L’innovation au service de la connaissance des océans

L’océan demeure un espace essen­tiel pour le trans­port de marchan­dis­es. 80 % des échanges com­mer­ci­aux pren­nent la voie mar­itime, et un des pre­miers fac­teurs de la mon­di­al­i­sa­tion est le développe­ment du trans­port maritime.

“ La cartographie marine doit s’adapter aux nouvelles conditions de la navigation ”

Ce dernier prend dif­férentes formes : accroisse­ment rapi­de des ton­nages des navires, porte-con­teneurs notam­ment, ouver­ture de nou­velles lignes en fonc­tion du développe­ment et des déplace­ments des cen­tres de pro­duc­tion et des lieux de con­som­ma­tion, gigan­tisme des ports en tête de ligne, nou­velles organ­i­sa­tions en hubs de la cir­cu­la­tion des marchandises.

La car­togra­phie marine indis­pens­able à la sécu­rité de la nav­i­ga­tion sur ces lignes de trans­port mar­itime doit s’adapter à ces nou­velles con­di­tions de la nav­i­ga­tion, alors que son actu­al­i­sa­tion néces­site des opéra­tions lour­des. Un phénomène ana­logue s’observe dans le domaine en plein essor de la croisière, avec une course au gigan­tisme des navires.

Un gisement de ressources mal connu

L’océan est aus­si un espace de ressources, énergé­tiques et minérales. L’exploitation de ces ressources repose sur l’installation en mer de dis­posi­tifs d’exploration et de pro­duc­tion, dont le coût, déter­miné par les con­di­tions physiques par­fois extrêmes ren­con­trées dans le milieu marin, est très élevé.

L’optimisation de l’installation de ces dis­posi­tifs ain­si que l’efficience et la sécu­rité de leur exploita­tion ne sont donc pos­si­bles qu’avec une con­nais­sance adéquate de l’océan.

Celle-ci est très rarement suff­isante a pri­ori, y com­pris sur les plateaux con­ti­nen­taux (fonds inférieurs à 200 mètres), ren­dant par exem­ple déli­cat le choix des zones d’implantation des dis­posi­tifs de pro­duc­tion d’énergie marine renouvelable.

L’exploitation raison­née des ressources vivantes est d’un degré de com­plex­ité sup­plé­men­taire, car met­tant en jeu la com­préhen­sion des écosys­tèmes et des inter­ac­tions qui les structurent.

Enjeux de sécurité

Ces activ­ités économiques à haute valeur ajoutée, dans des espaces que leur nature même rend dif­fi­ciles à con­trôler, sus­ci­tent des con­voitis­es, qui se traduisent depuis plusieurs années par l’essor d’activités illicites : pira­terie, traf­ic de stupé­fi­ants, pêche non déclarée et non réglementée.

“ Mers et océans restent encore peu connus ”

Une des dif­fi­cultés ren­con­trées par cer­tains États côtiers con­fron­tés à ces activ­ités est le manque de cartes marines des zones lit­torales, famil­ières aux crim­inels qui s’y réfugient, mais dif­fi­ciles d’accès aux unités des autorités qui les pourchassent.

Enfin, rap­pelons le rôle essen­tiel de l’océan dans la dynamique du cli­mat : trans­ports de chaleur de l’Équateur vers les Pôles, action dans le cycle du car­bone, impact de l’acidification qui en résulte, nom­breuses sont les ques­tions qui restent à pré­cis­er pour quan­ti­fi­er plus fine­ment les évo­lu­tions, glob­ales et régionales du cli­mat et sa réponse aux forçages anthropiques.

L’océan, une nouvelle frontière

Mers et océans restent encore peu con­nus (la topogra­phie de la sur­face de Mars est bien mieux décrite¹ que celle du fond des océans).

La prin­ci­pale rai­son tient aux car­ac­téris­tiques physiques mêmes du milieu marin : opaque aux ondes élec­tro­mag­né­tiques, sauf pour quelques longueurs d’onde et pour de faibles pro­fondeurs, hos­tile à l’occupation de longue durée, deux fois plus éten­du que les sur­faces con­ti­nen­tales, son obser­va­tion reste dif­fi­cile et néces­site la mise en œuvre de tech­niques par­ti­c­ulières, tou­jours plus coû­teuses que celles util­is­ables pour la sur­face ter­restre².

La pres­sion des enjeux rap­pelés plus haut et l’exploitation du pro­grès tech­nologique ont heureuse­ment sus­cité un cer­tain nom­bre d’innovations, sources de pro­grès dans la con­nais­sance des océans.

De nouveaux outils d’exploration

L’observation de l’océan a béné­fi­cié depuis une ving­taine d’années de la mise au point de nou­veaux types de cap­teurs don­nant accès à des mesures d’une pré­ci­sion et d’une réso­lu­tion très améliorées.

La général­i­sa­tion des sys­tèmes de posi­tion­nement par satel­lite et la banal­i­sa­tion sur les navires spé­cial­isés des son­deurs acous­tiques mul­ti­fais­ceaux (SMF), mesurant la topogra­phie du fond sur une bande large de qua­tre à cinq fois la pro­fondeur, con­stituent une rupture.

Tou­jours dans le domaine des tech­niques de mesure acous­tiques, l’observation des courants a été révo­lu­tion­née il y a une quin­zaine d’années par la général­i­sa­tion des couran­tomètres à effet Doppler, don­nant accès de manière fiable à la struc­ture tridi­men­sion­nelle du courant, ponctuelle­ment ou sur un pro­fil ver­ti­cal ; dans le même temps, l’arrivée à matu­rité des tech­niques de télédé­tec­tion par radar HF ter­restre étend con­sid­érable­ment les pos­si­bil­ités du suivi en temps réel des courants de surface.

Capteurs optiques

Les tech­nolo­gies optiques ne sont pas en reste. Les avancées tech­nologiques dans le domaine du laser bathymétrique aéro­porté (lidar) en font désor­mais un out­il essen­tiel d’exploration des zones mar­itimes côtières, comme il l’est depuis quelques années pour la mesure de la topogra­phie terrestre.

De manière plus prospec­tive, des cap­teurs optiques in situ faciliteront sans doute d’ici quelques années la mesure de la salin­ité des océans, paramètre essen­tiel à la com­préhen­sion de sa dynamique. L’appréhension de cette dernière repose égale­ment sur une déter­mi­na­tion pré­cise du géoïde³ sur les espaces mar­itimes ; la mesure pré­cise du champ de pesan­teur en mer, très dif­fi­cile, pour­rait être révo­lu­tion­née d’ici quelques années par la mise au point d’un grav­imètre embar­qué exploitant les pos­si­bil­ités offertes par les atom­es froids.

Le rôle irremplaçable des satellites

Ces mesures, réal­isées dans l’océan ou à prox­im­ité de sa sur­face, sont com­plétées par les obser­va­tions de satel­lites spé­cial­isées, dont chaque généra­tion voit les per­for­mances sen­si­ble­ment améliorées, en par­ti­c­uli­er la réso­lu­tion spa­tiale et spec­trale des imageurs pas­sifs, pour la ther­mométrie ou la mesure du con­tenu en chloro­phylle des couch­es super­fi­cielles de l’océan.

La mesure par satel­lite du niveau de la mer, dont la pré­ci­sion per­met désor­mais, grâce à celle des moyens de posi­tion­nement des satel­lites, de suiv­re les effets du réchauf­fe­ment cli­ma­tique, mais aus­si d’inférer l’existence de monts sous-marins, con­naî­tra dans les prochaines années une rup­ture avec la mise en ser­vice d’instruments cou­vrant toute une bande d’espace sous la tra­jec­toire du satel­lite, au lieu de la trace sim­ple qui actuelle­ment lim­ite la réso­lu­tion spa­tiale et tem­porelle des observations.

Relevé de l’entrée de l’aber Benoît (Fin­istère) par laser bathymétrique aéroporté.

Des masses de données en forte croissance

Les vol­umes de don­nées ain­si recueil­lis con­nais­sent une crois­sance qua­si expo­nen­tielle. Les capac­ités des out­ils de traite­ment con­stituent à cet égard un défi : l’efficacité de la cal­i­bra­tion et de la val­i­da­tion des don­nées, de leur inter­pré­ta­tion, de leur stock­age, sont trib­u­taires de moyens infor­ma­tiques, matériels et logi­ciels, pour lesquels il existe encore un large poten­tiel d’améliorations, indis­pens­ables pour accélér­er la disponi­bil­ité des don­nées traitées.

“ Intégrer des paramètres biologiques aux modèles numériques de l’océan ”

En aval, la crois­sance des puis­sances de cal­culs et les pro­grès de l’analyse numérique per­me­t­tent le développe­ment de mod­èles numériques représen­tant de plus en plus pré­cisé­ment les phénomènes océaniques et com­bi­nant et assim­i­lant les don­nées de toutes orig­ines, sur le même principe général que les mod­èles météorologiques mais avec une réso­lu­tion spa­tiale que la dynamique de l’océan impose beau­coup plus fine.

Par­mi les prochaines avancées de ces tech­niques, les plus atten­dues sont la mod­éli­sa­tion des mou­ve­ments ver­ti­caux, qui jouent un rôle essen­tiel dans les échanges de chaleur avec l’atmosphère, et l’intégration de paramètres biologiques aux mod­èles numériques de l’océan.

Les robots, nouveaux auxiliaires

Drone sous-marin équipé de capteurs.

Une des prin­ci­pales lim­i­ta­tions dans l’observation de l’océan vient de ce que, sous sa sur­face acces­si­ble aux mesures satel­li­tales, les obser­va­tions reposent essen­tielle­ment sur des cap­teurs in situ, immergés dans le milieu. La con­fig­u­ra­tion clas­sique de navires spé­cial­isés empor­tant ces cap­teurs reste très coû­teuse mal­gré l’automatisation crois­sante des navires et des instru­ments de mesure.

Aus­si la robo­t­ique est-elle depuis quelques décen­nies une voie de développe­ment pour l’observation de l’océan.

Longtemps lim­itée aux pro­fileurs de tem­péra­ture (bouées plongeant et remon­tant régulière­ment, soumis­es au déplace­ment des courants) et aux engins téléopérés de recon­nais­sance visuelle – et ponctuelle – des fonds, ses pro­grès récents, ain­si que ceux de la minia­tur­i­sa­tion des cap­teurs, font appa­raître des nou­velles con­fig­u­ra­tions qui joueront très prob­a­ble­ment un rôle essen­tiel d’ici quelques années : engins autonomes sous-marins (AUV) ou de sur­face, por­teurs de SMF et d’autres moyens acous­tiques d’investigation des fonds, pla­neurs sous-marins capa­bles d’échantillonner pen­dant plusieurs années les pro­priétés hydrologiques.

La mat­u­ra­tion de ces tech­nolo­gies sera prin­ci­pale­ment déter­minée par les pro­grès de l’autonomie énergé­tique, et, pour cer­taines appli­ca­tions, par la capac­ité à se posi­tion­ner pré­cisé­ment en sub­sur­face, hors de la portée des satel­lites de positionnement.

Des données partagées par la communauté des utilisateurs

Enfin, au-delà du sché­ma clas­sique de col­lecte, traite­ment, exploita­tion / sim­u­la­tion des don­nées, la pro­fonde révo­lu­tion des out­ils et principes de dif­fu­sion et de mise à dis­po­si­tion des don­nées et infor­ma­tion, sous l’influence com­binée des pro­grès tech­nologiques d’Internet et de l’évolution des régle­men­ta­tions, prin­ci­pale­ment européennes, sur l’accès aux don­nées, con­stituera sans aucun doute, dans les toutes prochaines années, une source d’innovations, tant dans les usages que dans la col­lecte de nou­velles don­nées (crowd­sourc­ing, sci­ences par­tic­i­pa­tives, plates-formes numériques collaboratives).

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1. Une mesure tous les 12 mètres.
2. Par exem­ple, à sur­face égale, les mesures de pro­fondeur sont entre 10 et 30 fois plus coû­teuses en mer qu’à terre. La super­fi­cie des eaux sous juri­dic­tion française est 20 fois supérieure à la super­fi­cie ter­restre de la France.
3. Le géoïde est l’équipotentielle du champ de pesan­teur, par rap­port à laque­lle doivent s’apprécier notam­ment les élé­va­tions dynamiques du niveau marin.

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