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L'ère de l'électronique : les thermistances

Parallèlement à ces développements techniques propres au monde des océanographes, et de façon complètement indépendante, une révolution se préparait dans les laboratoires industriels, qui allait bouleverser leur mode de travail et renouveler leur regard sur l'océan.

Des corps à résistance électrique variable

Le savant anglais Michael Faraday (1791-1867) est connu pour ses travaux sur l'électricité, mais on sait moins que qu'il est le premier, en 1833, à avoir observé que la résistance électrique d'un corps (en l'occurrence du sulfate d'argent) pouvait varier selon sa température. Cette découverte resta une curiosité scientifique pendant une centaine d'années faute de capacité de production et de perspectives d'applications pour ce "semi-conducteur". A partir des années 1930, les laboratoires des téléphones Bell ont cherché à développer et à améliorer ces composants pour les utiliser à grande échelle ; ce sont eux qui ont forgé le terme de "thermistance", en abréviation de "résistance thermique". Dans les années 1950, l'industrie aérospatiale en pleine expansion suscita une demande pour des thermistances de plus en plus fiables et précises. Cette demande ne fit que s'accroître au fur et à mesure qu'apparaissaient des applications nouvelles pour cette technologie, dont la production en masse permettait progressivement d'abaisser le coût.

Quelques exemples de thermistances

Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques (oxyde ferrique, aluminate de magnésium, titanate de zinc, etc) frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevé, et recouvert sur ses deux faces d'une feuille métallique destinée à établir le contact électrique. Ses deux avantages principaux sont sa rapidité de réaction et son très petit volume ; par contre, sa mesure a l'inconvénient d'être sensible à la pression et d'être susceptible de "dériver" au cours du temps. Les thermistances utilisées en océanographie ont des coefficients de température négatifs (CTN), c'est-à-dire que leur résistance diminue quand la température augmente ; cette réponse n'est pas proportionnelle et doit donc être linéarisée par un circuit électronique. En outre, la résistance du semi-conducteur ne dépend pas que de la température, mais aussi de la pression (qui la fait diminuer).

L'océanographie utilise également des capteurs à fil métallique, thermorésistances constituées d'un fil de plantine protégé par un tube d'acier inoxydable.

Les débuts difficiles de l'électronique

L'introduction de l'électronique dans l'instrumentation océanographique date des années 1950, et ne fut pas immédiatement un succès. Les premières tentatives échouèrent car les fabricants de matériels électroniques n'avaient pas l'expériences des très fortes contraintes du travail à la mer, notamment en matière d'étanchéité… Par la suite, ce sont les scientifiques eux-mêmes qui furent sceptiques devant ces nouveaux appareils, dont certains résultats allaient à l'encontre d'opinions répandues, par exemple sur les gradients de température dans les eaux profondes qui apparaissaient beaucoup plus importants que prévu.

Le premier appareil enregistrant en continu la température et la salinité a été fabriqué en 1948 ; il descendait jusqu'à 400 m grâce à un double câble (porteur et électrique). Il était encore rudimentaire mais ouvrait la voie qui allaient conduire aux sondes CTD actuelles. En avril 1955 eurent lieu les premiers essais d'une sonde conçue par deux Australiens, Bruce Hamon et Neil Brown, qui descendait à 1000 m avec un seul câble électroporteur et mesurait la température avec une précision de 0,15°C. Fautes d'ordinateurs d'un prix abordable et capables de fonctionner en mer, cette première génération de sondes (dites STD) ne comportait qu'un traitement analogique des signaux des capteurs de température et de conductivité, et ne permettait pas un calcul satisfaisant de la salinité à partir de cette dernière.

La suprématie définitive de la CTD

A la fin des années 1960 et au début des années 1970, le remplacement des transistors par des technologies à base de circuits intégrés très peu consommateurs d'électricité (courants passant du milliampère au nanoampère) a été un progrès décisif pour les océanographes. Avec une consommation électrique divisée par un million, les besoins en batteries (donc en poids et en volume) diminuaient, alors que la durée de vie opérationnelle des instruments augmentait considérablement. En outre, les progrès technologiques ont rendu possible la digitalisation et le traitement numérique : en 1974, la sonde STD a cédé la place à la CTD (Conductivity-Temperature-Depth), toujours utilisée 35 ans après. Plusieurs modèles se sont succédé ; outre la température et la conductivité, ils sont maintenant équipés de nombreux capteurs, et leur précision de mesure de température est inférieure à 0,001°C.

Mise en oeuvre de la CTD sur un navire hauturier (avec des bouteilles de prélèvement et d'autres appareils) et sur un navire côtier
(photos IRD/J. Grelet, B. Gobert)

Les progrès ont porté sur la précision des mesures (sur certaines CTD elle est inférieure à 0,001°C), le temps de réponse des capteurs (quelques dizaines de millisecondes), la fréquence d'échantillonnage (plusieurs mesures par seconde), les modalités de calibration, le poids et l'encombrement, etc. Les données sont stockées en mémoire ou transmises en temps réel au navire. Parallèlement à la succession de "générations" de CTD aux performances croissantes, l'offre s'est diversifiée pour répondre aux besoins spécifiques d'une communauté d'utilisateurs de plus en plus large : mesures côtières ou hauturières, exigences de précision, association d'autres capteurs, etc.

Du militaire au civil : les sondes XBT

Parallèlement à ces développements, une petite société du Massachussets développait une autre approche et mettait au point un instrument dont elle allait vendre à travers le monde plus de 5 millions d'exemplaires en près d'un demi-siècle. Fabriquée à partir de 1964 par la société Sippican pour les besoins militaires (lutte anti-sous-marins) et scientifiques, cette sonde fournissait un profil thermique vertical comme le bathythermographe mécanique, et avait donc été baptisée Expandable Bathythermograph (XBT). Il s'agit d'un lest profilé qui descend dans l'eau sous son propre poids en transmettant au navire le signal électrique de la thermistance par un fil extrêmement fin (0,2 mm de diamètre) à deux conducteurs isolés chacun par quatre couches de nylon et d'époxy. La principale innovation était que le profil de température pouvait être obtenu sans nécessiter l'arrêt du navire : en effet, le fil qui relie la sonde au navire se déroule très rapidement à partir de ses deux extrémités. Alors que le bateau s'éloigne du point de largage de la sonde, celle-ci descend librement et à vitesse constante à la verticale de ce point, sans être freinée par la résistance du fil. Jusqu'à sa rupture, le fil transmet à bord le signal, qui est converti en température par un boîtier électronique et stocké sur un ordinateur. Plusieurs modèles de sondes XBT ont été mises sur le marché, dont certaines largables par un avion ou un sous-marin en immersion. Les sondes standard utilisées actuellement fournissent un profil de température sur les 900 premiers mètres, avec une précision de 0,1°C un une résolution spatiale inférieure à un mètre.

 

XBT1

XBT2

Eléments constitutifs d'une sonde XBT et gros plan du fil avec ses deux conducteurs
(source : LPO ; photo : B. Gobert)

XBT3

Lancer d'une sonde XBT (Photo IRD/Y. Gouriou)

Depuis les années 1980, l'utilisation des thermistances en océanographie s'est très largement développée. Si les capteurs eux-mêmes et l'électronique qui les accompagne ont beaucoup progressé, c'est surtout la diversification des supports qui caractérise cette évolution : coques de navires, stations fixes côtières, bouées ancrées ou dérivantes, profileurs, planeurs, et même sondes miniaturisées sur ou dans le corps d'animaux marins.

 

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