D6 Échantillonnage physico-chimique

Topique

L'échantillonnage physico-chimique fournit des mesures de référence très précises des propriétés de l'eau de mer en profondeur. Ces mesures sont indispensables à la fois pour l'étalonnage des instruments autonomes décrits précédemment et pour l'étude de la chimie océanique elle-même. De vastes campagnes hydrographiques mondiales sillonnent les océans, établissant des stations hydrographiques espacées d'environ 50 à 100 kilomètres. À chaque station, un profil complet est mesuré de la surface au fond, et des échantillons d'eau sont prélevés dans des bouteilles Niskin. Ces échantillons sont ensuite analysés chimiquement en laboratoire avec la plus grande précision possible, faisant de cet échantillonnage physico-chimique la référence par rapport à laquelle tout autre instrument autonome est étalonné.

Le capteur standard utilisé pour mesurer ce profil complet est le capteur de conductivité, de température et de profondeur. Il mesure la conductivité électrique de l'eau, à partir de laquelle la salinité est déduite grâce à l'équation thermodynamique internationale de l'eau de mer ; il mesure la température avec une précision d'un millième de degré ; et il mesure la pression, c'est-à-dire la profondeur, avec une précision d'un décibar. Les capteurs modernes de ce type descendent à deux mètres par seconde tout en effectuant vingt-quatre prélèvements par seconde, produisant des profils d'une résolution verticale extrêmement élevée, avec un écart de seulement six centimètres entre les mesures.

Outre ce profil physique, les échantillons d'eau prélevés dans des bouteilles Niskin permettent également la mesure de traceurs transitoires : les chlorofluorocarbones, l'hexafluorure de soufre et le couple tritium-hélium-3, composés dont la concentration atmosphérique évolue de manière bien connue depuis les années 1940. C'est précisément cette évolution atmosphérique connue qui permet aux scientifiques de dater l'eau – depuis combien de temps elle est en contact avec l'atmosphère – en mesurant la concentration de chaque traceur transitoire dans un échantillon d'eau des grands fonds, et ainsi de calculer le taux de ventilation des profondeurs océaniques.

Les gaz dissous dans cette même eau, l'oxygène et le dioxyde de carbone, révèlent également son histoire biologique et ses échanges avec l'atmosphère. La consommation apparente d'oxygène, soit la différence entre la quantité d'oxygène que l'eau contiendrait à saturation et sa quantité réelle, quantifie la quantité d'oxygène consommée par la respiration biologique depuis que l'eau a quitté l'atmosphère. Cette consommation cumulée explique pourquoi les eaux plus anciennes et moins ventilées présentent systématiquement une consommation d'oxygène apparente plus élevée, des concentrations plus importantes de nutriments comme les nitrates et les phosphates, ainsi que des niveaux d'oxygène dissous et d'acidité plus faibles que les eaux récemment ventilées. Ainsi, en combinant le profil physique issu des capteurs de conductivité, de température et de profondeur, la datation révélée par les traceurs transitoires et l'histoire biologique reconstituée par les gaz dissous, l'échantillonnage physico-chimique permet, à partir d'un seul échantillon d'eau, de déterminer son âge et l'ensemble des transformations qu'il a subies depuis sa sortie de la surface.

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