Nouveaux Outils d’Observation de l’Océan

Mardi 23 avril 2024.  13:30 - 14:30 heure de Paris.

Intervenantes : Morgane Travers-Trolet, Sandrine Vaz (IFREMER).

L'observation des écosystèmes marins par le Système d'Information Halieutique (SIH) de l'Ifremer repose sur un réseau de campagnes en mer récurrentes, qui contribuent à la collecte de données nécessaires à l'évaluation des stocks et au suivi des écosystèmes. 25 campagnes scientifiques ont lieu chaque année en mer, permettant de collecter des données depuis plus de 30 ans pour les plus anciennes. Grâce à l’utilisation d’engins de pêche standardisés, les données acquises ainsi chaque année à bord de navires scientifiques ou des bateaux de pêche professionnels contribuent au calcul de l’indice d’abondance, avec des milliers de poissons prélevés lors de chalutages minutés. Les poissons sont mesurés et leur âge est évalué grâce à la mesure de leurs otolithes (petits os situés dans l’oreille interne du poisson). Initialement centrées sur les poissons, les campagnes halieutiques se sont plus ou moins étoffées au cours du temps en fonction des opportunités rencontrées et permettent désormais de caractériser une large partie de l'écosystème marin dans dans lequel évoluent les peuplements.  

Intervenant : Nagib Bhairy (CNRS, MIO).

Le SAM est un service commun du MIO (Institut Méditerranéen d’Océanologie) qui met à disposition de la communauté scientifique un parc d’instrumentation mutualisé (mer et air-mer), assure un soutien technique aux campagnes hauturières, côtières et d’observation ainsi qu’une aide au développement technologique d’équipements scientifiques et de prototypes.

Les équipements sont certifiés selon les normes et recommandations des constructeurs et une équipe technique dédiée intervient dans la formation et dans les programmes de recherches.

La liste du matériel disponible sur ce site web : https://gmi.dt.insu.cnrs.fr/mio/sam/equipment 

Intervenantes : Paola Formenti, Karine Desboeufs (Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atrmosphériques LISA, UMR CNRS 7583, Université Paris Est Créteil et Université Paris Cité).

La plateforme mobile PEGASUS (Portable Gas and Aerosol Sampling UnitS) du LISA et de l’OSU Efluve, depuis 2021 instrument national du CNRS INSU, au sein de l’IR ACTRIS.FR, est une plateforme équipée à l’état de l’art pour l’observation et l’analyse des aérosols et des gaz atmosphériques, mobile et projetable tout terrain (y compris en bateau), mais pérenne, pour effectuer des mesures de haute qualité en atmosphère réelle et manière totalement comparable d’une campagne à l’autre. Son instrumentation (composition chimique, distribution en taille, propriétés optiques spectrales, propriétés hygroscopiques et de solubilité, épaisseur optique en aérosol, profil vertical, concentrations en espèces gaz à courte durée de vie et gaz à effet de serre) permet d’aborder l’étude de la composition et de la réactivité atmosphérique et de la qualité de l’air aux interfaces basse troposphère-océan-surfaces continentales et de réaliser des études d’impacts des effets radiatifs direct et indirect des aérosols sur le système terre-atmosphère.
Cette présentation illustre le concept et les applications, notamment pour les études à l’interface océan-atmosphère.

Intervenants : Laurent Rodriguez, Fabien Ferrero (LEAT, UCA).

Dans quelques années, nos maisons, villes, véhicules et industries seront peuplés de milliards d'appareils connectés. C'est ce que nous appelons l'Internet des objets (IoT). Un grand nombre de ces objets pourraient être déployés pour surveiller les paramètres environnementaux de la planète, par exemple pour vérifier la santé des océans, des glaciers ou surveiller l'activité volcanique ou sismique. Comme ces endroits n'ont pas accès au réseau de communication terrestre, le LEAT conçoit des antennes innovantes qui permettent la communication avec des satellites en orbite basse à faible débit et coûts énergétiques. Pour compenser le débit limité de la communication, le LEAT développe une approche de recherche prometteuse : déployer l'apprentissage automatique directement sur les appareils connectés avec des microcontrôleurs basse consommation (ordinateurs embarqués miniatures) pour permettre des calculs proches des sources de données (informatique périphérique) et réduire l'empreinte énergétique et réseau de l'IoT. 

Intervenant : Anthony Sladen (CNRS Laboratoire Géoazur, Université Côte d'Azur).

La "mesure acoustique distribuée " (DAS) sur fibre optique est une approche instrumentale récente qui permet de transformer n’importe quelle fibre optique, y compris celles des câbles telecom fond de mer, en un réseau dense (m) de capteurs sensibles aux ondes sismio-acoustiques (kHz et plus) ou aux variations de température (mK). Les données peuvent être acquises en temps-réel depuis l'extrémité terrestre du câble et sur des distances supérieures à 100 km. La technologie DAS est donc d’une solution pour répondre, au moins en partie, aux problèmes de coût, complexité et fiabilité des meilleurs systèmes actuels pour l’instrumentation du fond des océan. Après une introduction aux principes de la technologie, j’évoquerai les avantages et les limitations actuelles de l'approche au travers de différents exemples d'applications.

Anthony Sladen, chercheur au CNRS et basé au laboratoire Géoazur de l’Université Côte d’Azur. Initialement concentré sur l’étude des grands séismes et tsunami, il explore depuis une dizaine d’année les technologies fibre optique pour la mesure fond de mer. Depuis 2018, il est plus particulièrement investi sur l’exploitation des données issues de la technologie dite de mesure acoustique distribuée, communément appelée DAS, pour l’étude des aléas naturels et de l’océan.

Intervenant : Martin Verdier (Institut d’Électronique et des Systèmes).

L’Institut d’électronique et des systèmes dispose des expertises et des moyens nécessaires au développement de Composants, Capteurs et Systèmes électroniques fiables pour l’observation et la mesure en conditions extrêmes ou en environnements hostiles. S’appuyant sur les équipes de l’IES, IES Engineering est engagé dans des actions visant à assurer la mesure de paramètres physiques et physico-chimiques du milieu marin, et d’opérer en temps réel la remontée des données, à des fins d’exploitation. Ces recherches et développements ont pour objet :

- de développer des capteurs à faible encombrement et faible coût capables d'opérer en environnement sous marin
- d'assurer la communication des données vers la surface en utilisant le milieu comme canal de transmission

- d'assurer à l’ensemble une autonomie énergétique en exploitant l'environnement des systèmes

- de maitriser localement la problématique du biofouling permettant la préservation des capteurs et la fiabilité des mesures.

- de transmettre les données acquises, vers une station distante, positionnée à terre ou sur un navire.  

 IES Engineering présentera au cours de ce webinaire les projets structurants dans lesquels il est impliqué et les résultats qui ont été obtenus.

Intervenante : Claire Dune-Maillard (Université de Toulon).

Dans ce webinaire, je présenterai les sujets de recherche en robotique sous marine étudiés par les acteurs du GT2 du GdR robotique, en faisant un focus sur les activités du laboratoire Cosmer de l'université de Toulon. Je présenterai les applications de ces recherches en archéologie sous-marines, en biologie, en géologie, en offshore et les fonctionnalités qui ont été développées pour ces usages.

Intervenant : David Renault (Institut Polaire français)

L’Institut polaire français (https://institut-polaire.fr/fr/) est un groupement d’intérêt public (GIP) chargé de la projection des moyens dans les régions polaires au bénéfice de la recherche académique. Il a pour mission de « sélectionner, coordonner, soutenir et mettre en œuvre, en qualité d’agence de moyens et de compétences, des projets scientifiques nationaux et internationaux ». L’Institut polaire est également missionné pour « organiser et animer des expéditions scientifiques » dans les deux hémisphères, dans les régions polaires arctiques, subarctiques, antarctiques et subantarctiques. Lors de ce webinaire, une présentation des moyens disponibles pour l’implémentation de projets scientifiques disciplinaires et pluridisciplinaires dans les zones antarctiques (station Concordia, Raid scientifique et logistique entre Robert Guillard et Concordia), district de terre Adélie (station Dumont d'Urville), subantarctiques (Iles Kerguelen, Crozet, Amsterdam, et les refuges de ces trois îles), et depuis les navires (L’Astrolabe, le Marion Dufresne II, La Curieuse).

Une présentation de la diversité des champs thématiques, structurés en cinq domaines principaux de recherche (Sciences de la terre, Astronomie et astrophysique, Sciences de la vie, Sciences humaines et sociales et Biosanté), sera également proposée, ainsi que le potentiel de recherche sur différents gradients (éco-régions, continuum Terre-Mer, par exemple). 

Intervenant : Pierre- Marie Sarradin (Ifremer REM)

Introduction

The EMSO-Azores observatory was first deployed in 2010. It aims at understanding the links between geological, physical and chemical processes and their effects on the dynamics of the hydrothermal fauna at different spatial and temporal scales at the Lucky Strike vent field (1700m depth, Mid Atlantic Ridge). 

Methods

The autonomous observing system comprises two Sea Monitoring Nodes providing the energy, controlling the sensors, archiving and transmitting the data. The first node is deployed on the Lucky Strike fossil lava lake and measures the seismic activity and the vertical deformation of the sea floor. The second one is deployed at the base of the Tour Eiffel active edifice and monitors the variability of the edifice and its associated ecosystem. The nodes are acoustically linked to a surface buoy, ensuring satellite communication to the land base station. Data are available on the EMSO-Azores web page. The observatory setup comprises sets of autonomous instruments. A complementary site studies program is implemented during the cruises to increase the set of accessible parameters and to extend the spatial coverage of the project.

Results

Over the last 10 years, decisive results were obtained on the establishment of the fluid circulation in the hydrothermal system, on the key role of hydrothermal emissions in in the iron content of the oceans or on the spatial dispersion of particles and larvae of organisms by local currents. The stability of these hydrothermal communities on a decadal scale was highlighted and we showed for the first time the existence of biological rhythms on a deep-sea hydrothermal species! 

Conclusion

The technologies developed and the knowledge acquired is a step forward to respond more effectively to the evaluation of the impacts of human activities in the deep sea (pollution, mineral resource exploitation, etc.). 

This work has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° [312463], the French ANR project Luckyscales ANR-14-CE02-0008.

Intervenant : Valentin Gies (Professeur à l'IM2NP - Institut des Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence)

L’écoute des océans est un enjeu majeur pour la connaissance du milieu marin et de la biodiversité, la mesure de l’impact de l’anthropisation, et des activités de surveillance acoustique et de trajectographie marine.

A cet effet, le laboratoire IM2NP de l’Université de Toulon a développé des outils de mesure avancés facilement transportables, déjà déployés sur de nombreux sites à différents endroits et dans diverses conditions : marine, terrestres ou embarquées sur des animaux. Ils permettent d’effectuer des enregistrements avec une définition temporelle très élevée, sur plusieurs voies en parallèle avec une synchronisation précise entre voies. Ces signaux acoustiques peuvent également être couplés à des signaux complémentaires tels que la pression, la luminosité, la température, des mesure inertielles de mouvement, ainsi que des détections caméras. L’autonomie du système étant un facteur opérationnel clé afin de réduire les contraintes de mise en œuvre, un dispositif d’analyse ultra-low power est intégré à au système afin de détecter des évènements se produisant de manière éparse.

Les recherches menées à l’IM2NP seront présentées lors de ce webinaire, avec des cas d’applications et des possibilités de collaborations à venir.

Intervenant : Emmanuel de Saint-Léger (CNRS- DT-ISNU)

Le PNIO assure le conseil, la conception, la réalisation de dispositifs expérimentaux, mais aussi l’adaptation, la préparation, le suivi métrologique et la formation sur les équipements disponibles.

Pour le déploiement, il garantit un accompagnement à distance et peut fournir les personnels nécessaires aux campagnes en mer.

Nous sommes un service du CNRS (UAR855) qui apporte son soutien aux recherches en océanographie. Nous fournissons du matériel et proposons nos conseils et compétences pour la réalisation de dispositifs expérimentaux dédiés au déploiement en mer.

Nous assurons le suivi métrologique des instruments, formons les utilisateurs et aidons à la logistique des campagnes.

Le matériel disponible

Hydrologie : 6 Rosettes, 110 bouteilles de prélèvement, 6 sondes CTD et de nombreux capteurs auxiliaires (oxygène, fluorimètres, transmissiomètres…) ;

Mouillages : flottabilités, 50 courantomètres, 50 CTD autonomes et de nombreux autres capteurs ;

Prélèvements : 2 carottiers, différentes bennes, 8 pompes in situ, 12 pièges à sédiments…

La liste complète du matériel est disponible sur le site web de la DT INSU : http://www.dt.insu.cnrs.fr

Intervenants : Pierre Tulet (CNRS-LAERO), Melilotus Thyssen (CNRS - MIO)

L’océan Austral est sans nul doute une des principales régions critiques de l’évolution climatique et du rétablissement de la couche d'ozone. Sans exhaustivité, on peut mentionner que 40 à 50 % du dioxyde de carbone absorbé par les océans se produit dans cet océan et que la biodiversité et la ressource halieutique est particulièrement sensible aux changements globaux.

Le programme MAP-IO (Marion Dusfresne Atmospheric Program - Indian Ocean, www.mapio.re) vise à pallier le manque d'observation dans cette région du globe en équipant le navire Marion Dufresne (https://taaf.fr/en/marion-dufresne-and-astrolabe/) d'un ensemble d'instruments in-situ et de télédétection pour l'étude de l'atmosphère et de la biologie marine. Ce programme a été labellisé par la Commission Nationale de la Flotte Hauturière (CNFH, https://www.flotteoceanographique.fr/) pour la période 2021 à 2024. Durant cette période, MAP-IO fonctionne comme un programme scientifique pour l'acquisition et la valorisation scientifique. Cette période servira également de prototype opérationnel pour étudier la faisabilité de la transformation du programme en observatoire mobile permanent visant à s'intégrer dans des réseaux d'infrastructures internationaux actuels tels qu'ACTRIS (https://www.actris.eu/), ICOS (https://www.icos-cp.eu/) et futurs tels que OHIS.

Le programme MAP-IO se positionne donc dans une logique d'observatoire avec cinq objectifs principaux : (i) la quantification et la variabilité des groupes fonctionnels du phytoplancton sur les océans Indien et Austral, (ii) la validation et la calibration des capteurs spatiaux, (iii) l'amélioration des paramétrisations des échanges océan-atmosphère dans les modèles numériques de prévision du temps et de climat, (iv) le suivi des changements globaux sur les océans Indien et Austral et (v) l'intégration dans les réseaux internationaux atmosphériques et océaniques en fournissant des données de haute qualité sur une région dépourvue d'observation régulières.

MAP-IO tire profit des campagnes scientifiques en mer planifiées par la flotte océanographique française en explorant différentes zones océaniques peu documentées et en augmentant ou complétant les systèmes d'observation des programmes opérationnels par des mesures supplémentaires. La valeur ajoutée de MAP-IO par rapport aux programmes scientifiques conventionnels en mer, est qu'il fonctionne en permanence notamment pendant les rotations régulières des OP TAAF, ce qui lui permet de documenter de manière unique les tendances, la diversité fonctionnelle et la dynamique du phytoplancton, les mécanismes d'échanges océan-atmosphère et la composition de l'atmosphère sur une base saisonnière et interannuelle.

Ce webinaire aura vocation à présenter le programme et sa stratégie future tout en dressant un premier bilan scientifique après 600 jours d'observation en mer

Intervenant : Frédéric Gazeau  (CNRS -LOV)

La plate-forme Climator est un conteneur embarquable et consiste en une salle blanche thermostatée et équipée de 9 réacteurs de 300 L chacun. Ces réacteurs, fabriqués en polyéthylène haute densité, sont équipés d'instruments de contrôle et de mesure de la lumière, de la température, du pH et de l'agitation. Les réacteurs ont une forme conique et sont équipés à leur base d'un piège à sédiments. Un système d'échantillonnage permet de collecter des échantillons filtrés ou non filtrés pour la mesure des paramètres biogéochimiques et des éléments traces. Le conteneur est équipé d'une entrée d'eau de mer qui peut être directement connectée à une pompe péristaltique à haut débit pour alimenter les réacteurs en eau de manière homogène. Ce système de pompage (pompe + 500 m de tuyauterie répartis sur 4 bobines en PVC) est associé à cette plateforme technique. L'ensemble du système peut être embarqué sur des navires océanographiques et est également opérationnel au Laboratoire d’Océanographie de Villefranche. Le principe de fonctionnement et les résultats obtenus lors de différentes campagnes et expériences passées seront présentés.

Intervenant : Yan Ropert-Coudert (CEBC Centre d'Etudes Biologiques de Chizé)

Yan est directeur de recherche au CNRS au centre d'Etudes Biologiques de Chizé où il étudie l'écologie alimentaire des oiseaux marins grâce à des approches de type bio-logging. Mais comme il ne sait apparemment pas quoi faire de ses soirées il est aussi très engagé dans le monde polaire avec dans ses dernières casquettes la présidence du comité national français pour la recherche arctique et antarctique, la direction des sciences biologiques au Scientific Committee on Antarctic Research, la direction adjointe de l'Institut Polaire Français Paul-Emile Victor et il est aussi membre de la délégation française au Traité de l'Antarctique... Vivement la retraite! 

Webinaire reporté 

Intervenant : Patrice Bretel (CNRS- IPF)

L'équipe DITM est constituée d'un AI en mécanique, 1 IE en métrologie, 1 IR en électronique et 1 IR en instrumentation. Nous répondons aux demandes chercheurs du laboratoire pour le développement de dispositifs particuliers tout en maintenant une action de service pour des systèmes d'observation. Un parc instrumental complet est géré par l'équipe et des exemples de développement particuliers sont présentés.

Webinaire reporté 

Intervenant : Greg Roberts (CNRM -Centre National de Recherches Météorologiques)

Les drones sont devenus des outils essentiels pour l'observation de la basse couche de l'atmosphère. En effet, ils permettent de caractériser la distribution verticale des aérosols, des nuages, des flux radiatifs, ainsi que des paramètres de turbulence et d'état météorologique. En complément des observations au sol et des mesures aéroportées, les drones offrent un accès à la dimension verticale qui améliore considérablement notre compréhension de l'atmosphère.  Les avantages des drones par rapport aux autres techniques existantes (télé-détection, capteurs au sol, ballons-sondes et avions) sont multiples : ils sont plus économiques, plus faciles à déployer, et surtout, ils offrent des capacités de mesure autonomes et précisément localisées.  Le développement de charges utiles spécifiques à la mission et de systèmes de pilotage automatique ont considérablement accéléré l'utilisation des drones pour résoudre les problèmes de longue date de la science atmosphérique. L'utilisation de drones pour la recherche atmosphérique ne cesse de croître.

Le Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM, Toulouse) a développé un programme de drones qui a permis le déploiement d'une flotte de drones légers capables d'échantillonner de manière adaptative et autonome les nuages individuels en fonction des données des capteurs. Par ailleurs, des drones d'endurance de classe < 25 kg ont été déployés pour étudier les aérosols, l'état de surface de la mer et la turbulence dans la couche limite marine.  Un aperçu du développement de la charge utile et de l'utilisation des drones dans les sciences de l'atmosphère sera présenté.