Les opérations scientifiques d'EGEE 3

Cette page présente des résumés synthétiques des principales opérations scientifiques menées au cours de la campagne EGEE 3. Ces résumés sont notamment issus des présentations destinées à la mission scientifique et à l'équipage et faites à bord de l'Atalante pendant les stations fixes et les transits.

Pour présenter les facteurs qui sont prédominants pour le climat et l'océan, nous décrivons d'abord les paramètres suivants: vents, précipitation, température de surface de la mer, salinité de surface de la mer.
Les vents en Atlantique tropical sont assez réguliers, et soufflent dans le centre et l'ouest du bassin vers le nord-ouest, avec une forte composante Ouest. Dans l'est du bassin, donc le golfe de Guinée, les vents sont essentiellement du sud vers le nord, avec une composante vers le nord-est en été. Les vents, alizés du nord-est dans l'hémisphère nord et du sud-est dans l'hémisphère sud, convergent vers ce que l'on appelle la Zone Tropicale de Convergence de Alizés (ZTIC). LA ZTIC est associée à des vents très faibles et de fortes précipitations (pluies), d'où son surnom de "pot-au-noir" souvent donné par les marins. Elle subit une migration saisonnière entre sa position en hiver boréal (au sud) et en été boréal (au nord). En Afrique de l'Ouest, c'est donc lorsque la ZTIC arrive dans la position la plus nord, de juin à septembre, que se produit le régime de mousson, la Mousson d'Afrique de l'Ouest.

Il est remarquable que cette zone, la ZTIC et le maximum de précipitations, sont également associés dans l'océan avec le maximum de la température de surface de la mer (TSM). Ainsi en été boréal, les eaux chaudes se trouvent dans l'Atlantique tropical Nord, au centre et à l'ouest du bassin, tandis que le golfe de Guinée se distingue par la présence d'eaux beaucoup plus froides. Ainsi, le golfe de Guinée est la région où la variabilité saisonnière de la TSM est la plus importante en Atlantique tropical. Cette présence d'eaux froides est liée à la remontée d'eaux profondes (ou "upwelling") depuis la couche de subsurface, qui se produit en raison de deux mécanismes distincts: un upwelling équatorial (dû au renforcement du vent d'est dans le centre et l'ouest du bassin qui entraîne les eaux chaudes de surface vers l'ouest, et fait remonter les eaux dans l'est du bassin, par conservation de la masse) et un upwelling de grande échelle dans le sud du golfe de Guinée, appelé "langue d'eau froide", lié en partie à la direction sud-nord des vents dominants, qui induit par le même phénomène la remontée d'eau de subsurface. En fait les causes exactes de la présence de cette langue d'eau froide ne sont pas si simples, mais seraient un peu longues à détailler ici… C'est d'ailleurs le sujet d'un programme international d'océanographie qui débutera en 2007 (TACE).

Comprendre les mécanismes qui font que la ZTIC, les précipitations et la TSM soient fortement corrélées est un des buts du programme EGEE. Quels sont les processus physiques qui font varier la TSM, en plus du vent (qui est le principal moteur des courants de surface, mais n'est pas le seul) ? Le renforcement des vents est-il dû aux différences méridiennes de la TSM, ou l'inverse ? Les eaux chaudes réchauffent les masses d'air chargées d'humidité, dont l'élévationdans l'atmosphère favorisent la formation des nuages précipitants, donc les pluies.
Je vous reporte au journal du 7 juin dans lequel étaient expliqué schématiquement les mécanismes qui sont responsables de la variation de la TSM. En ce qui concerne les mesures océaniques, il faut donc mesurer: les courants (seuls les courants horizontaux sont mesurables) et les caractéristiques hydrologiques des masses d'eau (température, salinité, oxygène dissous, sels nutritifs). D'autres mesures fines (MSS) permettront de mieux estimer les mélanges verticaux au sein des couches supérieures de l'océan, notamment au niveau des fortes différences entre les masses d'eau et des courants. L'étude de ces paramètres recueillis au cours d'une campagne permettra d'analyser la situation des structures des courants et des masses d'eau, et les variations observées entre les différentes campagnes d'en analyser la variation saisonnière et interannuelle.
En combinant ensuite ces mesures avec les mesures de flux atmosphériques, nous pourrons comprendre mieux le pourquoi et le comment du rôle de l'océan sur l'atmosphère et vice-versa, et comment le golfe de Guinée joue un rôle dans l'établissement et l'intensité de la mousson ouest-africaine. Enfin, il faut mentionner le rôle de la salinité de surface. L'Atlantique tropical est l'océan dans lequel les deux plus grands fleuves du monde rejettent leurs eaux douces, l'Amazone à l'ouest, et le Congo à l'est. Dans le golfe de Guinée, l'effet conjugué du Congo, du Niger et des fortes précipitations a des conséquences évidentes sur la salinité de surface, qui est donc beaucoup plus faible en fonction de l'apport d'eau douce. Ces eaux douces de surface peuvent avoir un effet sur la couche de mélange et la TSM, donc sur les échanges air-mer, ce qui sera aussi étudié dans le cadre du programme.

Pour le groupe "interactions air-mer" (CNRM et CETP), l'objectif d'EGEE/AMMA est de comprendre l'évolution des températures à l'interface entre l'océan et l'atmosphère. Au cours de l'hiver boréal, la température de l'océan (TSM) se réchauffe régulièrement mais entre les mois de juin et d'août, on observe une chute importante de la TSM sur l'ensemble du Golfe de Guinée. Ce refroidissement est encore plus accentué vers l'Equateur ("langue d'eau froide") et le long des côtes africaines ("upwelling côtier"). Ce refroidissement coïncide avec l'établissement de la mousson africaine. La question est de savoir quel rôle jouent les flux (échanges d'énergie et d'eau) à l'interface entre l'océan et l'atmosphère et quelle est la réaction de l'océan superficiel à ce changement des conditions atmosphériques.

Notre dispositif instrumental consiste par conséquent à mesurer des flux à bord de l'Atalante, le plus précisément possible à partir de mesures de turbulence atmosphérique (usage d'un anémomètre sonique, d'un réfractomètre, d'un licor permettant d'évaluer des tensions de vent, des flux de chaleur latente et de chaleur sensible par différentes méthodes) de mesures plus classiques (vent, température, humidité, précipitations ...). Des mesures océaniques sont également effectuées grâce à la mise à l'eau de bouées dérivantes pour documenter les couches superficielles de l'océan (profils de températures recueillies à partir de bouées MARISONDE et SVP). Des radiosondages (température, humidité, pression et vent) sont enfin réalisés pour compléter sur mer le réseau de mesures atmosphériques de l'expérience AMMA.  

Les systèmes des fleuves et rivières tropicales peuvent avoir un impact majeur sur les cycles du carbone et de l'azote sur l'écosystème marin. Même en faible quantité, les apports fluviatiles d'éléments "trace" (fer, silicate, phosphore etc.) peuvent avoir un effet stimulateur majeur sur la fixation de l'azote, la production primaire et la production nouvelle, et donc sur les cycles du carbone et de l'azote. Il a été montré que l'introduction de tels éléments nutritifs peut initier une cascade écologique complexe, qui peut aboutir à un accroissement du piégeage du carbone par des algues diazotrophes. Il a également été montré que le coefficient d'atténuation par diffusion (dénommé K490) est corrélé à l'absorption due à la Matière Organique Colorée Dissoute (CDOM), et que la valeur de ces deux paramètres (mesurés par des procédés optiques) est fortement corrélée à la salinité de l'eau de mer dans les zone océaniques sous influence de la décharge amazonienne dans l'Océan Atlantique Tropical Nord-Ouest. Il est donc raisonnable de penser qu'un même type de corrélation peut exister au sein des décharges des fleuves présents dans l'Atlantique Equatorial Est (Congo, Niger). Cependant, à notre connaissance, il n'y a pas été fait dans cette région de mesures de la fixation de l'azote, du coefficient K490 et de la concentration en CDOM. De plus dans cette région, la présence en grande quantité d'aérosols dans la haute atmosphère (due aux poussières transportées par les vents) combinée à l'absorption due à la CDOM provenant des fleuves fait que les estimations de la biomasse phytoplanctonique à partir de mesures faites à partir de satellites sont extrêmement complexes. De plus, ces deux facteurs vont également induire une surestimation de la concentration de chlorophylle à partir de telles mesures. Ainsi, il est absolument nécessaire de valider les produits obtenus à partir de la couleur de l'océan mesurée par satellite dans de telles régions.

Nous faisons donc à bord :
1) des mesures de l'absorption du spectre de la lumière dans l'eau de mer, due au matériel particulaire, détritique et dissous ; de la concentration en carbone organique dissous ; de la concentration en pigments phytoplanctonique par chromatographie (HPCL pour High Performance Liquid Chromatography) ;
2) des profils verticaux spectroradiométriques de l'irradiance (descendante, soit de la surface vers le fond) et de la radiance (remontante, soit du fond vers la surface) afin de calculer le spectre du coefficient d'atténuation diffuse et la radiance normalisée (le coefficient d'atténuation de la lumière est estimé grâce au rapport du spectre de la lumière pénétrant en profondeur et réfléchie par l'eau de mer vers la surface) ;
3) en certaines stations, des profils verticaux des rapports isotopiques de l'azote (rapport entre la concentration des isotopes 15 et 14) et du carbone (isotopes 13 et 12) au sein de la Matière Particulaire Organique (MPO) ;
4) des mesures de l'épaisseur optique des aérosols avec un photomètre portable, afin de pouvoir caractériser la propriété des aérosols dans cette région ; de telles mesures ont déjà été effectuées en septembre 2005 au cours d'EGEE 2.

La concentration de CO₂ dans l’atmosphère augmente constamment en raison des activités humaines. L’océan mondial est un puits important de CO₂, absorbant environ 1/3 des quantités émises. Certaines régions océaniques en absorbent (puits de CO₂ pour l’atmosphère) tandis que d’autres en dégazent (sources de CO₂). L’Atlantique tropical est une source de CO₂ pour l’atmosphère mais son intensité et sa variabilité sont mal connues. Au cours de la campagne EGEE, on mesurera en continu la fugacité de CO₂ dans l’air et l’eau ; ce paramètre représente la quantité de gaz carbonique (Le CO2 n'etant pas un gaz ideal, on parle de fugacite de CO2 au lieu de pression partielle de CO2. Numeriquement la fugacite est tres proche de la pression partielle). Ces mesures vont permettre d'en déterminer le flux à l’interface air-mer dans cette région et de mieux comprendre les processus affectant la variabilité du CO₂ (influence de l’upwelling équatorial et de la langue d'eau froide, impact de l’apport du Congo à l’océan).

Les mesures réalisées pendant EGEE vont compléter les données obtenues par le réseau d’observations de CO₂ mis en place dans le cadre du projet européen CARBO-OCEAN, dont un des objectifs consiste à mieux déterminer le flux de CO₂ à l’interface air-mer, sa variabilité saisonnière, et son évolution à long terme face à l’augmentation du CO₂ atmosphérique.

Un capteur CO₂ et une optode (capteur optique) pour mesurer l’oxygène dissous seront également installés sur la bouée PIRATA à 6°S, 10°W. Cette station permettra d’obtenir une série temporelle de fugacité de CO₂ et de O₂ dans l’upwelling équatorial.

Pendant la campagne EGEE 3, des mesures de microstructure océanique sont réalisées de la surface à environ 200 m de profondeur. La motivation principale est de quantifier l'impact des processus de mélange entre des couches de densité différente (c'est-à-dire à travers les isopycnes) sur la variabilité de la température de surface de la mer dans l'Atlantique Est équatorial, notamment dans les zones où se produisent des upwellings et la langue d'eau froide.

Le programme consiste à mesurer sur la verticale, et à échelle très fine (microstructure), le cisaillement du courant horizontal et la température dans les couches supérieures de l'océan (de la surface à 250 m environ). Ces mesures sont utilisées conjointement aux mesures de la CTD (Conductivité, à partir de laquelle on calcule la salinité; Température et profondeur -Depth-) et des courantomètres à effet Doppler (du navire et montés sur le châssis de la bathysonde). Nos principaux objectifs sont:
1) de quantifier la variabilité spatiale et temporelle des processus de mélange dans les regions d'upwelling;
2) d'améliorer la paramétrisation du mélange via l'analyse des conditions océaniques et météorologiques influant sur les mécanismes de mélange;
3) d'améliorer les estimations des flux (transferts) diapycnaux (donc à travers les isopycnes) de chaleur, sel et traceurs biogéochimiques à travers notamment la base de la couche de mélange.

Ces objectifs pourront être remplis grâce à l'analyse conjointe de toutes les données collectées à bord (océanographiques et météorologiques), mais aussi avec des observations faites par satellite, obtenues à partir de profileurs et de bouées dérivantes, et des résultats de modèles numériques à haute résolution. Les résultats permettront de progresser dans notre connaissance et compréhension des processus majeurs qui contrôlent la température de surface de la mer dans l'Atlantique Tropical, ce qui constitue une importante contribution pour améliorer les prévisions climatiques dans cette région et les pays avoisinants. Enfin, ils vont aussi permettre une meilleure estimation des transferts des particules biogéochimiques entre l'océan et l'atmosphère dans les régions d'upwellings, particulièrement riches.

La couche de mélange océanique est la couche de surface en contact de l'atmosphère où les paramètres -température et salinité, donc densité - sont homogènes; c'est au sein de cette couche que s'effectue les échanges entre l'océan et l'atmosphère, et son épaisseur et sa température conditionnent l'énergie disponible qui peut être transférée à l'atmosphère. Sa profondeur varie beaucoup d'une région à une autre. Dans le Golfe de Guinée, elle est de l'ordre de 20 à 50m, tandis qu'elle peut atteindre 100m dans l'ouest du bassin Atlantique Tropical. C'est dans cette dernière région, où les eaux sont très chaudes en été, que les conditions sont favorables pour entretenir et alimenter en énergie les tempêtes tropicales et les cyclones. La base de la couche de mélange se caractérise par une variation de la densité sur la verticale, ce qui limite donc le transfert de l'énergie vers les couches plus profondes. Il est intéressant de noter que dans les régions soumises à de fortes précipitations -pluies- et à des décharges fluviales, donc un apport d'eau douce, la salinité de l'eau va jouer un grand rôle sur cette couche de mélange, et ainsi générer une variation de la densité; la salinité peut donc limiter l'épaisseur de la couche de mélange, et influer en retour sur la température de la surface susceptible d'augmenter… Ce phénomène s'observe surtout dans les océans tropicaux, dans le Pacifique Ouest, où l'on rencontre de fortes précipitations, dans l'Atlantique Ouest, où se trouve l'Amazone, et aussi dans le Golfe de Guinée, où les précipitations sont importantes dans la baie du Biafra et où se trouvent le Congo et le Niger.

La couleur de l'eau océanique est un élément qui peut permettre de mesurer les concentrations en nutriments de l'océan de surface. Cette propriété est utilisée par certains satellites dits de 'Couleur de l'océan'. Mais la couleur de l'eau est fonction de nombreux facteurs, phytoplancton, matière organique dissoute, etc … et les mesures sur le terrain sont encore plus nécessaires que pour tout autre paramètre mesuré par satellite.

Au large, l'océan est bleu, bleu outre-mer ! (avec un contenu pauvre en matières), alors que dans les régions côtières ou les régions d'upwelling elle est verte ou brune suivant le matériel en suspension – phytoplancton, matériel organique dissous (par exemple des feuilles), sédiments. Ces éléments ont des couleurs caractéristiques, donc si on mesure correctement la couleur de l'eau, on doit pouvoir déterminer la quantité de chaque composant se trouvant dans cette eau.

Comparée aux eaux océaniques, les eaux du fleuve Congo au large duquel nous nous trouvons, nous sont apparues de couleur verte correspondant à la présence de phytoplancton et de matériaux dissous.

Par ailleurs les rivières en milieu tropical peuvent avoir un impact majeur sur le cycle du carbone et de l'azote des écosystèmes marins. Même en petites quantités, les rejets fluviaux d'éléments traces comme le fer, la silice ou le phosphore ont un effet stimulant sur la production marine primaire et la production nouvelle, et donc sur le cycle du carbone et de l'azote. L'introduction de tels nutriments est à l'origine d'une cascade écologique complexe : la population dominante de phytoplancton change, depuis des espèces côtières qui épuisent le nitrate rejeté par le fleuve, aux associations de diatomées diazotrophes qui fixent l'azote et produisent leur propre nitrate, puis à des picoplanctons océaniques lorsque les nutriments sont fixés ou utilisés par le phytoplancton. Lorsque les diatomées diazotrophes coulent, le carbone qu'elles fixent est transporté au fond de l'océan, conduisant à la séquestration de carbone issu du gaz carbonique atmosphérique. Ceci a un impact sur le bilan de carbone atmosphérique et est un donc un élément important pour la problématique du réchauffement climatique

L'atténuation diffuse de la lumière change également lorsque les eaux turbides du fleuve se mélangent avec les eaux claires océaniques. Cette atténuation, dans certaines longueurs d'onde, est liée à l'absorption par la matière organique dissoute colorée (CDOM) et ces mesures optiques sont corrélées à la salinité du panache du fleuve. Notre collègue américain, Ajit, pense que la plus forte absorption de la lumière par le CDOM et une couche de mélange peu profonde associée au panache du fleuve peut conduire à des températures de surface de la mer plus élevées.

Par ailleurs, l'océan Atlantique est une région de dépôt intense de poussières transportées depuis les régions saharienne et sub-saharienne du continent africain. Celles-ci accroissent la production primaire de cette région. Cependant la combinaison d'une importante épaisseur d'aérosol due aux poussières éoliennes et la forte absorption due au CDOM des fleuves font que la télédétection par satellite des biomasses de phytoplancton dans cette région est extrêmement complexe puisque ces deux facteurs conduisent à des estimations trop fortes de concentration en chlorophylle par les satellites.

Les paramètres suivants sont mesurés pendant la campagne (photo) :
1) Spectre de l'absorption de la lumière dans l'eau due aux particules, détritus et matériels dissous, carbone organique dissous, rétrodiffusion de la lumière, fluorescence du CDOM, et mesures de pigments
2) Profils spectroradiométriques verticaux de rayonnement vers le bas et vers le haut afin de calculer le coefficient d'atténuation diffuse K490

Les moussons sont des phénomènes saisonniers des régions tropicales, qui sont particulièrement importants lorsqu'un continent se situe au nord ou au sud de l’océan équatorial (Australie, Inde, Afrique de l’ouest notamment). Les études climatologiques ont montré que c’est la différence de température et de pression en surface entre le continent et l’océan qui est le moteur de la mousson. En Afrique de l’ouest, les premières pluies sont observées au printemps sur le sud du continent et le golfe de Guinée, puis, vers la fin juin, la zone d’orages caractéristique de la mousson se décale rapidement vers le nord, balayant la zone sahélienne. La saison de mousson est la seule période de l’année où il pleut dans ces régions, d’où l’importance de bien connaître et prévoir son déclenchement, ainsi que son extension. En effet, la mousson varie parfois fortement d’une année sur l’autre, tant dans la date de démarrage que dans son intensité et son extension maximale au nord. Le programme AMMA a pour objectifs de comprendre les mécanismes qui régissent ces variations de la mousson africaine, visant l’amélioration de la prévision saisonnière et d’une année sur l’autre. C’est pourquoi un important dispositif expérimental est installé en plusieurs points du continents (Bénin, Niger, Mali, Sénégal), et inclut une campagne de mesures dans le golfe de Guinée.

Pourquoi faire des mesures dans le golfe de Guinée ?
La raison majeure est que la mousson se déclenche lorsque des conditions bien précises sont établies : une zone de très forte chaleur dans la basse atmosphère au sud du Sahara (dépression thermique), et un refroidissement en surface dans le golfe de Guinée. En effet, le contraste de température entre le Sahara surchauffé, et l’océan frais permet le renforcement de l’écoulement du sud vers le nord, apportant de l’air humide sur le continent.

Qu’attend-on de la campagne EGEE pour l’étude de la mousson ?
- d’abord de comprendre les mécanismes qui conditionnent l’apparition de cette langue d’eau fraîche dans le golfe de Guinée et sa variabilité : quelle est la part de l’atmosphère (vent de Sud-Sud-Est soufflant régulièrement en juin), et celle de l’océan (modifications de la circulation dans le golfe) dans la remontée d’eau de sub-surface ? Pourquoi y a-t-il une forte variabilité entre les années (eau fraîche marquée en 2005, alors que le phénomène semble tarder un peu en 2006) ? l’augmentation de débit des fleuves, les orages qui se sont produits sur le nord du golfe au printemps ont-ils un rôle ?
- ensuite de donner une meilleure connaissance de l’atmosphère dans cette région : l’absence de mesures régulières (sauf sur quelques bouées) fait qu’on ne sait pas comment évolue ce flux de sud qui vient alimenter la mousson. Quelle importance a le refroidissement de l’eau de surface sur l’atmosphère ? peut-on quantifier l’humidité transportée sur le continent  dans cette couche atmosphérique ?