Emission du 28 novembre 2000

Des vagues sur demande.

La surface du globe se compose à 70 % d'eau. Toute vie est intimement liée à l'existence de l'eau et le climat mondial est lui-même influencé de manière déterminante par l'eau des grands océans. Les gaz de l'atmosphère sont en effet fixés par l'eau, tandis que des substances s'évaporent depuis l'eau et gagnent l'atmosphère. Le vent et les vagues sont le moteur de ces processus. Cet échange constant entre l'eau et l'air est connu depuis longtemps, mais on ne dispose pas encore de mesures fiables sur le déroulement de ces mécanismes.

Les chercheurs espèrent aujourd'hui combler cette lacune à l'aide d'une soufflerie. Ce gros canal d'environ un mètre de diamètre produit du vent au moyen de puissantes ailettes. Le vent met ensuite l'eau en mouvement, et des vagues se forment.

Comme dans la nature, les vagues sont d'autant plus grosses que la vitesse du vent est élevée. Ceci n'est que l'une des premières maquettes destinées à tester le principe du canal rond. A l'institut de physique environnementale de l'université de Heidelberg, cette maquette a été agrandie. Après un an et demi de travaux, la soufflerie est prête. Elle fournira aux physiciens un ensemble de données extrêmement précises sur les phénomènes océaniques. Au centre du canal de dix mètres de diamètre, les chercheurs installent les instruments de mesure. Ils veulent connaître la précision des échanges gazeux entre l'eau et l'atmosphère.

Jöhne : " D'un point de vue purement scientifique, il est étonnant de constater qu'une question fondamentale comme celle des échanges de matières entre l'atmosphère et les océans soit aussi mal connue. Prenons l'exemple du dioxyde de carbone produit par la combustion fossile. Une partie est absorbée par les mers du globe. Mais nous ignorons à quelle vitesse elle est absorbée, et nous ne connaissons pas précisément la quantité du CO2 d'origine humaine qui se dissout finalement dans les mers. Ce sont donc des questions tout à fait importantes."

Le bassin mesure 30 mètres de long. Le vent est produit par des ailettes fixées à un tapis et qui défilent dans le canal. On peut produire ainsi des vents de 50 km/h et des vagues de 70 cm. Contrairement à un bassin rectiligne, le canal rond permet de produire des vagues quasi infinies. Les vraies vagues des océans sont donc beaucoup mieux simulées.

Les vagues sont ensuite éclairées et photographiées avec différents appareils. Des capteurs détectent les moindres variations de l'air, tandis que des dispositifs spéciaux permettent d'instaurer une atmosphère artificielle.

Balschbach : "L'installation nous permet d'introduire des gaz en faible quantité dans l'eau et d'en mesurer la concentration dans l'eau et dans l'air ambiant. Cela nous permet de déterminer la vitesse d'échange de ces gaz entre l'atmosphère et l'océan. Nous travaillons ici sur le dioxyde de carbone, le gaz hilarant et le méthane, qui sont des gaz à effet de serre et revêtent donc une grande importance pour notre environnement.
La meilleure façon de mesurer les caractéristiques de la surface de l'eau est de le faire sans contact. Nous utilisons donc des méthodes de traitement d'image : un appareil prend une photo de la surface de l'eau. L'appareil regarde, pour ainsi dire, depuis le haut à travers la surface de l'eau et vise un motif de couleurs qui est éclairé. Du fait des vagues, les rayons lumineux sont réfléchis et réfractés et différentes couleurs apparaissent. L'analyse colorimétrique nous permet d'en déduire la position et la forme de la surface. Nous pouvons donc étudier la formation des vagues, quelles vagues se forment en fonction de la vitesse du vent, et avec quelle fréquence. Un autre enjeu consiste à déterminer comment les caractéristiques de la surface dépendent de sa pureté chimique pour un vent de vitesse donnée."

La soufflerie de Heidelberg est actuellement la seule installation circulaire employée dans le monde pour étudier les échanges gazeux entre l'océan et l'atmosphère.

Jöhne : "Quiconque s'est déjà trouvé en mer sait qu'ici, ce n'est pas exactement comme sur l'océan. Mais ce n'est pas le point essentiel. La question essentielle, et le problème encore non résolu à ce jour, c'est de comprendre précisément les mécanismes physiques. Si nous y parvenons dans cette soufflerie, ce qui devrait être bien plus simple que dans la nature, nous pourrons ensuite transposer les résultats au véritable contexte des océans. Or pour l'instant, ces lois et ces équations fondamentales n'existent pas. Notre principal objectif est donc de déterminer comment fonctionne cet échange du CO2 entre l'atmosphère et l'océan et dans quelle mesure il dépend de la vitesse du vent, de la température, des vagues, ou encore des impuretés, qu'elles soient naturelles ou dues à un film de pétrole. Nous ne disposons actuellement d'aucune réponse quantitative à toutes ces questions."

Une caméra à infrarouges mesure en permanence les conditions thermiques juste au-dessous de la surface de l'eau. On peut ainsi observer comment la chaleur se répartit en fonction de la vitesse des vagues. Les zones froides sont représentées en bleu, les zones chaudes en jaune. Plus la vitesse des vagues est grande, plus la chaleur est uniforme.

Jöhne : "Dans des systèmes aussi complexes, il n'est plus possible d'effectuer les mesures importantes simplement en plaçant une sonde ici ou là. C'est d'ailleurs très difficile à effectuer au niveau de la surface. Il faut donc travailler à distance, par exemple en prenant les photos que vous avez vues des vagues, de la répartition de la température à la surface, et de beaucoup d'autres choses. Les méthodes que nous développons ici, notamment avec le traitement des images, revêtent un grand intérêt pour pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Par exemple, il existe le même type d'échange au niveau des feuilles des plantes. Donc de nombreuses techniques que nous avons mises au point pour la surface des mers peuvent aussi être utilisées par les biologistes qui souhaitent étudier les feuilles et comprendre les mécanismes de la croissance, de la transpiration, etc."

La prise de vue numérique par diverses techniques constitue un outil essentiel pour les spécialistes de l'environnement. Associés à des images satellitaires des vagues, les résultats de ces recherches permettront de déterminer les zones océaniques qui stockent beaucoup de CO2 dans l'eau, et de comprendre pourquoi il en est ainsi.