Mesure de l'Acidification dans l'Océan Arctique – MACAO

Afin de pouvoir être déployé sur différentes plateformes océaniques, le capteur de pH doit être léger, solide, précis avec un temps de réponse rapide. Chaque type de capteur de pH existant présente des avantages et des inconvénients. L’électrode a l’avantage d’être facilement miniaturisée, elle consomme peu d’énergie et a un temps de réponse rapide. Par contre, elle dérive et requiert de fréquentes calibrations qui sont impossibles à réaliser sur des bouées dérivantes. Les électrodes ne peuvent donc pas être déployées seules pour mesurer l’acidification des océans sans intervention humaine. La méthode spectrophotométrique consomme plus d’énergie, a un temps de réponse assez lent mais permet des mesures de pH stables dans le temps. L’objectif du capteur de pH hybride est de combiner les avantages de ces deux méthodes. Les mesures de pH spectrophotométriques sont utilisées pour calibrer l’électrode. Le capteur de pH hybride comporte une électrode pour la mesure potentiométrique du pH et un spectrophotomètre qui détecte les variations de couleurs d’un indicateur coloré, le pourpre de m-crésol.

Un capteur de pH hybride comportant une électrode et un spectrophotomètre a été développé et testé en laboratoire, sur bouée de surface et en continu lors d’une mission océanographique. Les tests du système colorimétrique ont montré une répétabilité de la mesure de pH de 0,002 unité et une justesse de l’ordre de 0,01 unité de pH en laboratoire et 0.02 en mer.
Le capteur de pH hybride de surface a été déployé lors de la campagne PIRATA 2023 et a montré une bonne stabilité. La comparaison des mesures de l’électrode met en évidence une bonne anti-corrélation avec les mesures de pCO2 en continu.

Le développement de la technologie du capteur va être poursuivi dans le cadre du projet « grands fonds ».

La version intermédiaire de surface du capteur hybride (électrode in situ et colorimétrie à dans boitier à l’extérieur) a été présentée lors d’une conférence (Rérolle et al., 2019). Les résultats montrent que la partie potentiométrique du capteur est capable de fonctionner dans des conditions réelles de pression et de température océaniques. Dans la suite du projet, un capteur commercial certifié 6000 m est utilisé.. La version in situ (électrode et colorimétrie) a été présentée lors de la conférence Oceanology 2020. La partie colorimétrique fournit une référence stable pour effectuer des recalibrages périodiques et supprimer la dérive de l’électrode.

L'acidification des océans est une conséquence directe de l'augmentation du CO2 et une menace pour les écosystèmes marins. L'océan Arctique est la région la plus vulnérable avec la plus forte baisse de pH par rapport à d'autres régions de l'océan. Cependant, il existe très peu de mesures directes de pH faute de système de mesure en continu, bien que des efforts soient faits pour développer un tel système. En conséquence, les tendances à long terme du pH de la surface sont souvent calculées en utilisant deux autres paramètres mesurés du système océanique du carbone. La communauté océanographique a actuellement besoin de capteurs pH qui permettront de faire des mesures avec précision, de la surface aux eaux les plus profondes.

MACAO vise à développer et tester des capteurs précis capables de faire un suivi à long terme du pH dans la colonne d'eau à partir de différentes plateformes (bouées, profileurs, navires). Le développement des capteurs repose sur une nouvelle approche hybride, qui utilise deux techniques différentes et complémentaires (la méthode colorimétrique et la méthode potentiométrique) pour générer des données très précises à haute résolution temporelle.L’Arctique est une région clé pour le suivi du pH à long terme mais difficile d’accès. Pour tester les capteurs hybrides et acquérir de nouvelles données, nous utiliserons les profileurs qui seront déployés dans l'Arctique dans le cadre des projets scientifiques en cours tels que l’Equipex IAOOS et la campagne MOSAIC (www.mosaicobservatory.org ).

Les plateformes IAOOS sont installées sur la glace pour dériver avec elle. Elles sont équipées d'un profileur et d'instruments autonomes permettant l'observation simultanée de variables clés dans l'océan, l'atmosphère et la glace. Les observations sont transmises en temps réel par satellite. Pour les mesures en profondeur, la plateforme IAOOS est équipée d'un câble vertical guidant le profileur mobile. Les profileurs sont généralement équipés de capteurs pour mesurer la profondeur, la température, la conductivité ou la salinité, et l'oxygène dissous. Nous ajouterons une mesure de pH précise, afin d'étudier la dynamique des paramètres du carbone et l'acidification dans l'océan Arctique.

L'équipe du LOCEAN est composée de biogéochimistes travaillant sur le cycle du carbone océanique et d'océanographes physiciens travaillant sur la physique de l'océan Arctique. Fluidion est une société de haute technologie spécialisée dans les produits de pointe basés sur la technologie brevetée MEMS et la microfluidique. La technologie Fluidion s'adresse à des marchés aussi divers que la qualité de l'eau et la surveillance de l'environnement, l'eau de procédé industrielle et les applications océanographiques et sous-marines.

Le travail est structuré en quatre modules de travail (WP). WP1 concerne le développement des capteurs de pH, WP2 est consacré aux tests et aux mesures en mer. Les données brutes recueillies au cours du projet seront analysées et validées dans le WP3. Un WP4 se concentrera sur la communication, le site Web et la sensibilisation du public ainsi que la valorisation des résultats et des données du projet. Fluidion espère générer des IP (brevets et savoir-faire) à partir des travaux liés à ce projet. Les avantages économiques et scientifiques sont liés: le marché du capteur de pH de l'océan est dominé par les institutions académiques et les groupes de recherche, et donc la validation académique de la performance des capteurs est la clé pour pénétrer ce marché.

Le financement demandé pour le LOCEAN correspond à du petit équipement, de la sous-traitance à NKE, des tests en laboratoire, des frais de déplacement, des publications, d’un financement de thèse et d’un CDD ingénieur. Pour fluidion, les coûts sont liés au personnel, à l'équipement, à la protection IP et à l'externalisation pour la conception et la fabrication mécaniques, deux capteurs hybrides de surface et deux capteurs hybrides pour profileur.