Mise en œuvre de nouveaux capteurs sur planeurs sous-marins

Implementation of novel sensors on underwater gliders

• Auteur / Autrice : Michael Hemming
• Direction : Jacqueline Boutin, Jan Kaiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique et biogéochimie
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec University of East Anglia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrew Manning
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Testor
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrew Manning, Stephanie Henson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méditerranée (mer ; nord-ouest)

Dioxyde de carbone

Acidification des océans

Cycle du carbone

Océanographie

Mots clés libres

Capteur PH

Planeurs sous-marins

Biogéochimie

Production communautaire nette

Échelles spatiales

Mer Méditerranée nord-ouest

PH sensor

Underwater gliders

Biogeochemistry

Net community production

Spatial scales

Northwestern Mediterranean Sea

Résumé

Aujourd’hui environ un quart des émissions globales de carbone anthropique a été absorbé par l’océan. Cet accroissement de la concentration en CO2 a fait augmenter l’acidité de l’océan ce qui peut impacter les organismes calcifiant dû à des changements dans la chimie des carbonates de l’eau de mer. Récemment des planeurs (‘gliders’) sous-marins ont été identifiés comme des outils importants pour recueillir des informations reliées au changement climatique et aux processus d’acidification.Durant l’expérience REP14-MED en juin 2014, 11 gliders ont été déployés au large de la côte de Sardaigne en mer Méditerranée nord occidentale. Un capteur expérimental ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) mesurant le pH a été testé sur l’un de ces gliders. Une comparaison entre les mesures de pH recueillies par le glider et par le bateau durant le déploiement témoigne de problèmes concernant la précision absolue et la stabilité de l’instrument. Un biais constant en profondeur et variable en temps a été appliqué afin de compenser la dérive multidirectionnelle du capteur et les mesures de température et pression ont été corrigées. De plus, la lumière du soleil a provoqué une diminution apparente du pH pouvant atteindre jusqu’à 0,1 près de la surface vers midi. Cela a mis en évidence l’importance de protéger le capteur de la lumière lors de futurs déploiements. Le pH corrigé présenté avec les autres variables océaniques mesurées par le glider illustrent des liens clairs avec les processus physiques et biogéochimique. En mer Méditerranée nord occidentale, la date de début du bloom phytoplanctonique printanier varie d’une année à l’autre, entre mars et avril. En mars 2016, un glider équipé d’un capteur ISFET a été déployé près des bouées BOUSSOLE / DyFAMed en mer Méditerranée nord occidentale. Ce déploiement a fourni une seconde opportunité de tester un capteur ISFET modifié visant à accroitre la stabilité et à réduire l’effet de la lumière du soleil. Comme lors de l’expérience REP14-MED, les mesures de pH de l’ISFET ont été corrigées pour tenir compte des effets de la dérive, de la température et de la pression. Le glider a mesuré la variabilité horizontale et verticale des paramètres physiques et biogéochimiques à l’approche d’un bloom printanier. La fugacité de CO2 (f CO2) mesurée par un capteur CARIOCA une bouée biogéochimique au site de la BOUSSOLE à 10 m de profondeur a décru très fortement entre le 19 mars et le 1er avril, suivant une période d’intense mélange. La fugacité du CO2 et l’alcalinité totale à la bouée BOUSSOLE ont été utilisées pour calculer les concentrations de carbone inorganique dissous. Les concentrations d’oxygène à dissous, pH et rétrodiffusion optique observés par le glider à 10m ont augmenté entre le 19 mars et le 1er avril, indiquant le démarrage du bloom phytoplanctonique. Les taux de production biologique communautaire nette moyenne (N) ont été estimés á partir des concentrations d’oxygène dissous mesurées par glider et à partir de concentrations de carbone inorganique dissous déduites des mesures ISFET (glider) et mouillage. Après mi-mars durant le déploiement. Les estimations de N varient entre -82 ± 317 mmol m−2 d−1 and 460 ± 870 mmol m−2 d−1.Les échelles spatiales de variabilité mettent en évidence l’influence des processus océaniques sur les paramètres physiques et biogéochimiques, et sont utiles pour la conception de système d’observation de l’océan. Les échelles spatiales de variabilité horizontales ont été estimées à partir de semi-variogrammes utilisant les mesures des déploiements REP14-MED et BOUSSOLE/DYFAMED. Dans l’ensemble, les échelles spatiales étaient plus petites aux profondeurs affectées par la photosynthèse (par exemple, là où se forment des patchs de chlorophylle) et plus grandes aux profondeurs affectées par des processus à grande échelle, tels que le forçage atmosphérique. Les échelles longitudinales sont en général plus longues que les échelles zonales.

Around a quarter of global anthropogenic carbon emissions have been absorbed by the ocean. Underwater gliders have been identified as important tools for gathering information related to climate change and ocean acidification processes. The REP14 - MED experiment involved the deployment of eleven gliders in the northwestern Mediterranean Sea; one of these had an experimental ion sensitive field effect transistor (ISFET) sensor attached. A comparison between pH observed by the glider and ship during the deployment indicated problems with the sensor accuracy and stability. Sunlight caused an apparent sensor pH decrease of up to 0.1 close to the surface around local noon. The pH corrected for drift, temperature, and pressure is presented with other ocean variables measured by the glider. The timing of the phytoplankton spring bloom in the northwestern Mediterranean Sea varies year-on-year. A glider with an ISFET pH sensor was deployed close to the BOUSSOLE mooring site. This deployment offered a second opportunity to test the ISFET sensor with improvements. Similarly to during the REP14 - MED experiment, ISFET pH measurements were corrected for drift, temperature and pressure effects. Measurements at the BOUSSOLE mooring indicated that the spring bloom started around March 19. Mean net community production (N) rates were estimated from the glider dissolved oxygen concentrations, as well as glider and buoy dissolved inorganic carbon concentrations derived using other parameters. N ranged between -82 ± 317 mmol m−2 d−1 and 460 ± 870 mmol m−2 d−1. Horizontal spatial scales of variability highlight physical and biogeochemical processes, and are useful for designing ocean observing systems. Spatial scales of variability were estimated from semivariograms using glider measurements. Spatial scales of variability were mostly small at depths affected by biology, and large at depths affected by large-scale processes, such as weather, although this was not true in every case. Some direction dependency was found, which may be related to ocean currents, or the density of glider meridional measurements.