Les instruments scientifiques
utilisés pour EGEE 3

De très nombreux appareils de mesure et de prélèvement sont mise en oeuvre par les équipes scientifiques d'EGEE ; cette page présente une description sommaire de la plupart d'entre eux.

Appareils situés sur le pont avant (Météo France) (PDF)

Un mât est placé à l'avant du navire, afin que les capteurs se situent juste au-dessus de la mer (photo). Le mât, placé horizontalement, dépasse d'environ 2 m. Il est équipé d'instruments appelés pyranomètre (photo) et pyrgéomètre, qui mesurent le rayonnement visible (pyranomètre, de 0,3 à 3 µm) et infrarouge (pyrgéomètre, de 5 à 45 µm) émis par le ciel (demi-sphère supérieure) et réfléchi par la mer (demi-sphère inférieure). Ces mesures permettent d’obtenir un bilan radiatif net à la surface (bilan entre énergie solaire reçue et réfléchie).

Appareils installés sur le mât avant (Météo France) (version PDF)

Les instruments sont placés en haut du mât, entre 17 et 18 m au dessus de la surface de la mer (photo). Ils sont de différents types :
- pyranomètre
Un second pyranomètre, tel que celui installé à l'avant du navire (voir ci-dessus), est également installé en haut de ce mât
- anémomètre et thermomètre sonique (Gill) (photo)
Ces instruments mesurent respectivement la vitesse du vent dans les trois directions (méridienne, zonale et verticale) et la température de l'air. Ces paramètres sont indispensables pour l'étude des flux (de chaleur et d'humidité) à la surface de l’océan. L'acquisition des mesures se fait à haute fréquence (50 Hz, soit 50 mesures par seconde). Principe : mesure par effet Doppler (pour les vitesses) et mesure de la vitesse du son (pour la température)
- licor (photo)
Cet instrument effectue des mesures du gaz carbonique (CO2) et de l’humidité (particules d' H2O), à haute fréquence (20 Hz). Principe : absorption d’un faisceau infrarouge émis dans une raie du CO2 et de H2O.
- thermomètre, hygromètre et anémomètre à basse fréquence (photo)
Les instruments basses fréquences, couplés avec le licor et l’anémomètre Gill permettent une étude très précise des flux turbulents à l'interface air-mer. Ces instruments sont situés à 1,50 m en-dessous des instruments à haute fréquence décrits ci-dessus. Leur fréquence d’acquisition est de 2 s (soit 1 mesure toutes les 2 secondes) pour l’anémomètre (mesure de la vitesse et de la direction du vent) et de 10 s pour le thermomètre (mesure de la température) et l’hygromètre (mesure du contenu en eau de l'air -ou humidité-).
Ces instruments sont doublés de part et d’autre du mât.

Appareils installés sur les ponts avant du navire (PDF 1) (PDF 2)

Pluviomètre HASSE (photo)
Ce pluviomètre est couplé à un anémomètre. Il est constitué d’une coupelle horizontale, et d’un cylindre vertical pour estimer la composante horizontale des précipitations (en effet en présence de vent, les gouttes de pluie ne tombent pas selon la verticale mais sont inclinées; le cylindre permet donc de récupérer l'intégralité des gouttes, qui sont d'autant plus inclinées que le vent est fort). Selon l’intensité du vent, on utilise la coupelle, le cylindre, ou les deux (pour des vitesses de vent de 0 à 7 m/s, supérieures à 20 m/s, et de 7 à 20m /s respectivement).

Pluviomètre optique (ORG) (photo)
Cet appareil sert à la détection des précipitations par faisceau infrarouge, utilisé surtout pour identifier les débuts et les fins des précipitations.

Piver (CNRS/CETP) (photo)
Cet instrument mesure la température des précipitations (des gouttes de pluie).

Spectropluviomètre (CNRS/CETP) (photo)
Cet instrument mesure la taille et le nombre des gouttes de pluie, par absorption d’un faisceau infrarouge.

Drakkar (CNRS/CETP) (photo)
Cet instrument mesure le rayonnement électromagnétique à 23 GHz et 36 GHz (raies de H2O). Il permet ainsi de connaître le contenu intégré en vapeur d’eau et en eau liquide sur la colonne d’air située au-dessus du navire.

Interféromètre (RSMAS, Miami, USA) (photo)
Cet instrument, dont le nom signifie "Marine-Atmospheric Emitted Radiance Interferometer", (et dont le boîtier est protégé des embruns par une bâche) permet la mesure du spectre infrarouge reçu par l'atmosphère et émis par la surface de l’océan. Cette dernière permet de calculer la température de peau de la mer, c'est-à-dire la température régnant dans les tout premiers microns de la surface de la mer. La mesure précise de la température de peau est très importante, car c'est notamment celle que "voient" les satellites, et qui est directement en contact avec l'atmosphère.

Autres instruments du RSMAS
1) Sur cette structure en forme de croix sont installés 4 instruments déjà mentionnés précédemment, qui sont: 1 pyranomètre (mesure du rayonnement visible), 1 pyrgéomètre (mesure du rayonnement infrarouge), 1 thermomètre et 1 anémomètre Young (photo)
2) Cet instrument est une demi sphère réfléchissante, qui permet d’obtenir une photographiedu ciel sur la demi-sphère, donc à 180°, toutes les 2 minutes. Les photographies permettent de déterminer par la suite les types de nuages rencontrés tout le long de la campagne, ainsi que leur mouvement (après la prise en compte de la navigation du navire, déterminée par positionnement GPS). (photo)

PRP (RSMAS, Miami, USA) (photo)
Cet appareil (Portable Radiation Package) mesure le rayonnement incident (pyranomètre et pyrgéomètre) et mesure le rayonnement émis et réfléchis par les aérosols.

Bouées dérivantes de type "Marisonde" (Météo-France) (photo)
Ces dispositifs sont munis en surface d'une bouée équipée de capteurs (vitesse et direction du vent, pression atmosphérique, température de surface de la mer), en tête d'une chaîne dite bathythermique, car équipée de 12 à 19 thermistances (capteurs de la température) entre la surface et 150 ou 200 m ainsi que d'un capteur de la pression en bout de chaîne afin de pouvoir corriger la profondeur des capteurs (entraînée par les courants et le vent, la chaîne peut ne pas être parfaitement verticale). Les mesures sont acquises toutes les 60 mn et les données horaires sont transmises pa rle système Argos toutes les 90 mn. Douze dispositifs de ce type seront déployés pendant EGEE 3 et permettront un suivi des variations de la température au sein de la couche de mélange océanique et du vent à la surface. Les trajectoires des bouées dérivantes mises à l'eau dans le cadre du programme AMMA peuvent être suivies en direct sur le site de Météo France.

Bouées dérivantes de type " SVP" (Météo-France et NOAA/USA) (photo)
Ces appareils (Surface Velocity Profiler) sont équipés d'une bouée munie d'un émetteur Argos permettant la transmission quotidienne de leur position par GPS. Pour qu'ils dérivent bien en suivant le courant océanique de surface, et non pas sous l'influence du vent, une ancre flottante ( "parachute" bleu) est positionnée à 15 m sous la surface. Il existe plusieurs types de SVP :
- SVP "classique" : ils sont munis d'un capteur de température de la surface de la mer (les plus couramment utilisés). Les mesures sont effectuées toutes les 15 minutes.
- SVP-B : ils sont munis d'un capteur de température de la mer et d'un baromètre (pression atmosphérique).
- SVP-BTC : ils sont munis de 2 capteurs de température (air et mer) et d'un baromètre.
- SVP-BS : ils sont munis d'un capteur de température et d'un capteur de salinité de surface de la mer.
Les trajectoires des bouées dérivantes mises à l'eau dans le cadre du programme AMMA peuvent être suivies en direct sur le site de Météo France.

Bouées fixes de type ATLAS du programme PIRATA (photo)
Ces bouées sont des stations météorologiques positionnées en plein océan, maintenues en place grâce à un lest de 2 tonnes posé sur le fond (parfois plus de 5000 m), et relié à la bouée par un câble en acier protégé d'une gaine en plastique de la surface jusqu'à 800 m puis en nylon Les paramètres atmosphériques mesurés sont : température, humidité, pluviométrie, pression, vitesse et direction du vent. Le câble est également équipé de capteurs de la surface à 500 m de profondeur, qui recueillent des mesures de température (à 11 niveaux), de salinité (à 2 niveaux) et de pression (à 2 niveaux). Les données sont acquises toutes les 1 à 10 mn, et enregistrées. Les moyennes journalières sont transmises quotidiennement par satellite (Argos). Un réseau de 13 bouées renouvelées chaque année couvre l’Atlantique tropical. Il y en aura 16 fin juin 2006.
Les données recueillies par les bouées PIRATA peuvent être visualisées en temps réel sur le site du réseau.

Profileurs de type "PROVOR" (Ifremer/CORIOLIS) (photo)
Ces profileurs sont des flotteurs dérivants, permettant de réaliser des profils de température et de salinité entre 2000 m de profondeur et la surface de l'océan. Ils se positionnent en attente à une profondeur donnée (près de 1500 m) et réalisent tous les 10 jours des profils de température et salinité de 2000 m à la surface ; leur déplacement selon la verticale est simplement lié au principe d'Archimède, en augmentant ou diminuant leur volume via une paroi expansive remplie ou non d'un liquide. Une fois en surface, ils transmettent toutes leurs données et leur position GPS par le système Argos, avant de replonger à leur profondeur de stationnement. Leur autonomie est de trois ans.

Profileur de microstructures (IFM-GEOMAR / Kiel - Allemagne) (photo)
Cet appareil (MSS pour "Micro Structure Sensor") permet de mesurer la variation de la température et de la vitesse de l’eau de mer dans les trois directions, avec une fréquence d’acquisition de 1000 par seconde (100 mesures/sec sont significatives) et une résolution spatiale de 0.6 mm. Il peut fonctionner dela surface à 2000m, mais n'est utilisé à bord que pour étudier les microstructures des couches supérieures de l'océan, jusqu'à 250 m.
Fonction : Etude de la turbulence petite échelle (mm) et des mélanges de masse et de chaleur dans l'océan.
Il est mis en oeuvre à l'aide d'un treuil électrique permettant une vitesse verticale régulière et optimale pour les mesures, et relié par un câble électroporteur à un ordinateur qui enregistre les mesures en continu.

Réflectomètre (Lamont / USA) (photo)
Cet appareil permet la mesure du rayonnement solaire incident et réfléchi à la surface de l'océan (photo de gauche) et de 0 à 100 m de profondeur (photo de droite). Il permet le calcul de la réflectance et de l'absorption de la lumière solaire dans la colonne d’eau.

Bathysonde : CTD et LADCP (IRD) (photo)
Ce système comporte plusieurs éléments:
-un châssis en aluminium qui supporte tous les instruments ;
-des bouteilles de prélèvement d'eau de mer (22 bouteilles) d'une contenance de 8 litres. La fermeture de ces bouteilles est faite à des profondeurs choisies, grâce à une "rosette" à laquelle les bouchons des bouteilles sont reliés par un fil de nylon. Elles permettent de réaliser à bord (ou en laboratoire) sur les échantillons d'eau de mer les analyses suivantes : salinité, oxygène, sels nutritifs (nitrate, nitrite, silicate, phosphate), hélium, paramètres du carbone, isotopes 13 du carbone et 18 de l'oxygène, et fréon (CFC) ;
- une sonde CTD-O2, pour Conductivité (qui permet le calcul de la salinité), Température, profondeur (Depth) et la concentration en Oxygène dissous (O2). Cette sonde mesure ces paramètres en continu à la fréquence de 24 Hz;
-deux courantomètres à effet Doppler (en jaune), permettant la mesure des composantes horizontales du courant moyen sur des couches de 4 à 16 m d'épaisseur (en fonction de l'appareil) ;
- un fluorimètre (mesure de la concentration en phytoplancton).
Pendant EGEE3, des profils sont effectués au maximum jusqu'à 2000 m de profondeur.

Profileurs XBT et XCTD (photo)
X pour eXpendable (perdable) ; B pour Bathy (profondeur) ; T = Température ; C = conductivité (donc salinité) ; D= Depth (profondeur).
Ce sont des sondes perdables lancées à partir du bord ; leur grand intérêt est de pouvoir obtenir des profils rapidement, sans arrêter le bateau. Les plus utilisées sont les XBT, car les XCTD étant très chères… Toutes 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 m en moyenne.

CO2 de surface (LOCEAN / Paris) (photo)
Ce dispositif permet de mesurer en continu le CO2 à la surface (ou plutôt sa "pression partielle", qui permet le calcul des échanges de carbone avec l'atmosphère). Un prélèvement continu d’eau de mer est effectué sous la coque du bateau. Avec un écoulement laminaire, la concentration en CO2 de l’air du circuit fermé s’équilibre à celle de l’eau de mer, elle est ensuite mesurée.

Salinité (photo)
Cet appareil, le salinometre, permet de mesurer précisément la salinité.
Principe : mesure d’un rapport de conductivité à température constante entre un échantillon connu et l’échantillon à mesurer. La précision de ce rapport est de 2/1000, et la salinité est donc connue à environ 0,002 gramme/litre près !...
Ces mesures, faites sur les échantillons d'eau de mer prélevés sur les bouteilles, permettent un étalonnage précis des mesures de salinité fournies par la bathysonde (CTD).

Mesures de l'oxygène dissous (photo)
Ce paramètre est important car il permet notamment de savoir si les eaux ont subi une forte consommation d'oxygène ou non, et donc de déterminer leur "âge" relatif. Une eau "jeune", qui vient de quitter la surface est riche en oxygène. Une eau pauvre en oxygène ou appauvrie est soit "vieille" soit a été le lieu d'une forte consommation par les processus de production primaire (biologiques).

Mesures des sels nutritifs (photo)
Ce dispositif permet la mesure des sels nutritifs contenus dans l'eau de mer. La concentration de quatre d'entre eux sont mesurés à bord: le nitrate, le nitrite, le phosphate et le silicate. Ces paramètres permettent d'identifier les masses d'eau et certains processus biologiques qu'elles ont subi au cours de leur évolution. Le silicate permet également d'identifier les eaux de surface d'origine fluviale.

Chlorophylle et pigments (photo)
Mesure de la chlorophylle et des pigments en surface par filtration. Ce sont des filtres qui sont montrés sur la photo. Ces mesures servent pour connaître le taux de production primaire dans les eaux de surface.