III. QUELQUES PRINCIPES D’OCEANOGRAPHIE
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.
A. OCEANOGRAPHIE BIOLOGIQUE
L’océanographie biologique ou océanographie du vivant relève de la biogéographie (étude de la répartition géographique des communautés d’êtres vivants) et de l’écologie (étude des relations des êtres vivants avec leur environnement). Elle étudie les espèces animales et végétales qui vivent dans la mer, la production de la biomasse* et les chaînes alimentaires.
Différence entre l’océanographie biologique et la biologie marine :
La biologie marine étudie le fonctionnement des organismes marins : leur physiologie, leur mode de reproduction, leurs gènes etc. Elle considère le niveau d’organisation de l’individu.
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 milieux 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.
1. 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.
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MAILLON 1 A 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. |
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Le phytoplancton est mangé par le zooplancton
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MAILLON 2 Animaux phytophages (qui se nourrissent de matière végétale) appelés zooplancton (animaux microscopiques, larves, crustacés). |
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Le zooplancton est mangé par le necton
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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. |
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Le necton est mangé par les grands carnivores
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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.
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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…
2. 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.
3. 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.
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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) :
En savoir plus sur les grandes divisions biologiques du domaine marin
B. OCEANOGRAPHIE PHYSIQUE ET CHIMIQUE
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*…
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.
1. 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.
2. Un peu de théorie sur la physique de l'océan
En savoir plus sur la circulation océanique, la température, la densité, les propriétés optiques et acoustiques des eaux de mer
C. GEOSCIENCES MARINES
Les géosciences marines sont la géologie* et la géophysique* marines.
La géologie marine étudie les fonds océaniques, leur morphologie, la nature des sédiments*
La géophysique marine étudie quant à elle l’origine et la dynamique des fonds marins. Elle emploie des techniques comme la gravimétrie*, la sismique* ; étudie le magnétisme*. Elle travaille en relation avec la géologie et s’intéresse ainsi à la théorie de la tectonique des plaques* (processus entre la croûte océanique et la croûte continentale), les risques naturels, les ressources énergétiques et minérales.
La morphologie des fonds marins est composée de trois grands domaines : les marges continentales (passives, a ; actives, 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.
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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.
En savoir plus sur les marges continentales, les bassins océaniques (c),
les dorsales océaniques (d), les rifts, les mouvements des plaques
D. OCEANOGRAPHIE APPLIQUEE
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 :
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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.
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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.
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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.
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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).
En savoir plus sur la Comex et son fondateur :
Consultez le dossier « Henri-Germain Delauze, un pionnier des grandes profondeurs »
E. OCEANOGRAPHIE 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 et 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 :
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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)
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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 ;
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la concentration en chlorophylle*. Elle peut aussi être repérée par satellite et permet 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 de recherche 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).
Pour en savoir plus :
http://www.ifremer.fr/cersat/fr/general/general.htm
Exemple d’étude en océanographie spatiale : Océanographie spatiale : Projet Topex-Poseidon
F. OCEANOGRAPHIE OPERATIONNELLE
http://bulletin.mercator-ocean.fr/
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…
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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 lancé 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 le 14 octobre 2005, l’équipe Mercator Océan met en ligne un bulletin des prévisions océanographiques sur tout le globe pour les 2 semaines à venir (http://bulletin.mercator-ocean.fr/).
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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).
Pour en savoir plus sur les instuments de mesure utilisés en océanographie :
Cf. II. B. 2. Quelques instruments de mesure
Pour en savoir plus sur le système Mercator :
http://www.mercator-ocean.fr/html/science/piste_verte/initiation3_fr.html#sat
