1 - Mesures hyperspectrales de la couleur de l'eau par l'hypernets

L'hypernets est un prototype de mesure optique hyperspectrale qui mesure l’irradiance solaire et la couleur de l’eau.

Équipe : David Doxaran, chercheur CNRS et Denis Pailler, ingénieur CNRS - Laboratoire d'Océanographie de Villefranche-sur-Mer.

Objectifs

Objectif 1 - Validation des produits satellitaires de couleur de l’eau à bord d’un voilier d’opportunité

L'objectif est de réaliser une première campagne à bord du voilier Vela, afin de collecter des mesures bio-optiques in situ semi-autonomes et de haute qualité, incluant la réflectance hyperspectrale, c'est à dire la façon dont l’eau renvoie la lumière, et la turbidité de l’eau. Notre première expédition permettra de valider les produits hyperspectraux satellitaires sur une large diversité d’écosystèmes.

Le système d’installation Hypernet, sous voile, a été validé en comparaison à des mesures in situ en conditions hauturières à bord du voilier Tara (août 2024, Méditerranée occidentale) par Paco Stil - porteur du projet Vela Lab. A la suite de cette première campagne de test et déploiement du système, le projet permettra d’étendre les protocoles Hypernets sur un plus grand nombre de navires d’opportunité, améliorant ainsi la couverture spatiale et temporelle pour la validation des produits satellitaires hyperspectraux.

Objectif 2  - Alimentation de bases de données globales pour la calibration des produits satellitaires PACE-OCI

Ces données permettront de constituer une base de référence pour valider les produits satellitaire de PACE-OCI à partir de la réflectance hyperspectrale, d’optimiser les algorithmes existants et de développer de nouveaux outils capables de prédire la composition biotique des écosystèmes depuis l’espace.

Contexte scientifique et technique

La biodiversité microbienne et planctonique est au cœur du fonctionnement des écosystèmes marins et de la régulation des grands cycles biogéochimiques. Malgré son importance, les modèles climatiques globaux, tels que ceux utilisés dans les évaluations du GIEC, fournissent des estimations très variables du flux d’exportation de carbone. La dernière génération de modèles projette, pour 2100, des changements dans l’export de carbone organique particulaire à 100 m de profondeur compris entre +0,16 et -1,98 GtC an⁻¹ (+1,8 % à -41%) (Henson et al., 2022).

Cet intervalle souligne l’ampleur de notre incertitude, principalement liée à notre connaissance encore limitée de la diversité et de l’abondance planctoniques, qui conditionnent directement la production et la séquestration de carbone. Intégrer cette dimension de biodiversité aux modèles des systèmes océaniques et terrestres devient donc essentiel pour surveiller, comprendre et prédire l’état de santé de notre planète.

Aujourd’hui, plusieurs paramètres bio-physiques et bio-optiques océaniques (température, salinité, chlorophylle, rétrodiffusion particulaire ou lumière en sub-surface) peuvent être mesurés en continu à l’échelle planétaire grâce aux satellites et au réseau de flotteurs Argo. En revanche, aucune mesure globale et continue de la biodiversité planctonique n’est actuellement disponible. Cette lacune représente un enjeu scientifique majeur, elle souligne la nécessité d’affiner les observations planétaires en exploitant les nouvelles capacités des capteurs satellitaires hyperspectraux et en intégrant la structure et la dynamique des communautés planctoniques aux systèmes d’observation globaux.

Les nouvelles et futures générations de missions satellitaires hyperspectrales en orbite basse, telles que DESIS, PRISMA, ENMAP , EMIT et PACE, devraient permettre une caractérisation plus fine de la composition spécifique du phytoplancton, ouvrant ainsi la voie à des avancées majeures en télédétection de la biodiversité marine.

Tendre vers une télédétection de la biodiversité planctonique requière la validation des produits satellitaires hyperspectraux, en particulier la robustesse des corrections atmosphériques et la validation de la réflectance de l’eau dérivée des mesures satellitaires. Les mesures in situ, réalisées avec des radiomètres hyperspectraux, permettent de rapprocher directement les données in situ des réponses spectrales satellitaires, réduisant ainsi les incertitudes liées aux décalages de bandes et aux hypothèses de modélisation.

Les réseaux existants tels qu’Aeronet-OC (Aerosol Robotic Network – Ocean Color), Hypernav (Hyperspectral Ocean Color Radiometer with Navigation) ou le réseau prototype Hypernets (Ruddick et al., 2024) équipés de radiomètres hyperspectraux fournissent des observations pour cette validation, mais leur couverture spatiale et temporelle reste limitée, soulignant le besoin d’alimenter les bases de données.

Une première expérimentation, menée en août 2024 dans le cadre du projet HyperBOOST (ESA), lors d’un transit de 14 jours entre la Grèce et la France à bord du voilier Tara (au-delà de 5 milles nautiques des côtes) par Paco, porteur du projet Vela Lab, a démontré la faisabilité technique du déploiement du système l’Hypernets sur un voilier en mer ouverte (figure en dessous!). Cette expérience a confirmé le potentiel des mesures Hypernets pour la validation des produits satellitaires dans la plupart des milieux océaniques côtiers à hauturier à bord de navires d’opportunité.  

Exemples d’un matchup entre les données in situ collectées à bord de Tara (Hyperstar : Hyp), Trios, Hyperpro) et le satellite PACE. Les premiers matchups hauturiers, comparant les mesures in situ réalisées par le système Hypernets et le système automatisé So-Rad (Trios) avec les produits satellitaires ont montré une excellente concordance sur l’ensemble des longueurs d’onde pour environ 80 % des cas. Dans les cas restants, une concordance plus faible a été observée entre les mesures satellitaires et in-situ (comme sur a figure ci dessus), soulignant la nécessité d’utiliser des capteurs in-situ pour corriger et valider les produits satellitaires, et ainsi améliorer la qualité et l’interprétation des données océaniques à grande échelle. 

Description détaillée des travaux

Le projet se déroulera sur deux ans, dont 1 ans et demi à bord du voilier Vela, naviguant dans les eaux côtières et hauturières de l’Atlantique. Le parcours couvrira des masses d’eau variées, panaches turbides fluviaux, eaux oligotrophes de Méditerranée, upwellings africains, gyres nord et sud atlantiques, assurant des gradients côtiers et océaniques diversifiés.

Le voilier combinera radiométrie hyperspectrale, génétique et imagerie quantitative, grâce à la collaboration entre plusieurs programmes et équipes scientifiques. Des mesures in situ radiométriques hyperspectrales de la surface de l’eau seront réalisées avec le radiomètre Hypstar du réseau Hypernets installé à bord. Ces mesures optiques seront associées à des mesures de turbidité, ainsi qu’à des prélèvements génétiques du programme PlanktoSpace (Projet de recherche 2) et aux données d’imagerie quantitative analysées par le Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (Projet de recherche 3). 

Les opérations d’échantillonnage seront basées sur des stations de type « matchup » satellite vs in situ, définies pour garantir des correspondances optimales avec les mesures multi-capteurs satellitaires. Deux types de stations sont prévues :

- Stations Hypernets autonomes, dédiées aux mesures hyperspectrales, seront réalisées en zones côtières et hauturières. Les mesures seront effectuées sous ciel clair ou couvert, par conditions météorologiques inférieures à 5 sur l’échelle de Beaufort, entre 11h30 et 15h30 en heure locale pour valider les corrections atmosphériques des produits satellitaires. Sur une journée où les conditions ci-dessus seront réunies, des mesures toutes les 15 mn seront réalisées (ex. : 1 journée, entre 11h et 13h : 8 mesures). Ainsi, le nombre de mesures prévues est estimé à 300.

- Stations Hypernets couplées à la génétique et à l’imagerie quantitative, réalisées exclusivement en milieu hauturier (à plus de 5 milles des côtes) par ciel clair, suivant le protocole du programme PlanktoSpace et en tenant compte de la disponibilité du matériel fourni, incluant le financement du séquençage génétique. Les mesures seront effectuées à raison d’une à deux fois par mois, pour un total estimé d’environ 50 stations.

Ce dispositif fournira un jeu de données reliant la réflectance hyperspectrale de l’eau à la composition taxonomique et morphologique du plancton, offrant une vision complète de la couche de surface de l’océan, nécessaire à la validation des observations satellitaires hyperspectrales et multispectrales de la couleur de l’eau.