D7 Optique et Biogéochimie Physique

Topique

L'optique océanique et la biogéochimie physique étudient les interactions entre la lumière et les constituants de l'eau de mer, ainsi que leurs implications sur la productivité biologique et le cycle du carbone. La lumière solaire est le moteur de la photosynthèse marine : l'irradiance photosynthétiquement active, correspondant à la portion du spectre solaire comprise entre 400 et 700 nanomètres, pénètre dans l'océan et s'atténue de façon exponentielle avec la profondeur, selon la loi de Beer-Lambert. Le coefficient d'atténuation qui régit cette perte de lumière dépend de trois facteurs : la concentration de phytoplancton, la quantité de matière organique colorée dissoute et la quantité de particules minérales en suspension dans l'eau. C'est la combinaison de ces trois facteurs qui explique que deux masses d'eau présentant la même intensité lumineuse en surface aient des profils lumineux complètement différents en profondeur.

La fluorescence de la chlorophylle est le principal outil de mesure directe de la concentration de phytoplancton dans l'eau. Lorsque la chlorophylle absorbe la lumière bleue à une longueur d'onde proche de 470 nanomètres, elle émet une fluorescence rouge à une longueur d'onde proche de 685 nanomètres. C’est précisément cette émission rouge qui permet à un capteur de mesurer la quantité de phytoplancton présente sans contact direct avec l’eau. Ces capteurs de fluorescence sont désormais intégrés à des plateformes flottantes autonomes équipées d’instruments optiques et à des planeurs sous-marins, permettant ainsi d’établir des profils continus d’abondance du phytoplancton au lieu de mesures ponctuelles isolées. La rétrodiffusion de la lumière, mesurée simultanément à plusieurs longueurs d’onde, permet d’estimer la quantité de matières particulaires – organiques et inorganiques – en suspension dans l’eau, et en particulier la quantité de carbone organique particulaire qu’elle contient. Plus la concentration de particules en suspension dans l’eau est élevée, plus la lumière rétrodiffusée vers le capteur est importante. Cette relation directe permet à la rétrodiffusion de servir de substitut optique à la mesure de la concentration particulaire, qui nécessiterait autrement une filtration de l’eau.

La transmissivité, quant à elle, mesure la quantité de lumière qui traverse une distance fixe dans l’eau, généralement d’environ 25 centimètres. À partir de cette fraction transmise, on déduit le coefficient d’atténuation de la lumière, qui est simplement la somme de deux composantes : la quantité de lumière absorbée par l’eau et la quantité de lumière diffusée. C’est précisément cette somme qui permet au coefficient d’atténuation de résumer, en un seul nombre, ce que l’eau absorbe et ce qu’elle diffuse sans absorber.

Parallèlement, les caméras à particules photographient automatiquement tout ce qui flotte dans l’eau, des particules aussi petites qu’un dixième de millimètre aux organismes de 100 millimètres. Ceci permet de suivre la distribution du zooplancton et des agrégats organiques avec un niveau de détail qu’aucun capteur optique précédent ne pouvait atteindre seul. Le comportement attendu, en combinant toutes ces techniques, est que la fluorescence atteigne son maximum juste au sommet de la pycnocline, où la lumière et les nutriments sont encore suffisants, et qu’une grande partie du carbone organique particulaire qui s’y forme est finalement exportée vers les eaux profondes. Ainsi, de l’irradiance entrant à la surface jusqu’au carbone particulaire qui finit par couler, l’optique océanique suit, longueur d’onde par longueur d’onde, le même trajet que la lumière parcourt au sein du carbone que l’océan produit et transporte.

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