Brevet FR2740875A1 — publié le 19970509

DESCRIPTION DE L'INVENTION Domaine technique de l'invention On décrit dans la demande de brevet français n" 95 03269 du 21 Mars 1995, (désignée ci-dessous sous le nom de "Demande de brevet de référence"), un procédé et un dispositif pour réaliser des profils verticaux de mesures de grandeurs caractéristiques d'une masse d'eau marine ou lacustre.Utilisant le procédé d'échantillonnage des masses d'eau et les principes de construction du dispositif décrits dans ladite demande de brevet, et visant le cas particulier d'application desdits procédé et dispositif aux mesures de salinité et de température en fonction de la profondeur le long d'une colonne d'eau marine, la présente invention porte sur des perfecllonnements au procédé et au dispositif décrits dans la demande en référence, portant sur la reconstitution des relations température et salinité en fonction de la profondeur, l'étalonnage et la calibration des chaînes de mesure de température et de salinité, ainsi que la détermination des profondeurs de mesure. Arrière-plan de l'invention Plusieurs procédés et dispositifs ont été décrits pour réaliser des profils verticaux de mesure de la salinité et de la température en fonction de la profondeur dans une masse d'eau marine (Cf. par exemple l'ouvrage intitulé: "évolution of Physical Oceanography, de Bruce S.Warren et Carl Wunsch, The MIT Press", pages 414 et suivantes, - et le paragraphe "Arrièreplan de l'invention" de la demande de brevet de référence On peut, du point de vue du rapport performances/coût, classer les procédés et dispositifs utilisés actuellement en deux catégories: - la première se caractérise par une mise en oeuvre par navires et personnels spécialisés, par un très haut niveau de précision des instruments, et par un coût élevé de construction et de mise en oeuvre (prélèvements hydrologiques, thermosalinographes, sondes à induction filées par câble, CTD/YOYO, etc.). A titre d'exemple, on donne ci-après les performances de précision annoncées pour l'instrument le plus récemment cité, le "High performance CTD sensor" (Cf. la communication de M. Neil L. Brown, in "Proceedings of OCEANS 94", p. 1-385 : température: + " 0C3 C, pression: + 0,05% de la pleine échelle, conductivité: + u,005% de la pleine échelle. Son prix est de l'ordre de 300.000 Francs. - la seconde au contraire se caractérise par une mise en oeuvre par navires "d'opportunité" et un personnel peu spécialisé, par une précision instrumentale beaucoup moindre et une médiocre fiabilité des résultats, le tout étant compensé par un coût faible (sondes perdables XCTD: cf. brevet des U.S.A. n 4.854.728 du 8/8/89 intitulé "Sea water probe"). Les XCTD ommercialisées ont des précisions pratiques de l'ordre de: température: + 0,1"C, profondeur: + 2% de la profondeur mesurée, conductivité: + 0,5% de la pleine échelle, leur prix étant lnférleur à 8.000 Francs.De plus, beaucoup d'opérateurs consldèrent leur fiabilité comme peu satisfaisante: la restitution de la profondeur, en particulier, semble entachée d'une proportion importante d'erreurs systématiques, non détectables en opérations courantes. Les causes de cette situation sont à rechercher dans les limitations suivantes, inhérentes au principe de fonctionnement de ces sondes: (A) avant le lancement à partir du navire porteur (en général navire commercial ou militaire en route), il n'est pas facile de contrôler la dérive éventuelle ni de réaliser une calibration complète des chaînes de mesure de température et de salinité, (B) certains expérimentateurs, comparant les résultats de mesure avec ceux de sondes étalons, ont constaté des erreurs systématiques importantes dans la restitution de la profondeur d'immersion, atteignant plusieurs dizaines de mètres, mettant en cause la fiabilité des résultats de mesure de profondeur.Or, dans ce type de sondes, la loi de variation de la profondeur d'immersion est obtenue a posteriori, par le calcul, connaissant le temps du contact avec l'eau (fermeture d'un circuit électrique par l'eau de mer) et la vitesse de chute (quasi constante): si une anomalie se produit pendant la descente (due par exemple à une retenue du fil de liaison), il n'y a pas de moyen de la déceler. Les besoins de suivi scientifique des mouvements des masses 2'eau et de surveillance opérationnelle de la circulation océanique demandent des instruments de précision intermédiaire entre ces deux extrêmes, une excellente fiabilité des résultats en même temps qu'un coût opératoire faible. A titre d'exemple, nous donnerons les objectifs de précision suivants: pression: + 0,52 de la profondeur mesurée; température: + 0,05 OC; conductivité: + 0,1% de la pleine échelle). La présente invention décrit un procédé et un dispositif applicables au sondage température/salinité en fonction de la profondeur pour une colonne d'eau marine, dérivés du procédé et du dispositif décrits dans la demande de brevet de référence; ils sont conçus pour fournir aux expérimentateurs les niveaux de précision ci-dessus et des résultats de haute fiabilité. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la description qui va suivre, avec un procédé pour réaliser des profils verticaux de mesure de température et de salinité dans une masse d'eau marine, à l'aide d'une sonde plus légère que l'eau, équipée de chaînes de mesure de conductivité et de température, en mouvement libre depuis le fond vers la surface, caractérisé en ce qu'on rapproche, par coîncidence dans le temps, les données obtenues par: a,' des mesures de température et de salinité réalisées à des instants (t) datés par une horloge de bord de la sonde, b/ la reconstitution de la relation donnant la profondeur (D) de la sonde en fonction du temps (t), relevé par la même horloge, à partir de la connaissance de la vitesse de remontée de la sonde, d'une part, et des mesures de pression et de temps de départ et d'arrivée de la sonde d'autre part. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique d'une sonde conçue pour la mise en oeuvre de la présente invention. Description détaillée de l'invention. La sonde est composée 'un corps (1) fermé par un bouchon i2), sur lequel sont tenus les capteurs de conductivité (10) et de température (11) et leur support (3), d'une part, l'électronique (4) associée à ces capteurs d'autre part. Cette dernière est disposée à l'intérieur de l'enceinte résistante constituée par le corps (1) et le bouchon (2). Une enveloppe (6) sur laquelle est déposée une antenne (non représentée), est fixée sur le corps; elle contient des matériaux de flottabilité (5) (mousses syntactiques ou caissons étanches), qui sont traversés par les câbles d'alimentation de l'antenne et d'une électrode (7). Enfin, une capsule (8) pouvant être remplie d'un liquide permet de protéger le compartiment capteurs.Un joint isolant (9) empêche la circulation de courant électrique entre le corps (1) et le bouchon (2). Les autres éléments du dispositif décrit dans la demande de brevet en référence, sont incorporés à la présente description par cette référence. La présente invention s'applique au procédé et au dispositif de sondage de masses d'eau marines et lacustres décrits dans la demande de brevet en référence, pour la réalisation de profils verticaux température/salinité en fonction de la profondeur le long d'une colonne d'eau marine; se référant à la demande de brevet en référence pour la présentation d'ensemble du système d'instrumentation, on présente plus particulièrement ci-dessous les points spécifiques suivants: - A) étalonnage et calibration des chaînes de mesure de la température (T) et de la salinité (S), - B) détermination de la relation D = f(t), liant la profondeur (D) à l'instant courant (t), temps mesuré par une horloge de bord de la sonde à partir de son instant d'éjection. - C) reconstitution des relations T= f(D) et S=f(D) (A) Détermination des relations T= f(t) et S= f(t). Rappelons que la relation qui lie la valeur de salinité d'une eau de mer à sa conductivité électrique n'est pas simple, et qu'elle dépend elle-même de la température de l'échantillon (Cf. par exemple "Pierre Morel, Introduction à la dynamique de l'atmosphère de l'océan et du climat", Océanis, Ed. Institut Océanographique Paris, p. 17): S= -0,09 + 28,3 R15 + 12,8 R'l; - 10,7 R-- + 6 R41 - 1,32 R515 où R15 = Conductivité de l'échantillon à 150C/Conductivité de l'eau de mer standard à 150C, l'"eau de mer standard" étant elle-même une solution dans l'eau de KCl à 35 pour mille. De plus, les capteurs sont sensibles à toute souillure et doivent rester parfaitement propres le plus longtemps possible. Enfin, comme les chaînes de mesure sont susceptibles de rester stockées pendant plusieurs années, elles peuvent dériver ou même tomber en panne. Aussi, pour rendre les mesures aussi précises et fiables que possible, il convient de prendre les mesures suivantes: - étalonner chaque chaîne de mesure de chaque sonde en usine, après nettoyage des capteurs, en ambiance propre, à partir de références de salinité, à différentes valeurs de température; pour ce faire, les capteurs de température et de conductivité de chaque sonde (cf. Fig. 1) sont immergés successivement dans plusieurs bains étalonnés en salinité, dont on fait varier la température. Enregistrer les données correspondantes pour permettre au centre de traitement d'appliquer des corrections d'étalonnage aux résultats bruts, en individualisant chaque sonde. - protéger ensuite les capteurs (10) et (11), de manière permanente, contre toute souillure ou choc, en les confinant dans la capsule étanche (8) remplie d'un liquide; l'ensemble sera maintenu avant et après montage de la sonde sur sa base, et ne sera libéré qu'à l'éjection de celle-ci. Lorsque la sonde est montée en atelier sur sa base, la capsule (8) contenant le liquide de protection reste fixée sur la sonde; elle est introduite dans l'alvéole/réceptacle de la base, clipsée à l'intérieur de celle-ci par un mécanisme de retenue qui, à l'éjection de la sonde, détachera la capsule (8) du corps (1), de façon à mettre les capteurs (10) et (11) au contact du milieu. - réaliser des calibrations des chaînes de mesure à intervalles de temps réguliers, depuis le moment d'étalonnage en usine jusqu'a l'éjection, pour identifier les dérives éventuelles et en tenir compte au traitement des résultats; ces calibrations peuvent se faire avantageusement par activation des chaînes de mesure, les capteurs (10) et (11) étant immergés dans le liquide de protection, en choisissant celui-ci pour qu'il constitue en même temps un étalon de salinité (de l'eau de mer "standard" par exemple); pour ce faire, l'horloge de la sonde restant en fonctionnement permanent après étalonnage, on la programme pour qu'elle commande l'activation des chaînes de mesure à intervalles de temps réguliers (par exemple une fois par mois), pendant quelques secondes, ainsi que la mise en mémoire dans la sonde des données de calibration pour transmission au centre de traitement par la liaison satellite, en même temps que les données des mesures proprement dites. - compléter ces précautions d'étalonnage et de calibration par quelques mesures réalisées dans les couches profondes, au début de la remontée de la sonde, du moins quand le dispositif de sondage opère dans des masses d'eau océaniques profondes: en effet, la salinité de ces couches d'eau est parfaitement connue et peut servir d'étalon (cf. par exemple "P. Morel", document cité ci-dessus, p. 17). - au traitement, restituer les relations T = f(t) et S = f(t) après application éventuelle à chaque sonde des corrections d'étalonnage et de calibration nécessaires. (B) Restitution de la relation D= f(t). Dans la demande de brevet en référence, la relation D=f(t) est décrite comme obtenue au moyen d'un capteur et d'une chaîne de mesure de pression embarquées dans chaque sonde. La présente invention présente une solution qui n'utilise pas ce capteur et cette chaîne de mesure à bord des sondes, et permet de ce fait une réduction importante de coût, à performances égales ou supérieures. Le principe de restitution de la relation D=f(t) se rapproche de celui des XBT/XCTD en ce sens qu'il est basé sur l'intégration de la vitesse de la sonde en fonction de t, depuis l'instant d'éjection de la sonde de sa base. Deux mesures complémentaires permettent de préciser les valeurs à l'origine de cette intégrale et de fournir un moyen de détecter des erreurs grossières: la profondeur à l'instant de l'éjection, d'une part, l'instant d'arrivée en surface d'autre part. La vitesse de remontée de la sonde est fixée par sa flottabilité et ses caractéristiques hydrodynamiques; contrairement à ce qui se passe pour les XBT ou XCTD, le poids et le volume d'eau déplacé ne varient pas pendant la remontée, et aucun fil ne risque d'entraver celle-ci. On peut donc considérer cette vitesse comme constante. La détermination de la profondeur à l'éjection est obtenue de la manière suivante: avant éjection de la première sonde d'une station, le programmateur de la base commande l'activation d'un capteur de pression de haute précision fixé sur celle-ci, et le chargement de la donnée mesurée en mémoire soit dans la première sonde de mesure éjectée soit dans une sonde "messager", pour transmission au Centre de traitement. Ce dernier transforme la donnée de pression mesurée ainsi en valeur de profondeur à l'éjection de la première sonde et de chaque sonde ultérieure, connaissant le poids de la colonne d'eau à ces différents instants.L'instant d'éjection d'une sonde de mesure est déterminé par la fermeture d'un circuit électrique se refermant par l'eau de mer entre une électrode fixée sur le support (3) capteurs, isolée de la masse de la sonde, et le corps de la sonde (1). La détermination de l'instant d'arrivée en surface est réalisée de même par l'ouverture d'un circuit électrique se refermant par l'eau de mer entre une électrode fixée au voisinage du pied d'antenne (7) et le corps de la sonde (1). Cet instant est mémorisé dans la sonde et transmis au Centre de traitement. On dispose ainsi d'une redondance dans les données, qui permet d'apprécier la cohérence des mesures, d'éliminer un résultat aberrant, d'améliorer la restitution du profil, d'évaluer les erreurs, de constater les effets d'un courant transversal qui aurait pu allonger le temps de montée et finalement d'obtenir une haute confiance dans le résultat. Remarquons enfin que l'expérimentateur peut choisir librement le tarage de flottabilité de ses sondes, en vue d'assurer la vitesse de remontée qu'il jugera optimale, n'étant contraint par aucune raison liée à la mise en oeuvre du dispositif, comme c'est le cas pour les XCTD. Il pourra en particulier choisir un rythme relativement lent d'acquisition des mesures. (C) Restitution des relations S=f(D) et T=f(D) Les relations T = f (D) et S = f(D) sont déterminées a posteriori au Centre de traitement en rapprochant les relations T = f(t), S = f(t) et D = f(t) obtenues par les méthodes cidessus. Champ d'applications et avantages de l'invention. Des mesures de profil de salinité et de température dans l'océan ont été réalisées depuis plus de cent ans dans le but de connaître la stratification puis la circulation des masses d'eau. En effet, on sait que la densité et les caractéristiques thermodynamiques d'un élément d'eau de mer, qui sont les éléments qui conditionnent sa dynamique et ses échanges d'énergie, dépendent principalement de sa température, de sa salinité et de sa pression.La connaissance de la circulation des masses d'eau et des échanges d'énergie est essentielle pour la détermination des échanges de chaleur à la surface de la planète tant pour la météorologie que pour la prévision climatique à long terme, des échanges de carbone et d'autres matières entre océan et atmosphère, de la production primaire et du plancton, de la biomasse marine, du devenir des polluants, de l'évolution de la thermocline et des conditions de propagation des ondes acoustiques sous-marines. Depuis quelques années, l'observation de la surface de la mer par satellites a permis à la recherche de faire des progrès considérables dans la description de la circulation océanique et des échanges de surface entre océan et atmosphère; dans le même temps, les progrès des calculateurs ont permis de faire tourner des "modèles numériques" de circulation de l'océan, qui sont aujourd'hui au stade semi-opérationnel, et permettent d'envisager la réalisation de prévisions opérationnelles dans tous les domaines ci-dessus. Il apparaît à beaucoup de spécialistes que ce sont désormais des techniques de mesures in situ susceptibles de réaliser de manière automatique d'une part des séries chronologiques d'observations en un même point et d'autre part des "vues" synoptiques sur des zones à mésoéchelle, qui fourniront aux modèles les données nécessaires pour réaliser une nouvelle étape du progrès des prévisions. Aucun des systèmes de sondage in situ existants n'apporte de solution satisfaisante à ces besoins; la présente invention est conçue pour y répondre. Elle constitue un élément important d'un futur système opérationnel d'observation de la circulation de l'océan, conjointement avec des satellites et, éventuellement, des systèmes de tomographie acoustique. Or, le besoin de disposer rapidement d'un système intégré à l'échelle mondiale d'observation opérationnelle de l'océan a été exprimé dans différentes conférences internationales au niveau des Chefs d'Etat (RIO 1992), et des structures de concertation internationale ont été crées pour répondre à cette demande. Enfin, l'invention est immédiatement exploitable: en remplacement de navires spécialisés réalisant des sondages périodiques au même emplacement géographique, en complément de stations d'observation scientifiques ou de surveillance comme par exemple des lignes de mouillage de courantomètres ancrées sur le fond, en complément et à la suite d'observations plus complètes faites à partir de navires, comme des relevés hydrologiques, etc. On peut citer, de manière non exhaustive, les avantages suivants de l'invention, par rapport aux procédés et dispositifs utilisés actuellement: (1) réduction du coût d'acquisition des données océanographiques, surtout lorsque l'expérimentation a pour but de saisir des séries chronologiques de mesures, en un point géographique donné ou, de manière coordonnée dans le temps, en plusieurs points d'un réseau, (2) grande flexibilité dans le choix des emplacements géographiques et des calendriers de sondage, permettant en particulier d'obtenir des vues synoptiques par "coupes" horizontales et verticales des masses d'eau, (3) grande répétitivité des conditions de mesure, facteur de qualité des résultats, (4) haute protection des capteurs permettant d'éliminer toute cause de dégradation due à l'environnement marin, facilités d'étalonnage et de suivi des dérives des instruments, (5) importante réduction des délais, coûts et aléas de transmission, de traitement et de diffusion des données rendue possible par l'automatisation complète de la chaîne d'acquisition, de collecte et de traitement des données, (6) possibilité de réserver une haute confidentialité au processus, depuis la mise en place des stations fond de mer jusqu'à la diffusion des données, permettant une exploitation classifiée et/ou commerciale du système de collecte de données par son propriétaire; l'invention s'adapte particulièrement bien à une gestion efficace et peu coûteuse du traitement des données, à l'assimilation des résultats dans les modèles numériques de circulation, et à la diffusion à des utilisateurs aux besoins variés des produits élaborés, (7) haut niveau de qualité des mesures compatible avec de nombreux besoins actuels et enfin (8) très bonne fiabilité des résultats. On remarquera encore que la mise en oeuvre de l'invention ne fait pas appel à des technologies nouvelles ou "révolutionnaires"; elle repose au contraire sur la combinaison de solutions techniques appliquées à d'autres domaines, déjà expérimentées et connues. REVENDICATIONS 1- Procédé pour réaliser des profils verticaux de mesure de température et de salinité dans une masse d'eau marine, à l'aide d'une sonde plus légère que l'eau, équipée de chaînes de mesure de température et de conductivité, en mouvement libre depuis le fond vers la surface, caractérisé en ce qu'on rapproche par coîncidence dans le temps les données obtenues par (a) des mesures de température et de salinité réalisées à des instants (t), datés par une horloge de bord de la sonde, (b) la reconstitution de la relation donnant la profondeur (D) de la sonde en fonction du temps (t), relevé par la même horloge, à partir de la connaissance de la vitesse de remontée de la sonde, d'une part, et des mesures de pression et de temps de départ et d'arrivée de la sonde, d'autre part. 2 - Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que: - on étalonne les chaînes de mesure de température et de conductivité de ladite sonde, en fin de construction en usine, par immersion des capteurs dans une succession de bains étalonnés en température et salinité, - on immerge ensuite les capteurs dans un liquide étalonné en salinité, dans lequel ils restent confinés pendant les phases de stockage en atelier et sur le fond de la mer, jusqu'à éjection de la sonde de sa base, - on réalise des calibrations des chaînes de mesure à intervalles réguliers, par référence au liquide étalon, de manière automatique, l'activation de ces calibrations étant commandée par l'horloge de la sonde, et - on enregistre les mesures de calibration dans la sonde, pour restitution ultérieure dans un centre de traitement des mesures enregistrées par la sonde. 3- Procédé conforme à l'une quelconque des revendications (1) et (2), caractérisé en ce que, pour reconstituer la relation donnant la profondeur de la sonde en fonction du temps: - on mesure et enregistre la pression au niveau de la base, et on s'en sert pour identifier la profondeur d'éjection de toutes les sondes, - on mesure et enregistre les instants de départ de la sonde de la base et d'arrivée en surface, à partir de l'horloge de la sonde, - on reconstitue le mouvement de la sonde à partir de la connaissance de sa vitesse de remontée (vol hydrodynamique libre), de la profondeur de départ et des instants de départ de la base et d'arrivée en surface. 4- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les moyens nécessaires pour cela et: - au moins une sonde munie des capteurs de mesure des grandeurs à relever et , de moyens de stockage et de transmission de l'information, - une base équipée de moyens pour retenir temporairement ladite sonde et libérer celle-ci à un instant prédéterminé, 5- Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les capteurs (10) et (11) sont protégés par une capsule (8) emboîtable sur la corps (1) de la sonde, et détachable de celuici lors de l'activation des moyens de libération de la sonde. 6- Dispositif conforme à la revendication 5 pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 2, caractérisé en ce que la capsule (8) est remplie d'un liquide servant de référence pour la calibration des capteurs. 7- Dispositif conforme à la revendication 4 pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 3, caractérisé en ce que la base porte au moins un capteur de pression et des moyens pour acheminer la mesure correspondante jusqu'au centre de traitement des mesures. 8- Dispositif pour réaliser des profils verticaux de mesures de température et de salinité dans une masse d'eau marine, caractérisé en ce qu'il comprend: - une base sur laquelle sont montées une pluralité de sondes, chaque sonde contenant plusieurs capteurs (10) et (11), euxmêmes immergés dans un liquide contenu dans une capsule (8), - des moyens pour libérer sélectivement chaque sonde en permettant aux capteurs d'émerger dudit liquide. - un capteur de pression monté sur la base, et des moyens pour acheminer la mesure obtenue jusqu'au centre de traitement des mesures.