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Méthodes et Stratégie

vendredi 30 mai 2008

METHODES ET STRATEGIE

La circulation générale (Fig. 3) est à l’origine de la grande variété de conditions oligotrophes observée dans le Pacifique SW. La mission OUTPACE (Oligotrophy to UlTra-oligotrophy PACific Experiment) sera focalisée sur une étude d’un transect Ouest-Est et de 3 stations « étude de processus » échantillonnées durant 6 jours chacune (Fig. 4). Elles représentent un contexte unique pour comprendre à une échelle régionale, le lien entre les cycles biogéochimiques des éléments biogènes C,N,P,Si,Fe et la structure des communautés planctoniques d’environnements marins oligotrophes très contrastés où la fixation d’azote est un processus essentiel à considérer. Le transect de stations type « caractérisation », du nord de la Nouvelle Calédonie au bord ouest de la gyre du Pacifique sud, sera réalisé pour caractériser de la surface jusqu’à 2000 m les variables physiques, biogéochimiques et biologiques principales à très grande échelle, et pour replacer les stations « étude de processus » dans ce contexte.


1- Strategie générale à chaque station :


La figure présentée ci-dessus présente la localisation générale des stations qui seront échantillonnées au cours de la mission OUTPACE . Le transect à 19°S a été choisi car il se situe dans la branche sud du courant sud équatorial (SEC) et donc dans une masse d’eau relativement homogène provenant de l’est (gyre du Pacifique sud). De plus, cette zone se situe au nord de la zone très active en terme de structures à méso-échelle (Qui et al., 2009). Elle est donc relativement homogène en terme de physique. En revanche la zone présente par contre un contraste intéressant en termes de marée (Fig.5) avec une marée barotrope plus intense dans la partie ouest et en particulier à la station B que dans la partie est.
Par ailleurs, ce transect a été choisi car les températures de surface (Fig. 2) sont supérieures à 25°C (i.e. des températures optimales pour le développement des diazotrophes) et constitue par conséquent la zone où ils sont les plus abondants dans le sud ouest Pacifique (Moisander et al., 2010 ; Campbell et al., 2005 ; Neveux et al., 2006). Enfin, ce transect a été choisi de manière à échantillonner et effectuer les expériences de processus le long d’un gradient d’oligotrophie, depuis des eaux oligotrophes dans la partie Ouest du transect, jusqu’à des eaux ultra-oligotrophes dans la partie Est. Elles seront de 2 types :

1-1 Stations de courte durée

Durant le transect, 18 stations de type « descriptive » de 8-h seront réalisées avec les opérations suivantes.
- Un profil 0-2000 m avec le VMP6000 qui nécessite une mise à l’eau en début et une récupération en fin de station. L’appareil étant autonome pour réaliser son profil. Si le VMP6000 n’est pas disponible à cause d’un chevauchement des campagnes à la mer, un scamp sera utilisé pour évaluer la turbulence sur la couche 0-100 m uniquement. Il faut dans ce cas positionner le navire et réaliser le profil à partir du bateau. Le temps en station pour les deux opérations est considéré équivalent à 1h30.
- Deux profils CTD (0-2000 m et 0-200 m) avec la CTD-rosette 24 btl « classique » (2h30) permettant un échantillonnage de la surface jusqu’à 2000 m seront réalisés pour :
(1) Les mesures des paramètres de base (température, salinité, oxygène dissous O2, DIC, alcalinité, éléments nutritifs, chlorophylle, C, N et P organiques particulaires (POC, PON, POP), silice particulaire, C, N and P organiques dissous (DOC, DON, DOP).
(2) Les mesures de variables spécifiques permettant d’évaluer la composition planctonique, en particulier des diazotrophes (biologie moléculaire)
(3) Les mesures à des profondeurs choisies de flux biogéochimiques spécifiques (fixation d’azote profonde,…) avec incubations à bord en conditions contrôlées.
- Entre ces deux rosettes et dans le but de laisser aux préleveurs le temps d’effectuer leur échantillonnage, 3 filets seront réalisés pour prélever le phytoplancton, le zooplancton et de façon spécifique les diazotrophes Trichodesmium spp. (filet récemment acquis par le groupe de nos collaborateurs américains). (60 min)
- Un profil CTD (0-500 m) avec la CTD-rosette 12 btl « Trace Metal Clean, TMC » pour les prélèvements des métaux traces et les mesures spécifiques des flux qui requierent ces conditions ‘ultra-propres’. (45 min)

La distance entre les stations de courtes durées est d’environ 130 milles nautiques, ce qui correspond à environ 14 heures de transit (vitesse utilisée pour les calculs : 10 nœuds).

Bouteilles Niskin (12 L) disponible pour l’échantillonnage :
-  Rosette « classique » : 24 bouteilles Niskin 12 litres
-  Rosette « TMC » : 12 bouteilles Go-flow 12 litres

1-2 Stations de longue durée

Pour réussir notre étude de processus à chacune des 3 stations longues (1 au nord de la Nouvelle Calédonie en mer de Corail, 1 centrale, et une dans le bord ouest de la gyre du Pacifique sud), une localisation ainsi qu’une caractérisation hydrologique et hydrodynamique précises dans une zone à faible courant est nécessaire. Elles seront obtenues en utilisant l’ensemble des méthodes actuellement disponibles dans la communauté scientifique. A chaque station, la succession des opérations sera la suivante :

1) Prospection horizontale

Nous allons considérer l’imagerie satellitale (Gilles Rougier) et les prévisions type MERCATOR pour définir des zones relativement homogènes où une prospection rapide (maximum 12h) sera réalisée. Le thermosalinographe, les données ADCP et du MVP 200 (XBT si le MVP 200 n’est pas disponible) nous permettront de localiser les sites à faible advection potentielle. La zone sera caractérisée en effectuant une croix avec deux transects globalement perpendiculaire d’environ 40 km à la vitesse de 10 nœuds (enfoncement du MVP 200 d’environ 230 m). La position exacte des transects sera décidée à bord en fonction de la structure physique à méso-échelle préalablement détectée par l’altimétrie et la thermographie satellite. L’altimétrie fournira une information quasi synoptique et quantitative sur les courants géostrophiques alors que les images satellitaires de température donneront une information qualitative sur la position, la forme et la taille des structures physiques. En ce qui concerne l’imagerie satellitale de couleur de l’eau, les algorithmes TRICHOSAT (Dupouy et al., 2011) et PHYSAT (S, Alvain et al., 2005) dans sa nouvelle version en développement prenant en compte certains diazotrophes seront utilisés pour localiser le premier site souhaité (Station A) dans une efflorescence de Trichodesmium spp., ainsi que le dernier site souhaité dans une région d’oligotrophie extrême (Station C). Le choix du site intermédiaire (Station B), souhaité dans une zone à forte abondance de diazotrophes de type UCYN-A, sera effectué selon une autre approche. Ce site sera en effet choisi parmi les stations de courtes durées à l’aide de mesures de biologie moléculaire (qPCR) réalisée en quasi temps réel (collaboration avec R. Foster, Université de Stockholm) puisqu’aucune détection spatiale de ces organismes récemment découverts n’est actuellement possible. La position de la station « étude de processus » sera néanmoins affinée par une prospection horizontale du site, comme pour les autres sites.

2) Caractérisation physique de la zone d’étude.

En complément d’observations satellitaires quasi-synoptiques, la mesure des conditions hydrologiques est indispensable pour appréhender la variabilité de la dynamique 3D. Le contexte hydrologique de la zone d’étude sera appréhendé par l’exploration à l’aide d’un MVP d’une zone géographique d’environ 25*25 km2 centrée sur la position préalablement définie de chaque station de longue durée. L’utilisation conjointe de la télédétection satellite et du MVP apportera une dimension nouvelle en termes de couverture 3D des structures hydrodynamiques méso et submésoéchelles de la zone d’étude.. Si le MVP 200 tracté est disponible, le suivi (surface-230 m) sera réalisé en partant d’un angle et en suivant une stratégie type zig-zag (Fig. ci-dessous à gauche, temps estimé : 12 h maximum à 10 nœuds). Si le MVP 200 n’est pas disponible, des profils CTD + oxygène + fluorescence seront réalisés entre 0 et 250 m dans un carré de station de 15 km de côté (Fig. ci-dessous à gauche). Chacune des 16 stations (séparées de 3 milles entre elles) sera occupée au maximum 30 minutes. Aucun prélèvement à la rosette de bouteilles Niskin ne sera réalisé durant ce suivi (temps estimé : 24h).

MVP2

Détail concernant la stratégie de type zig-zag (à gauche) adoptée pour la caractérisation physique de la zone d’étude avec le MVP 200 en début de station de longue durée.

3) Etude de processus pendant 144-h (6 jours)

Le centre du maillage correspond à la masse d’eau que nous souhaitons échantillonner selon une stratégie lagrangienne au cours des jours suivants. Les 3 bouées lagrangiennes (1 centrale et 2 annexes) seront immédiatement larguées au début de l’étude de processus. Les profils CTD et les prélèvements ainsi que les déploiements du mouillage dérivant (pièges à sédiment, ligne de production, courantomètre,…) seront ensuite réalisés à proximité de la bouée lagrangienne centrale. Il est important de noter que le mouillage dérivant sera mis à l’eau pour une durée de 24h avant d’être récupéré pour être remis à l’eau le jour suivant. Le calcul à partir des 3 bouées lagrangiennes (Doglioli et al., 2013) nous permettra de vérifier que le mouillage est resté dans la même masse d’eau.

La séquence des opérations sera la suivante :

Pour un lever de soleil à 6:00

JOUR 1
-  1:00-1:30 Profil CTD 0-200 m : échantillonnage production oxygène
-  1:30-2:00 Filets à plancton
-  2:00-3:00 Profil CTD 0-200 m : échantillonnage production et mesures de biologie moléculaire

-  3:00-4:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  4:00-5:00 OPC + Filets à plancton
-  5:00 6:00 Mise à l’eau de la ligne de mouillage (ligne de production in situ (C,N,P,Si,CO2,O2) + O2
Productivity Autosampler (IODA) + pièges dérivants + mise à l’eau du VMP6000
(Full ocean depth un-tethered profiling system).
-  6:00-7:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  7:00-8:00 Profil CTD 0-500m Physique + prélèvements de grands volumes d’eau à une profondeur
-  8:00-9:00 Pompes in situ
-  9:00-10:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  10:00-11:00 Récupération du VMP6000, chargement du profil
-  11:00-12:00 Profil CTD 0-500m Physique + prélèvements de grands volumes d’eau à une profondeur
-  12:00:13:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  13:00-15:00 Profil radiométrique, filets à plancton, profil Scamp
-  15:00-16:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  16:00-18:00 Profil radiométrique, profil Scamp, mise à l’eau du VMP6000
-  18:00-19:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  19:00-21:00 Pompes in situ
-  21:00-22:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  22:00-24:00 Pompes in situ
-  24:00-1:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique, récupération du VMP6000
JOUR 2
-  1:00:2:00 Filets à plancton
-  3:00-4:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  4:00-5:00 Filets à plancton
-  5:00-6:00 Récupération de la ligne de production in situ (Zodiac) + mise à l’eau du VMP6000
-  6:00-7:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  7 :00-9 :00 Récupération des pièges à sédiment et des lignes IODA
-  9:00-10:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  10:00-11:00 Récupération du VMP6000
-  12:00:13:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  13:00-15:00 Profil radiométrique, filets à plancton, profil Scamp
-  15:00-16:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  16:00-18:00 Profil radiométrique, profil Scamp
-  18:00-19:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  19:00-21:00 profil CTD rosette TMC 0-2000 m
-  21:00-22:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique
-  22:00-24:00 Pompes in situ
-  24:00-1:00 Profil CTD 0-500m Physique+Cycle + grappe optique

La même stratégie sera reproduite pour les jours 3 & 4, et 5 & 6 jusqu’à la récupération des pièges à sédiment et des lignes IODA. Une CTD jusqu’au fond sera réalisée (compter 3h) avant de faire route vers la station suivante.

Remarque :
Cette stratégie génère 147 h de profils CTD toutes les 3 heures (50 profils CTD), 3 mesures journalières (24 h aube à aube) de production in situ et de transfert particulaire dans les pièges.

Bouteilles (12 L) disponibles pour l’échantillonnage :
Rosette « classique » : 24 bouteilles Niskin (1 miniPVM ne nécessitant pas de supprimer une bouteille).
Rosette TMC (Trace Metal Clean) : 12 bouteilles Niskin

4) Caractérisation physique simultanée à l’étude de processus

Le contexte hydrologique de la zone d’étude sera appréhendé pendant toute notre étude de processus à l’aide du glider SPRAY de l’IRD Nouméa (collaboration F. Marin, IRD-LEGOS, J.L. Fuda, MIO et L. Bellomo, USTV) par l’exploration d’une plus petite superficie (carré de 4 km de côté) toujours centré sur la position préalablement définie de chaque station de longue durée et durant les 6 jours d’étude de processus. En considérant une vitesse de 25 km j-1pour le glider, cela fait environ une prospection par jour. Cela nous permettra en particulier de prendre en compte l’advection si de grandes variations des propriétés physiques de l’eau sont observées durant les 6 jours de suivi malgré notre volonté de choisir des sites à faible advection potentielle. L’utilisation de ces gliders le long ou à proximité de traces altimétriques sera privilégiée. En effet, diverses études montrent la bonne complémentarité entre ces deux systèmes d’observations afin de mieux évaluer les vitesses horizontales absolues et la contribution respective des différentes composantes dynamiques en surface et dans la colonne d’eau (Bouffard et al., 2010, 2012).

3 étapes seront nécessaires pour quantifier l’apport des éléments nutritifs par des processus hydrologiques dans les 3 sites contrastés.

Localisation précise du site d’étude et estimation de l’advection horizontale.
- Examiner peu de jours avant l’arrivée sur site les images satellitales de SST et de couleur de l’eau, et les champs de courant altimétrique AVISO et de modélisation type Mercator pour déterminer la zone à étudier.
- Examiner ensuite les données du niveau de la mer échantillonnées directement le long des traces des satellites altimétriques. Ces données, qui se caractérisent par une résolution supérieure aux champs altimétriques précités 0-10 km contre 0-100 km, devraient permettre de mieux identifier les structures méso et submésoéchelles (Bouffard et al., 2008b ; 2010 ; 2011 ; 2012) ;
- En approchant du site, faire une courte prospection dans la région du site choisi et visualiser les sections verticales de S, T et des courants pour caractériser la dynamique (activité méso- et subméso-échelle) de la parcelle d’eau étudiée. Choisir le site.
- En arrivant sur le site : Effectuer une série de sections verticales (MVP 200) ou de profils (CTD) pour contrôler les profondeurs de la couche éclairée et de la pycnocline et détailler les courants, qui seront analysés après pour évaluer les advections horizontales de chaque variable.

Estimation de l’activité turbulente
Pour chaque profil vertical de la CTD rosette, les variables T, S, O2 seront mesurées à 24 Hz et le profil vertical du courant horizontal déduit avec une résolution verticale de 4 m (LADCP). Les traitements donneront les profils moyens et les anomalies de T, S, à haute résolution verticale, les amplitudes d’ondes internes et éventuellement les inversions de densité, marques de l’activité turbulente.
Les profils de microstructure fourniront le taux de dissipation d’énergie cinétique turbulente, le coefficient de diffusion turbulente sera déduit et utilisé pour calculer les différents flux turbulents, ces mesures directes nous permettront également de valider des paramétrisations fine-échelle. La répétition temporelle des profils est privilégiée les jours 1, 3 et 5 alors que les jours 2, 4 et 6 des profils VMP6000 sur toute la profondeur sont prévus.

Interactions physiques atmosphère-océan
Les flux de surface, de chaleur, d’eau, et de quantité de mouvement, seront calculés par la méthode globale (bulk method) afin d’évaluer le forçage atmosphérique sur la couche mélangée et sa variation temporelle.

5) Prélèvements atmosphériques

L’atmosphere sera prelevee en continu (dispositif installe a l’avant du bateau) et asservi par une girouette afin de ne prelever que lorsque le bateau est en mouvement et que le vent arrive bien de l’avant. 4 echantillons seront prélevés simultanément afin d’évaluer les flux d’éléments nutritifs/micronutritifs apportés par l’atmosphère et également d’en quantifier la fraction soluble (biodisponible) par des experiences de dissolution qui seront menées a bord dans le container propre.