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Prendre la température de la mer : des thermomètres aux satellites

 

Le fait que l'eau de surface soit plus ou moins chaude selon les saisons et les régions n'a évidemment pas échappé aux premiers navigateurs, et pouvait s'expliquer facilement par l'alternance des étés et des hivers ou par le climat des différentes latitudes. La température des eaux profondes ne se prêtait qu'à des hypothèses : à une croyance théorique selon laquelle elle est plus chaude car plus proche du feu central de la Terre s'opposait l'expérience pratique des navigateurs constatant que le plomb de sonde est plus froid quand il remonte. Cependant aucune mesure ne fut possible avant l'invention des premiers thermomètres scellés, au milieu du 17° siècle.

Fondée en 1660, la Royal Society de Londres a joué un rôle considérable dans de nombreux domaines de la science ; pendant ses toutes premières années, les sciences de la mer y ont fait l'objet d'une attention toute particulière. Certains de ses membres, qui figuraient parmi les esprits les plus brillants de l'époque en Angleterre, s'intéressèrent à l'amélioration des thermomètres et furent les premiers à en plonger sous l'eau, d'abord dans la Tamise puis en mer.

Le défi de la mesure en eau profonde

Si la mesure de la température de l'eau de surface ne soulevait pas de difficultés particulières, celle de l'eau plus profonde a connu jusqu'à la fin du 19° siècle une histoire trouble car elle se heurtait sans cesse à plusieurs types de problèmes.

Tout d'abord, il fallait que la lecture du thermomètre, une fois celui-ci remonté à bord, traduise la température de la profondeur à laquelle on l'avait descendu, et pas celle des couches traversées lors de sa remontée. Les premières expériences consistaient à le remonter très rapidement puis à en faire la lecture immédiatement. Une autre solution était de remonter un volume d'eau et à en mesurer la température sur le bateau ; mais l'eau pouvait se réchauffer en remontant, et surtout les récipients employés étaient loin d'être étanches et la température lue à l'arrivée ne correspondait souvent pas à grand-chose.

Une étape importante fut franchie en 1782 avec l'invention par J. Six du thermomètre minimum-maximum en forme de U, encore actuellement pour les usages domestiques. Dans tous les cas où la température décroît de façon continue avec la profondeur (ce qui est assez généralement le cas en mer), il permettait une mesure de la température du point le plus bas atteint par le thermomètre. Ce modèle fut utilisé jusqu'aux années 1870, malgré quelques tentatives de mise au point ou d'utilisation de thermomètres métalliques. C'est un Français, G. Aimé, qui inventa en 1845 un thermomètre dit "à renversement" utilisable en toute situation, en s'inspirant de l'étranglement des thermomètres médicaux. Déclenché à la profondeur désirée par un poids coulissant sur le câble (le "messager"), ce renversement avait pour effet de couper la colonne de mercure au niveau d'un étranglement du tube de verre, ce qui en stabilisait le niveau et permettait la lecture ultérieure. Mais Aimé ne sut pas convaincre, et son procédé tomba dans l'oubli avant d'être repris outre-Atlantique quelques décennies plus tard. Au début du 20ème siècle, le thermomètre à renversement était devenu l'outil universel de l'océanographie, bijou de verre et mercure permettant une mesure à un ou deux dixièmes de degré.

Le deuxième problème de la mesure de la température en profondeur était celui de l'effet de la pression sur les thermomètres : une fois immobilisé à la profondeur voulue, le niveau de liquide (alcool, mercure) contenu dans le thermomètre était-il, en plus de la température, influencé par la pression ambiante ? Si oui, les lectures de température profonde étaient biaisées, et il fallait appliquer une correction dépendant de la profondeur. Cette question fondamentale fut posée dès le début par R. Boyle de la Royal Society, qui fit en 1671 une expérience démontrant le rôle de la pression. Mais elle resta étrangement ouverte au débat pendant très longtemps, alors que tous les éléments permettant d'en juger de façon définitive avaient été identifiés. Les deux opinions opposées sur le rôle de la pression eurent cours parallèlement pendant plus de deux cents ans et, lorsqu'ils étaient utilisés, les dispositifs destinés à protéger les thermomètres de la pression étaient peu ou pas efficaces. La confusion était donc grande, et sa dissipation se heurtait en outre à d'autres facteurs non techniques.

D'une part, le poids des théories scientifiques dominantes ne conduisait pas toujours à des attitudes très rigoureuses. Ainsi Dumont d'Urville, de retour du voyage de l'Astrolabe, publia en 1833 les mesures de ses thermomètres non protégés après avoir pourtant constaté et écrit lui-même que "les deux colonnes de mercure avaient fini par indiquer une température beaucoup trop élevée". D'autre part, faute d'une vraie communauté scientifique (qui n'apparut qu'au 20° siècle en océanographie) la transmission des idées et des expériences était peu efficace. Alors qu'une nouvelle démonstration expérimentale de l'effet de la pression fut publiée en 1833, et que l'inadéquation des thermomètres non protégés leur avait été clairement indiquée, les organismes gouvernementaux britanniques les utilisaient parfois encore dans les années 1860.

Ces deux problèmes de la mesure de la température en profondeur ne furent résolus qu'en 1874, lorsqu'on embarqua des thermomètres protégés à renversement à bord du Challenger lors de sa fameuse expédition autour du monde (1872-76), en remplacement de thermomètres de type mini-maxi. Reprise par des constructeurs anglais (Miller et Casella, Negretti et Zambra) puis de nombreux autres dans différents pays (dont les Allemands Richter et Wiese et le Japonais Watanbe), l'invention d'Aimé fut peu à peu perfectionnée pour aboutir, après la guerre, à des instruments capables de mesurer la température à 0,01°C près et jusqu'à 8000 de profondeur (800 fois la pression atmosphérique).

Parallèlement, l'utilisation couplée de thermomètres protégés et non protégés apportait la solution à un troisième problème, celui de la mesure exacte de la profondeur ; en effet, le câble étant rarement vertical à cause des courants ou de la dérive du navire, la longueur filée surestimait la profondeur réelle du thermomètre. La différence de lecture entre les deux thermomètres ne dépendant que de la pression au moment du renversement, on pouvait enfin en déduire la profondeur de la mesure.

Des mesures ponctuelles aux mesures en continu

Ces mesures s'accumulaient, en surface et à différentes profondeurs, sur toutes les mers et en toutes saisons, et leur qualité avait atteint des niveaux sans précédent. Mais elles restaient ponctuelles (au cours du temps, géographiquement et en profondeur) et leur mise en œuvre était lourde, alors que les progrès de la connaissance de l'océan suscitaient de nouveaux questionnements scientifiques qui exigeaient à leur tour des besoins croissants d'observations. Les premières mesures en continu sont dues à un appareil inventé en 1937, le bathythermographe : un dispositif mécanique ingénieux assurait le déplacement relatif d'un stylet et d'une plaque de verre noircie à la fumée, sur laquelle la pointe du stylet appuyait. Au cours de la descente de l'appareil, le verre était déplacé en fonction de la pression, le stylet en fonction de la température, et les deux mouvements produisaient l'inscription du profil thermique vertical sur la plaque. Bien que l'électronique naissante ait mis fin précocement à sa carrière, le bathythermographe fut le premier à révéler des structures qui n'étaient jusque là qu'entrevues à travers le maillage lâche des stations et des profondeurs, comme la thermocline, brusque discontinuité thermique qui sépare la couche de mélange en surface et l'océan profond.

L'ère des thermistances

Après cette courte parenthèse mécanique, l'ère des thermomètres déboucha sur l'ère des mesures électroniques aboutissant dans les années 1940 à l'utilisation des thermistances, semi-conducteurs dont la résistance électrique varie rapidement et de façon prévisible selon la température, permettant ainsi sa mesure en continu. Ces capteurs thermiques ont été utilisés de façon très régulière sur de nombreux types d’instruments, et ils ont pratiquement renvoyé les thermomètres à mercure au magasin des accessoires d’autrefois. On les retrouve dans une variété d’instruments qui ont chacun leurs conditions d’utilisation.

Les sondes XBT (eXpandable BathyThermograph, mis au point en 1963) sont des dispositifs permettant de réaliser des profils thermiques verticaux à partir d’un navire en route. Un ogive de plomb supportant le capteur est lâchée depuis le bateau et descend verticalement à vitesse constante. Pendant la descente, le signal électrique du capteur est envoyé à bord par un fil de cuivre très fin qui se dévide sans faire obstacle à la descente, avant de se rompre lorsqu’il est tendu. Des milliers de profils thermiques continus de plusieurs centaines de mètres de profondeur sont ainsi recueillis chaque année sur les principales lignes de navigation par un réseau de navires marchands volontaires, permettant ainsi une couverture large et régulière de la structure thermique verticale de l’océan.

Mises au point dans les années 1970, les sondes CTD associent des capteurs de conductivité (C, permettant la mesure de la salinité), de température (T) et de pression (D, permettant la mesure de la profondeur). Elles sont très largement utilisées depuis 1970 pour réaliser des profils verticaux en station, c’est-à-dire en un point où le navire est à l’arrêt, avec d’autres équipements de prélèvement d’eau ou de courantométrie.

Des capteurs thermiques sont installés sur différents supports autonomes, fixes ou dérivants, et couplés à une centrale électronique reliée à un émetteur qui assure via une liaison par satellite la transmission périodique des données à des centres de réception à terre. C’est le cas des bouées météo-océanographiques fixes des réseaux TAO et PIRATA, qui couvrent les régions tropicales du Pacifique et de l’Atlantique. On trouve aussi ces capteurs sur les différents modèles de profileurs, bouées dérivantes à flottabilité variable qui enregistrent des paramètres du milieu au cours de leurs déplacements verticaux avant de les transmettre par satellite quand ils font surface. Grâce à leur miniaturisation, ces capteurs font désormais partie de l'outillage de base de toute étude du milieu marin, depuis les stations côtières jusqu'aux marques posées sur une variété croissante d'animaux : poissons, tortues, mammifères marins, oiseaux de mer, etc.

Les mesures à distance

Une troisième ère s’est ouverte lorsque les capteurs radiométriques ont permis la mesure distante de la température de surface la mer par l'analyse de son rayonnement électromagnétique. La plupart de ces capteurs mesurent le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre, dont l'intensité est liée à la température du corps émetteur : surface des continents ou des océans, sommet des nuages. Un radiomètre peut être embarqué à bord d'un avion (cette technique a beaucoup été utilisée dans les années 1970 pour le repérage des fronts thermiques favorables aux concentrations de thons), mais c'est surtout leur usage satellitaire qui a révolutionné la connaissance thermique de l'océan superficiel. Depuis Tiros-N, lancé en 1978, tous les satellites météorologiques sont munis de capteurs AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), qui détectent les rayonnements émis ou réémis par la Terre et l'atmosphère dans six bandes spectrales, dont deux dans l'infra-rouge thermique. Ces longueurs d'onde étant absorbées par les nuages, la température de surface de la mer (qui résulte d'un traitement complexe), n'est pas mesurable par ce capteur par temps couvert ; ceci limite considérablement la quantité de données disponibles dans certaines régions à forte nébulosité, comme l'équateur météorologique (zone de convergence intertropicale). Cet obstacle a été levé par la mise en service, en novembre 1997, d'un satellite dédié à l'observation des pluies tropicales (Tropical Rainfall Measuring Mission) qui comporte un radiomètre opérant dans le domaine des micro-ondes. Ces radiations traversant les nuages, ce capteur permet d'en mesurer la température par tous les temps, aux prix cependant d'une plus grande sensibilité que les capteurs infra-rouge à la rugosité de la surface de la mer.
La révolution de l'imagerie thermique satellitaire ne tient pas à la précision de la mesure (entre le dixième de degré et le demi-degré) mais à la couverture de l'intégralité de la surface océanique de la planète à une fréquence très élevée (quatre fois par jour pour AVHRR) et à une résolution spatiale pouvant atteindre un kilomètre environ. Par contre, elle n’apporte aucune information sur le contenu thermique des couches océaniques sous-jacentes, qui demeurent le règne sans partage des thermistances.

De nouvelles questions scientifiques

Si la profondeur de la mer a résisté pendant plusieurs siècles à l'exploration scientifique, c'est désormais sa surface qui est l'objet de questionnements ouverts par l'apparition de ces mesures satellitaires. Que se passe-t-il réellement à l'interface entre l'océan et l'atmosphère ? Quelle température mesurent les satellites, et que signifient ces mesures ? La "surface de la mer" est d'abord constituée d'une très fine pellicule (une dizaine de micromètres) par laquelle s'effectuent les échanges de chaleur et de gaz avec l'atmosphère, et dont la température (généralement inférieure à celle de la couche sous-jacente) varie beaucoup en fonction de l'ensoleillement et du vent ; c'est cette couche seulement que "voient" les radiomètres infra-rouge. Cette "peau" surmonte une couche épaisse de quelques millimètres ou centimètres, réchauffée par le soleil en l'absence de vent, qui est détectée par les capteurs micro-onde. En-dessous d'un mètre environ commence la couche beaucoup plus homogène et plus stable qui est accessible aux mesures des sondes des bouées ou des navires. Les différences de température entre ces couches étant de quelques dixièmes de degrés (jusqu'à quelques degrés dans certains cas), le choix des outils a donc une importance cruciale pour la signification d'une mesure qui n'est simple qu'en apparence.

Pour aller plus loin sur la Toile…

Capteurs et instrumentation utilisés en océanographie physique
Laboratoire de physique des océans, IUEM, Brest
5. Mesure de la température

La fabuleuse histoire des thermomètres de la mer
Bertrand Gobert, IRD

Voir aussi la bibliographie générale

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