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Blog de la Mission Sismaoré

  • Sonder la mer : l’acoustique dans la colonne d’eau

    Carla SCALABRIN nous explique ce qu’est l’acoustique dans la colonne d’eau et ses applications, notamment dans la découverte du nouveau volcan sous-marin de Mayotte et sur l’activité magmatique sous-marine de la zone.

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    Carla travaille à l’Ifremer à l’unité de recherche en géoscience marine et au laboratoire des cycles géochimiques et ressources. Elle travaille également beaucoup avec les équipes techniques de la flotte océanographique française qui développent des outils de suivi de campagne et de traitement de données acoustiques comme les logiciels GLOBE [1] et SonarScope [2]. La majorité des figures proposée dans cet article a été traitée avec ces logiciels qui sont disponibles gratuitement sur le site de la flotte océanographique française



    Historique et quelques petits éléments de vocabulaire



    Acoustique active et acoustique passive dans la colonne d’eau

    • L’acoustique passive utilise des hydrophones pour écouter les bruits dans les océans, c’est le cas des observateurs des mammifères marins qui écoutent les bruits des signaux générés par les baleines et dauphins. Mais cela peut aussi être le bruit de la pluie, des sous-marins, des crevettes, etc. L’acoustique passive n’envoie pas des signaux dans l’eau, c’est une simple écoute.
    • L’acoustique active utilise des équipements, des sondeurs, qui émettent une onde sonore dans l’eau. Dès que cette onde rencontre une interface, elle est rétrodiffusée et on écoute le signal rétrodiffusé, c’est-à-dire l’écho. Par exemple, la sismique et les sondeurs multifaisceaux fonctionnent sur le même principe.

    De manière générale l’acoustique colonne d’eau s’intéresse à ce qui se passe entre la surface et le fond des océans.

    Historique

    L’acoustique active est une approche assez ancienne, elle a plus de 100 ans.
    Pendant la première guerre mondiale, Paul Langevin, un physicien français, aidé de l’ingénieur Constantin Chilowski, ont été les premiers à créer un sonar en 1915.
    Pour inventer leur sonar, ils ont utilisé une découverte de Pierre Curie : la propriété piézo-électrique de certains cristaux capables de transformer une tension électrique en onde de pression. L’objectif était de détecter les sous-marins grâce à la réflexion des ondes ultrasonores. A l’aide de ces équipements il a été possible d’identifier des objets dans la colonne d’eau comme des sous-marins et des mines dans les premiers temps. Par la suite cette technique a été utilisée dans d’autres domaines.
    Ci-dessous les quatre premiers échogrammes publiés en 1935 par Sund, un norvégien, qui a montré qu’il était possible d’utiliser cette technique pour détecter un banc de morue.
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    Pour voir l’article original d’Oscar SUND publié dans Nature en 1935, cliquer ici

    Traduction de la légende :

    Quatre enregistrements d’« échos » montrant des morues en train de frayer au milieu de la colonne d’eau à Lofoten. Les diagrammes de gauche ont été partiellement arrêtés. L’enregistrement inférieur droit est quelque peu défiguré par des oscillations créées par les vibrations excessives du moteur du navire ; mais il montre aussi un deuxième écho du fond, réflecté par la surface. Des marques sur le dessus de chaque diagramme sont produites toutes les minutes et sont espacées de 6 à 7 mm.


    Après cette publication, les pêcheurs et les scientifiques se sont beaucoup intéressés à cette technique pour estimer les stocks de poisson en utilisant des équipements acoustiques, en particulier des sondeurs mono-faisceau.

    En termes d’acoustique active, cette technique était la seule utilisée jusqu’aux années 1980 en halieutique [3] pour la détection des cibles biologiques dans la colonne d’eau.

    Les sondeurs mono-faisceau ont également été utilisés jusqu’aux années 1970 pour cartographier les fonds sous-marins (voir Mary Tharp). Puis vers les années 1970, le développement du sondeur multifaisceaux de bathymétrie a permis d’augmenter la surface d’acquisition et la résolution du signal. Toutefois, ces sondeurs ne permettaient pas encore l’acquisition de données entre la surface de la mer et le fond des océans.
    A partir des années 1980 avec les progrès informatiques et la numérisation du signal, il a été possible d’aller beaucoup plus loin. Depuis les années 2000, les sondeurs multifaisceaux permettent d’enregistrer les signaux rétrodiffusés de la colonne d’eau.

    Ainsi, les observations sur les « émissions de fluides fond de mer » se sont généralisées autour des océans.
    L’appellation « fluides fond de mer » est un terme générique qui regroupe la détection de bulles de gaz, d’huile dans l’eau, de gouttelettes de gaz, de fluides chauds, etc. Ces fluides sont générés sous le plancher océanique et/ou sous la couverture sédimentaire et sont ensuite émis dans la colonne d’eau par des fractures ou des conduits. Ces émissions de fluides fond de mer existent un peu partout, notamment sur les marges passives (mer Noire, devant le delta de l’Amazone, golfe de Gascogne en France, mer du Nord, etc.), sur les zones de circulation hydrothermale (cheminées et fumeurs noirs dans les océans Pacifique, Atlantique et Indien) et sur les zones de volcanisme sous-marin (bassin de Manus, volcan NW Rota 1 dans le Pacifique, Mayotte, etc.)

    Échogramme polaire et échogramme longitudinal

    Pour détecter des fluides fond de mer avec un sondeur multifaisceau deux types de représentations peuvent être utilisés :

    - L’échogramme polaire est un type de représentation, il correspond à un ping : le signal émis par le sondeur multifaisceaux et le signal rétrodiffusé. Cela correspond à une vision instantanée de ce qui se passe sous le navire.
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    - L’échogramme longitudinal est une représentation de ce qui se passe le long de la route du navire, telle une coupe avec la profondeur en ordonnée et la distance sur l’axe des abscisses.
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    [1GLOBE : Globale Oceanographic Bathymetry Explorer, est un logiciel innovant pour le traitement et la visualisation de données océanographiques. GLOBE propose des capacités de traitement et d’affichage des données multi-capteurs au sein d’un même environnement 3D représenté par un globe terrestre. Téléchargeable gratuitement ici

    [2SonarScope est un logiciel innovant d’analyses avancées et de traitements de données de sondeurs multifaisceaux, sonars interférométriques et sonars latéraux. Le logiciel SonarScope est utilisé comme outil de référence pour le traitement de la réflectivité du fond, par Ifremer comme par d’autres instituts. Téléchargeable gratuitement ici

    [3halieutique : l’halieutique est un terme regroupant l’ensemble des disciplines touchant de près ou de loin à la pêche, notamment la pêche en mer

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    Auteur : Paul Deparis
    publié le mercredi 10 février 2021
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