bas, ce qui vous dit que cela pourrait aussi être une voie du carbone. C'est quelque chose qui vous manquerait autrement avec la technologie existante, " dit Mara Freilich, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et les sciences planétaires et le programme conjoint MIT-WHOI en océanographie/sciences océaniques appliquées et ingénierie.
Freilich et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans le Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Les co-auteurs de l'article sont J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan, et Amala Mahadevan de WHOI, et Andrew Baron de Dynamic System Analysis, en Nouvelle-Écosse. L'auteur principal est Mathieu Dever de WHOI et RBR, un développeur de capteurs océaniques basé à Ottawa.
Synergie océanique
Les océanographes utilisent un certain nombre de méthodes pour mesurer les propriétés physiques de l'océan. Certains des plus puissants, les instruments à haute résolution utilisés sont appelés CTD, pour leur capacité à mesurer la conductivité de l'océan, Température, et profondeur. Les CTD sont généralement encombrants, car ils contiennent plusieurs capteurs ainsi que des composants qui collectent de l'eau et des échantillons biologiques. Les CTD conventionnels exigent qu'un navire s'arrête pendant que les scientifiques abaissent l'instrument dans l'eau, parfois via un système de grue. Le navire doit rester en place pendant que l'instrument recueille des mesures et des échantillons d'eau, et ne peut reprendre la route qu'une fois l'instrument remonté à bord.
Les océanographes physiques qui n'étudient pas la biologie océanique, et n'ont donc pas besoin de prélever des échantillons d'eau, peut parfois utiliser des "UCTD" - versions en cours de CTD, sans les composants d'échantillonnage d'eau encombrants, qui peut être remorqué lorsqu'un navire est en route. Ces instruments peuvent échantillonner rapidement car ils ne nécessitent pas de grue ou de navire pour s'arrêter lorsqu'ils sont largués.
Freilich et son équipe ont cherché à concevoir une version d'un UCTD qui pourrait également intégrer des capteurs biologiques, le tout dans un petit, poids léger, paquet remorquable, cela garderait également le navire en mouvement pendant qu'il rassemblait ses mesures verticales.
"Il semblait qu'il pourrait y avoir une synergie directe entre ces instruments existants, concevoir un instrument qui capte les informations physiques et biologiques, et pourrait le faire en cours aussi, " dit Freilich.
Un nouveau capteur océanique conçu par le MIT est conçu pour tomber en chute libre à l'arrière d'un navire en mouvement. L'instrument effectue des mesures physiques et biologiques jusqu'à 500 mètres, et peut être remonté en quelques minutes, et retombe, sans avoir à arrêter un navire de recherche. Crédit :Mathieu Dever
"Atteindre l'océan sombre"
Le cœur de l'EcoCTD est le RBR Concerto Logger, un capteur qui mesure la température de l'eau, ainsi que la conductivité, qui est un indicateur de la salinité de l'océan. Le profileur comprend également un collier de plomb qui fournit suffisamment de poids pour permettre à l'instrument de chuter librement dans l'eau à environ 3 mètres par seconde, une vitesse qui amène l'instrument à environ 500 mètres sous la surface en environ deux minutes.
« A 500 mètres, nous atteignons la zone crépusculaire supérieure, " Freilich dit. "La zone euphotique est l'endroit où il y a assez de lumière dans l'océan pour la photosynthèse, et c'est à environ 100 à 200 mètres dans la plupart des endroits. Nous atteignons donc l'océan sombre."
Un autre capteur, l'EcoPuck, est unique aux autres UCTD en ce qu'il mesure les propriétés biologiques de l'océan. Spécifiquement, c'est un petit, capteur bio-optique en forme de rondelle qui émet deux longueurs d'onde de lumière - rouge et bleu. Le capteur capture tout changement dans ces lumières lorsqu'elles se diffusent et que le phytoplancton contenant de la chlorophylle émet une fluorescence en réponse à la lumière. Si la lumière rouge reçue ressemble à une certaine longueur d'onde caractéristique de la chlorophylle, les scientifiques peuvent déduire la présence de phytoplancton à une profondeur donnée. Les variations de la lumière rouge et bleue renvoyée vers le capteur peuvent indiquer d'autres matières dans l'eau, comme les sédiments ou les cellules mortes - une mesure de la quantité de carbone à différentes profondeurs.
L'EcoCTD comprend un autre capteur unique aux UCTD :le Rinko III Do, qui mesure la concentration d'oxygène dans l'eau, ce qui peut donner aux scientifiques une estimation de la quantité d'oxygène absorbée par les communautés microbiennes vivant à une profondeur et à une parcelle d'eau données.
Finalement, l'ensemble de l'instrument est enfermé dans un tube d'aluminium et conçu pour être attaché via une longue ligne à un treuil à l'arrière d'un navire. Pendant que le navire avance, une équipe peut laisser tomber l'instrument par-dessus bord et utiliser le treuil pour sortir la ligne à une vitesse telle que l'instrument tombe tout droit, alors même que le navire s'éloigne. Après environ deux minutes, une fois qu'il a atteint une profondeur d'environ 500 mètres, l'équipe actionne le treuil pour remonter l'instrument, à une vitesse telle que l'instrument rattrape le navire en 12 minutes. L'équipage peut alors à nouveau lâcher l'instrument, cette fois à une certaine distance de leur dernier point de débarquement.
"Ce qui est bien, c'est au moment où nous allons au prochain casting, nous sommes à 500 mètres de l'endroit où nous étions la première fois, donc nous sommes exactement là où nous voulons échantillonner ensuite, " dit Freilich.
Ils ont testé l'EcoCTD sur deux croisières en 2018 et 2019, l'un vers la Méditerranée et l'autre vers l'Atlantique, et dans les deux cas, ils ont pu collecter des données physiques et biologiques à une résolution plus élevée que les CTD existants.
"L'ecoCTD capture ces caractéristiques océaniques à une qualité de référence avec beaucoup plus de commodité et de polyvalence, " dit Freilich.
L'équipe va encore affiner sa conception, et espère que leur haute résolution, facilement déployable, et une alternative plus efficace peut être adaptée par les deux scientifiques pour surveiller les réponses à petite échelle de l'océan au changement climatique, ainsi que les pêcheries qui veulent suivre la productivité biologique d'une certaine région.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
