Bouées dérivantes

Localisation

Mesures océanographiques

Olympiades de Physique - 2005

Angèle SORIA Clémence CHARLIGNY Marie MONTY-BERTONIER Guillaume MANDART Lycée Roosevelt - Reims

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I ) Introduction A ) Les débuts de l’océanographie

La seconde moitié du XIXéme siècle voit apparaître une science nouvelle, l’océanographie. À la faveur de la pose des câbles télégraphiques sous -marins, on va s’intéresser aux grands fonds qui, jusque-là, étaient réputés sans vie, la lumière n’y pénétrant pas. L’expédition du Challenger, première grande campagne océanographique mondiale, s’est déroulée de Décembre 1872 à Mai 1876. Pour installer des laboratoires équipés de matériel scientifique, on a démonté 15 des 17 canons qui étaient à bord. Au cours de son voyage, le navire a effectué des prélèvement et des mesures sur 362 stations réparties régulièrement le long du trajet (voir schéma ci-dessous). Extrait des carnets de bord du Challenger :

Carte de mesure des profondeurs au large des Açores

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Avant cette époque, des mesures, des constatations et des analyses ont été effectuées par des marins ou des scientifiques qui « faisaient de l’océanographie » sans le savoir ! Ce portulan, datant de 1627, du cartographe Jean Guérard est la plus ancienne carte connue donnant des indications sur la nature des fonds marins. B ) L’océanographie moderne

De nos jours, cette science a pris une importance considérable pour deux raisons : les moyens techniques de mesure et d’analyse se sont énormément développés (capteurs, électronique de mise en forme des signaux, traitement informatisé des données …), mais aussi satellites dédiés (TOPEX-POSEIDON, JASON…). La perspective d’un réchauffement climatique entraîne le besoin d’un suivi de plus en plus précis de différent paramètres en particulier ceux qui correspondent aux couplages océan / atmosphère. Les satellites océanographiques permettent de mesurer les évolutions du niveau des océans, la température de surface des mers, les grands courants marins, la hauteur des vagues… Mais il y a deux vastes domaines qui leur échappent : des mesures en profondeur et des mesures très localisées. Différents types de bouées et de flotteurs sont utilisés pour ce type de mesures. II ) L’océanographie spatiale

A ) Satellites océanographiques

JASON TOPEX-POSEIDON

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B ) Quelques produits océanographiques fournis par les satellites Température de surface des océans : la température de l'océan (loin des côtes) décroît régulièrement de 28°C près de l'équateur, à presque -2°C aux hautes latitudes. Cette distribution correspond assez bien à la distribution du rayonnement solaire à la surface.

Variations du Niveau des océans : les variations saisonnières de l'océan : les valeurs négatives (en bleu) et positives (en jaune-rouge) correspondent à la contraction et à la dilatation des eaux de surface, liées à leur refroidissement en automne et en hiver. Niveau de l’océan et couleur de l'eau : les zones les plus turbulentes (bosses en rouge et creux en violet sur la carte de hauteurs résiduelles tirées de l'altimétrie, à gauche) correspondent à des zones de forte activité biologique (en rouge sur la carte de couleur de l'eau : quantité de chlorophylle a observée par mètre cube d'eau)

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II ) L’océanographie in situ A ) Bouées et flotteurs

Bouées dérivantes

Le courant agit sur une ancre flottante en toile immergée (ici de forme tubulaire) et déplace l'ensemble. Différentes mesures sont transmises à un satellite qui effectue la localisation de l’émetteur durant la durée de la réception.

Bouées ancrées

Certaines de ces bouées pèsent jusqu'à 20 tonnes et en cas de rupture de leur ligne d'ancrage, elles sont des dangers pour la navigation.

Flotteurs de sub-surface

Le profileur exécute des cycles identiques préprogrammés de descente, dérive en immersion, descente à l’immersion maximale, remontée, transmission des données par ARGOS, de durée typique 10 jours. Tous les flotteurs de subsurface s’équilibrent naturellement en pleine eau par ajustement de leur densité à la densité de l’eau de mer à la profondeur désirée.

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B ) Mesures effectuées par des bateaux Des sondes à têtes perdues, XBT (EXpendable BathyThermograph : bathythermographe à tête perdue), lancées depuis des bateaux volontaires fournissent des profils de température des 1000 premiers mètres de l'océan. XBT-ST est un produit comprenant le matériel et le logiciel pour l'acquisition des données XBT, avec transmission via Argos des bathymessages du bateau vers la terre. III ) Le projet « Bouées Dérivantes » du Lycée Roosevelt A ) Origine du projet Les bouées dérivantes sont équipées de différents instruments de mesures, d’une carte d’acquisition et d’une carte d’émission Argos, le tout alimenté par des piles ( durée de vie de quelques mois ).

Un des prix d’un concours auquel ont participé les élèves de l’Atelier de Pratique Scientifique « Espace et Environnement » fut une bouée dérivante. Un projet d’exploitation de cette bouée a été mis au point et la découverte de l’existence du projet « ARGONAUTICA » piloté par le CNES nous a poussés à demander une seconde bouée dérivante, mais cette fois, une bouée se déplaçant, non pas au gré des vents et des courants de surface comme la première bouée mais au gré des courants de sub-surface.

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B ) Equipement des bouées

IV ) Les mesures effectuées A ) Les capteurs

Capteur de lumière

On utilise une photodiode BPW34 dont la sensibilité spectrale s’étend de 400 à 1100 nm. Cette photodiode est donc sensible à l’ensemble du spectre visible (de 400 à 800 nm). Etude de la photodiode (acquisition informatisée – Interface ORPHY)

Capteur de pression Capteur

de température

Capteur de pression Capteur de température

Capteur de salinité

La première bouée est pré -équipée mais la deuxième bouée doit être équipée suivant notre projet. L’ancre flottante sera réalisée par une société créant des équipements pour bateaux, mais les différents capteurs et le traitement des données sont étudiés dans le cadre de l’Atelier.

0

EA7

-

EA0

RI

Ud

10 kΩ

V R 1 kΩ

2.5V

2.5V

E

+I

Ref

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Le montage de la page précédente permet de relever les caractéristiques intensité/tension de la photodiode pour différents éclairements.

Montage permettant de mesurer l’éclairement

Le montage utilisé impose Ud = 0, donc le courant i circulant dans la photodiode correspond à un point situé dur l’axe des courants (par exemple, le point jaune) et est caractéristique d’un éclairement. La mesure de la tension de sortie vs et la connaissance de R permet de trouver i et d’en déduire l’éclairement si la photodiode a été étalonnée.

Capteur de température

Ud

I

Augmentation de l’éclairement

Courbe obtenuedans l’obscurité

+ -

R

i

i

Ri

vS = -Ri

Ud

I

La tension de sortie varie de 10 mV/°C LM335

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Capteur de pression

Ce capteur permet de connaître la profondeur où est prise la mesure. La mesure de la fréquence du signal de sortie permet de trouver la pression régnant à l’endroit où se trouve le capteur et d’en déduire la profondeur à laquelle il se trouve (voir tableau ci-dessous). La gravité dépendant de la latitude, la conversion pression mesurée/profondeur dépend aussi de la latitude.

B ) Mise en forme du signal issu des capteurs Les signaux fournis par les capteurs sont souvent de faible amplitude (quelques mV par exemple). Il est nécessaire d’amplifier ces tensions avant de les récupérer par l’intermédiaire de la carte d’acquisition.

Schéma d’un montage amplificateur

Espace clos où règne le vide

Bras de balance Résonateur à quartz dont la fréquence varie

suivant la pression du fluide introduit dans la chambre

Entrée du fluide dont on veut mesurer

la pression

Chambre se déformant sous l’effet de la pression du fluide qu’elle contient Axe de rotation

du bras de balance

+ -

R2

i

i

R2i

VS tension

de sortie

R1

R1i

Ve tension

d’entrée

La relation donnant la valeur de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée et des éléments du montage est :

VS = -(R2/R1) x Ve

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C ) Du capteur à la grandeur à transmettre : l’échantillonneur-bloqueur L’échantillonneur-bloqueur assure les fonctions suivantes:

• Prélever à un instant connu avec précision un échantillon d’une tension variable appliquée à son entrée

• Mémoriser cet échantillon • Délivrer en sortie une tension égale à celle de l’échantillon mémorisé.

Les éléments de base de l’échantillonneur-bloqueur sont :

• Un interrupteur et son circuit de commande • Un condensateur de mémorisation, • Deux étages tampons (montage suiveur réalisé avec un amplificateur

opérationnel), l’un à l’entrée, l’autre en sortie. La commande de l’interrupteur s’opère par un signal logique : - à l’état haut, de durée ts (sampling time), ce signal provoque la fermeture de l’interrupteur ; c’est la phase d’échantillonnage pendant laquelle la tension d’entrée est reliée à travers l’étage tampon d’entrée au condensateur qui tend à se charger à la même valeur - à l’état bas, de durée th (holding time), le signal logique entraîne l’ouverture de l’interrupteur, c’est la phase de blocage; pendant cette phase le condensateur chargé mémorise la tension acquise pendant la phase précédente et par l’étage tampon de sortie, présente cette tension à l’entrée du convertisseur analogique numérique.

Page suivante, les graphiques explicatifs montrant le principe de fonctionnement de l’échantillonneur-bloqueur et le résultat obtenu en sortie du montage.

Interrupteur commandé

Étage tampon d’entrée

Étage tampon de sortie

Condensateur de mémorisation

+ + - -

C vS vE

Tension d’entrée

Tension de sortie

t

Commande de l’interrupteur ts

th

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Le résultat semble éloigné de la courbe de départ mais si on compare le résultat obtenu avec la courbe d’origine, on constate que l’allure de celle-ci est conservée. Si les variations de la grandeur mesurée sont rapides, il faut prendre des échantillons souvent : la fréquence d’échantillonnage dépend du rythme des variations de la grandeur mesurée.

t (s)

Tension transmise au satellite = tension reçue au sol

t (s)

Tension en sortie de l’échantillonneur-bloqueur

t (s)

Tension image de la température

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Alors pourquoi, avoir des relevés toutes les 90 secondes ? La bouée n’est vue par un satellite que pendant 10 à 15 minutes au cours d’une révolution, de plus elle peut être vue par différents satellites à des moments différents de la journée donc pour être sûr que des données soient relevées, il a été jugé préférable de multiplier les instants d’émission. D ) Transmission et réception du signal Les valeurs de tensions à transmettre sont converties en nombre binaires et les résultats obtenus permettent de coder une « porteuse ». Une porteuse est une onde électromagnétique qui est émise par la balise et reçue par l’antenne du satellite.

Conversion analogique / numérique du signal

Chaque valeur de tension à transmettre est convertie en valeur numérique , ce qui veut dire convertir un nombre exprimé en base 10 en un nombre exprimé en base 2 : par exemple 5(10) = 101(2).

En comparant les résultats transmis au sol aux tensions images de la température, on constate que les variations de courte durée ne sont pas « vues » mais que l’allure générale des variations des températures au cours du temps est conservée. De plus, étant donnée l’inertie thermique d’une masse d’eau, les variations de sa température sont lentes, donc il n’est pas nécessaire de relever des valeurs de température à des intervalles trop rapprochés.

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Codage de la porteuse

Ce dernier graphique représente une partie du signal émis par la bouée et reçu par le satellite (le signal transmis par la bouée contient de nombreuses informations : le numéro de la bouée, les grandeurs mesurées…), puis une partie du signal émis par le satellite et reçu par une station de réception au sol (le signal transmis par le satellite contient de nombreuses informations : l’heure de la réception du signal provenant de la bouée, le numéro de la bouée, sa localisation, les grandeurs mesurées…).

Décodage de la porteuse

Premier graphique : la porteuse sinusoïdale.

En correspondance avec ce graphique, le nombre binaire que l’on désire transmettre : 209(10) = 11010001(2). Le nombre binaire est formé de 8 chiffres, on dit qu’il est codé sur 8 bits (binary digits).

Deuxième graphique : une tension image du nombre à transmettre en fonction du temps, c’est-à-dire que des tops d’horloge (représentés en bleu) permettent de déterminer la valeur de chaque bit pendant un intervalle donné, ce qui permettra de transmettre le nombre binaire chiffre après chiffre au cours du temps.

Troisième graphique : à partir de la tension-image du nombre, on crée une tension en créneaux suivant le principe suivant : quand un chiffre est égal à 1, la tension est égale à 1V, quand un chiffre est égal à 0, la tension est égale à –1 V.

Quatrième graphique : on a effectué le produit « Porteuse » multipliée par « Tension en créneaux -1V/1V ».

La station au sol repère les changements de phase du signal ou les non-changements à chaque top d’horloge et reconstitue le nombre binaire.

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Exemple : A t = 40 ns, il n’y a pas de changement de phase, donc le chiffre correspondant à l’intervalle [40 ; 80] est le même que celui correspondant à l’intervalle [0 ; 40]. A t = 80 ns, il y a un changement de phase, donc le chiffre correspondant à l’intervalle [40 ; 80] n’est pas le même que celui correspondant à l’intervalle [40 ; 80]. Un protocole défini au préalable permet au système de décodage de déterminer la valeur du premier chiffre et à partir de cela de retrouver le nombre binaire transmis, 11010001, puis de le reconvertir en nombre décimal, 209, ce qui peut par exemple correspondre à une température de 2,09°C. V ) La localisation des bouées Toutes ces mesures ne seraient pas d’une grande utilité si on ne savait pas où se trouvait la bouée au moment de la réception des données par le satellite. A ) Satellites de localisation Les seuls satellites dédiés uniquement à la localisation sont les satellites du système COSPAS-SARSAT (système de détection des signaux de détresse développé dès 1979 par les USA, l’URSS, la France et le Canada – maintenant 36 pays et organisations sont membres de ce programme). Les autres satellites de localisation relèvent du système de localisation ARGOS, réalisent diverses missions (météorologie par exemple) et hébergent à leur bord le récepteur ARGOS permettant d’effectuer des opérations de localisation. B ) Principe de la localisation L’élément à localiser est équipé d’un émetteur dont la fréquence est connue. Localiser cet émetteur consiste à détecter le signal émis par l’élément à localiser, à mesurer la fréquence de ce signal et à comparer cette fréquence à la fréquence caractéristique de cet émetteur. Cette fréquence est différente de la fréquence propre d’émission de l’émetteur si l’émetteur et le récepteur sont en déplacement l’un par rapport à l’autre : c’est la manifestation de l’effet Doppler. La courbe représentant la fréquence calculée par le satellite récepteur en fonction du temps (par exemple, les bouées équipées d’émetteur ARGOS émettent toutes les 90 secondes) coupe l’axe des temps quand la fréquence calculée par l’émetteur est identique à la fréquence propre de l’émetteur.

Satellite de la NOAA (USA)

Zone « vue » par un satellite lors d’un passage.

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A ce moment là, l’émetteur est situé sur une perpendiculaire à la trace du satellite, cependant, la distance entre cette trace et la position de l’émetteur n’est pas déterminée. Cette distance sera déterminée par l’analyse de la forme de la courbe fréquence reçue/temps : plus l’émetteur sera éloigné de la trace au sol de l’orbite du satellite, plus la « pente » de la partie de la courbe correspondant au passage « fréquence supérieure à la fréquence propre de l’émetteur– fréquence inférieure à la fréquence propre de l’émetteur » sera faible.

Temps

Le satellite se rapproche de l’émetteur

Trajectoire du satellite

Le satellite s’éloigne

de l’émetteur

Bouée munie d’une balise émettant un signal à intervalles réguliers (toutes les 90 secondes pour ce type de balise)

Fréquence du signal reçu par le satellite

Point TCA : Time of Closest Approach La fréquence du signal reçu est égale

à la fréquence du signal émis par la balise.

La fréquence du signal reçu est inférieure à la fréquence du signal émis par la balise.

La fréquence du signal reçu est supérieure à la fréquence du signal émis par la balise.

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VI ) Les études menées sur le site de largage des bouées A ) Largage en Mer du Nord B ) Etude de diverses données en Mer du Nord

La Mer du Nord

Norvège

Suède

Pays-Bas

Allemagne

Danemark

France

Belgique

Angleterre

Écosse

Intensité et direction des courants moyens en Mer du Nord au milieu de la nuit (à 1h) et en fin d’après-midi (18h) le 14 Mai 2004

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VII ) Les données apportées par les bouées dérivantes ou ancrées et les flotteurs A ) Les trajectoires des bouées = images des courants de surface et des vents

Intensité et direction des vents en Mer du Nord au milieu de la nuit (à 0h) et en fin d’après-midi (18h) le 14 Mai 2004

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B ) Une vision des profondeurs Découvrir que les océans sont formés de couches empilées les unes sur les autres est pour le moins surprenant. Et en plus, il paraît que toutes ces masses d’eau sont en perpétuel déplacement dans à peu près dans toutes les directions et dans tous les sens !

Il faut noter que les bouées ne suffisent pas à obtenir ce genre de profil : des rosettes de bouteilles larguées par des navires océanographiques viennent compléter les mesures acquises par les bouées et flotteurs.

Profils de température et de salinité le long des côtes du Brésil (en allant du Sud vers le Nord)