Commission Européenne / European Commission
Direction Générale Environnement / Directorate -General Environment
DETECTION DE NAPPES IMMERGEES
DENIM
Sommaire / Contents
1. Introduction 2. Les besoins / The needs
Généralités / General
Caractéristiques des polluants / Pollutants characteristics
Conditions environnementales / Environmental conditions in European seas
3. Méthodologie de détection et de monitoring / Methodologies for detection and monitoring
Détection des nappes immergées / Detection of submerged oils
Limitations et bruits de fond / Limitations and background levels
4. Les capteurs: inventaire et expérimentations réalisées/ Sensors: inventory and experimentations
Capteurs acoustiques / Acoustical sensors
LIDAR par fluoroscence / LIDAR fluorosensors
Fluorimètres / Fluorometers
Spectromètres de masse / Mass spectrometers
Capteurs Raman/ Raman sensors
Biocapteurs / Biosensors
5. Mise en oeuvre de capteurs à partir d'engins sous-marins autonomes/ Implementation of sensors onboard autonomous underwater vehicles
Dimensions technologique et opérationnelle / Operational and technological dimensions
AUVs de référence / Basic AUVs
Charges utiles / Payload
Pré-dimensionnement du véhicule sous-marin / Underwater vehicle preliminary dimensioning
Conclusion
6. Expériences in situ envisagées / Possible in situ experiments 7. Conclusion - recommandations Annexes: autres capteurs commercialisés / Appendices: other marketed sensors Références / References
Commission Européenne / European Commission Direction Générale Environnement / Directorate - General Environment DETECTION DE NAPPES IMMERGEES DENIM
-------------------------------------------------------------------------------- Introduction Les marées noires de l'ERIKA et du PRESTIGE ont mis en évidence de manière répétée que la détection en mer des hydrocarbures est particulièrement délicate surtout quand il s'agit de produits lourds ou alourdis dont le comportement est mal connu. La fraction la plus lourde qui sédimente au fond devient aussitôt indécelable autrement que par le recours aux moyens les plus simples et les plus directs : l'observation visuelle par des plongeurs et le carottage ou le dragage en aveugle. Ces méthodes ont l'inconvénient majeur d'être très lentes et imprécises car les zones concernées sont vastes au regard des couvertures obtenues. Les hydrocarbures déposés sur le fond ou enfouis dans le sédiment posent pourtant un problème réel d'impact sur le benthos des sites affectés et de leur voisinage (conchyliculture) et un problème sévère de risques pour le littoral en cas de reprise par les houles ou les courants. OBJECTIFS Le projet DENIM (DEtection de Nappes IMmergées) a donc pour objectif de proposer, en connaissance de cause, des moyens sous-marins plus appropriés aux autorités en charge de la lutte contre la pollution. Pour cela, il sera procédé à une revue des techniques actuellement disponibles et de celles qui pourraient être développées en vue de détecter les hydrocarbures immergés sur les littoraux européens entre quelques mètres (cas de sites pollués par l'ERIKA) et 700m de profondeur (cas du pétrole du Haven). Ce projet pourrait être, dans une étape ultérieure, suivi d'essais in situ des capteurs sur les sites cités ci-dessus. Au stade actuel de développement des techniques et selon la revue qui en a été faite par le Cedre pour les autorités françaises, un premier constat s'impose : aucune technique ne peut être préconisée a priori sans évaluation en laboratoire sur des produits lourds, vieillis ou non, et si possible en mer. Par ailleurs, plusieurs moyens et capteurs complémentaires seront toujours nécessaires étant donné la complexité et la variété des situations rencontrées sur le littoral ou en mer profonde.
Les travaux et reconnaissances sous la mer se sont multipliés depuis 25 ans et de nombreux capteurs ont été développés, principalement acoustiques, et sont utilisés dans de nombreux domaines. Cependant, aucune véritable utilisation opérationnelle de ces capteurs, performants mais difficiles à mettre en œuvre, n'a pu être faite lors de pollutions réelles tant aux Etats-Unis, au Canada qu'en Europe pour la détection des hydrocarbures lourds immergés suite à un accident Une évaluation des techniques et des capteurs existants ou en développement est donc essentielle pour préparer une intervention plus efficace en mer au cas, jamais à exclure, d'une pollution sous-marine par hydrocarbures. Des études récentes ont montré qu'en Amérique du Nord, environ 10% des accidents impliquent des produits immergés, ce qui est loin d'être négligeable car l'impact de ces produits peut être durable et très dommageable en termes écologiques et économiques. Or cette évaluation ne peut être abordée seulement de façon théorique selon la majorité des experts car c'est un domaine où il est impossible d'improviser étant donnée la complexité des phénomènes en jeu. Des expérimentations programmées étape par étape sont donc nécessaires afin de diminuer les risques et les coûts d'adaptation et de qualification des systèmes qui combinent des capteurs complémentaires et des vecteurs adéquats. EQUIPE PROJET Les partenariats de ce projet, aux côtés du Cedre, sont l'ICRAM et l'IFREMER. Dans ce cadre, les tâches sont réparties de la manière suivante : Définition des besoins et des conditions de mise en œuvre à considérer : ICRAM et Cedre pour la Méditerranée, Cedre et IFREMER pour l'Atlantique, la Manche et la Mer du Nord. Revue des capteurs existants ou en cours de développement : ICRAM et Cedre pour les capteurs acoustiques ; IFREMER et Cedre pour les capteurs de type spectromètre et les laser fluorosenseurs. Sélection des capteurs les plus pertinents en considérant les vecteurs qui peuvent être utilisés : Cedre, IFREMER et ICRAM conjointement. Essais en laboratoire ou analyse de résultats disponibles : IFREMER pour les capteurs nouveaux en associant le Cedre pour la partie liée aux hydrocarbures, IFREMER et Cedre pour les capteurs acoustiques. Analyse des conditions de mise en œuvre des capteurs sélectionnés, y compris les aspects opérationnels et techniques spécifiques à chaque système : Cedre, IFREMER et ICRAM conjointement. Evaluation technique des essais en bassin et campagnes d'essai en mer pour valider, en opérations, capteurs et systèmes in situ. : Cedre, ICRAM et IFREMER. CONTENU DE L'ETUDE Le principal résultat de ce projet est de sélectionner les capteurs les plus pertinents et d'identifier les limites et domaines d'utilisation de chacun d'entre eux par rapport aux besoins identifiés dans le domaine de la détection sous-marine. Les autorités en charge de la lutte
contre la pollution pourront ainsi bénéficier de recommandations documentées pour la conduite des actions de recherche des hydrocarbures immergés. L'autre résultat important est la définition des contraintes et possibilités d'utilisation et d'interfaçage des capteurs sur des supports adéquats, sous marins ou de surface, comme des véhicules autonomes ou des navires spécialisés. Des moyens perfectionnés existent, comme les systèmes acoustiques d'imagerie ou de sonars. L'évaluation de ces techniques est nécessaire car elles sont potentiellement à même d'accélérer les reconnaissances sous-marines. Malheureusement les inconnues techniques et opérationnelles sont très nombreuses et des essais de validation doivent être envisagés avec clairvoyance et réalisme. En dehors des systèmes acoustiques, d'autres capteurs peuvent être nécessaires afin de conduire des reconnaissances fines et discriminantes. Ces capteurs sont moins bien connus surtout en vue d'une utilisation sous-marine et par conséquent, une étude de leur sensibilité, de leur mise en œuvre et de leur interfaçage sur des vecteurs sous-marins est nécessaire. La conduite d'actions en mer pourra être alors envisagée directement et rapidement tant pour des essais sur la zone polluée du Haven que dans le cadre d'une pollution effective survenant dans les eaux de tout pays européen. Etant donné la difficulté et la spécificité du problème de la détection dans le domaine sous-marin, l'exhaustivité de la présente étude ne peut être garantie. Les techniques et systèmes présentés et parfois testés, sont encore très peu utilisés dans le domaine sous-marin, sauf en ce qui concerne les systèmes acoustiques. Ceux-ci en effet sont utilisés couramment en mer tant dans le domaine pétrolier que dans celui de la recherche océanographique. Cedre - 715 rue Alain Colas - CS 41836 - 29218 BREST CEDEX 1 - FRANCE - Tιl : 33 (0)2 98 33 10 10 - Fax : 33 (0)2 98 44 91 38 Association rιgie par la loi de 1901 à mission de service public - [email protected]
Les besoins / The needs
1. Généralités Hydrocarbures
Produits chimiques
Détection et suivi
2. Caractéristiques des polluants Hydrocarbures
Produits chimiques
3. Conditions environnementales dans les eaux Européennes (version anglaise uniquement)
Les besoins : généralités
The needs : general
HYDROCARBURES
Les hydrocarbures immergés sont un souci majeur dans de nombreux cas de déversements accidentels en mer quand on considère la difficulté de leur repérage, leur confinement et leur récupération aussi bien que la fréquence des accidents. En 25 ans, 40% des quelques 400 pollutions par hydrocarbures issues de navires, ont impliqué des fuels intermédiaires et lourds et l'on sait que ces types de produits ont tous tendance à couler à proximité des côtes s'ils sont dans des conditions appropriées; ceci donne un bon ordre de grandeur de la menace. A titre d'exemple, les pollutions accidentelles consécutives au naufrages de l'ERIKA et du PRESTIGE ont mené à des opérations de récupération de pétrole coulé à proximité des côtes françaises et espagnoles. Plusieurs facteurs déterminent les impacts écologiques, socio-économiques et politiques de ces déversements de pétrole lourd. En fait, l'importance de ces impacts variera en fonction du type d'hydrocarbure, de sa persistance, des conditions environnementales comme les courants et dérives, et des moyens techniques disponibles pour lutter contre cette pollution.
PRODUITS CHIMIQUES
Les pollutions marines chimiques marines ont fait prendre conscience ces dernières années en Europe du risque et des conséquences potentiels de ces pollutions. De plus, la Convention sur les Substances Dangereuses et Nocives se penche sur les perspectives de telles pollutions chimiques en mer. Concernant ces problèmes, il est évident que la détection et la lutte apportent une réponse limitée. La gamme étendue des produits chimiques transportés en mer rend la tâche encore plus difficile. Le premier souci est d'évaluer la situation dans la zone de l'accident ce qui implique de suivre la pollution à l'aide de sonars permettant un relevé rapide et efficace des courants variés et du fond marin de la zone. Toutefois, lorsque les produits chimiques sont transportés en vrac, ils sont tout à fait connus, ou dans des containers ou des fûts, ils peuvent être plus spécifiques et de propriétés diverses une fois répandus en mer.
DETECTION ET SUIVI
Afin de sélectionner les sonars et outils nécessaires pour la détection et le suivi des hydrocarbures immergés et des produits chimiques, il est important de décrire les conditions qui règnent dans la zone de l'accident. Ces conditions sont très différentes entre l'Atlantique et la mer Méditerranée.
Le but est d'effectuer un relevé efficace afin d'accomplir les tâches dans un temps raisonnable bien qu'il ne soit pas toujours facile pour un véhicule sous-marin d'opérer dans toutes les conditions météorologiques. De plus, il est important de considérer deux types de suivi : l'évaluation immédiate (d'une pollution actuelle) et la surveillance à long terme (de fuites potentielles). Dans ce dernier cas, le système sélectionné doit être désigné pour supporter toutes les conditions de mer tandis que dans l'autre cas, le repérage doit être effectué lors de conditions favorables.
Dans le cas d'une surveillance immédiate d'un naufrage, les conditions à assumer sont les suivantes : · l'état de mer compatible avec le bateau qui déploie le véhicule sous-marin · les courants de fond permettant au véhicule sous-marin d'opérer en sécurité et efficacement · la clarté de la mer pour avoir suffisamment de vision pour le pilote qui effectue le repérage sans risques excessifs et sans " blancs " dans les informations · la profondeur maximale de la zone considérée
Dans le cas d'une surveillance à long terme d'un site potentiellement pollué, le meilleur moyen est d'avoir plusieurs sonars autour du site, sélectionnés et situés selon la menace spécifique à détecter. Ces capteurs doivent être déployés de manière à supporter les conditions de mer les moins favorables et doivent être reliés entre eux. Ainsi ces rangs de capteurs seront amarrés selon un modèle spécifique et constitueront une sorte de réseau avec des liens acoustiques et optiques. Les conditions de mer à prendre en compte sont les suivantes : · les valeurs de retour N-année de l'amplitude des vagues, des courants de surface ou de fond, la vitesse du vent… : N est sélectionné selon la durée de la surveillance programmée et le niveau de risque de perte d'équipement · les caractéristiques des fonds marins · les perturbations acoustiques
Les besoins correspondant sont ceux concernant l'efficacité des sonars et aussi de la manœuvrabilité du véhicule support dans le premier cas. Les critères d'efficacité reposent sur : · seuil de sensibilité / type de polluant · précision / type de polluant · sécurité · relevé de données / taux d'échantillonnage
HEAVY OILS
Submerged and sunken oils are an important concern in many accidental water pollutions when considering the difficulty of their tracking, containment and recovery as well as the occurrence of incidents. In 25 years forty percent of the 400 ship source oil spills have involved medium or heavy grades fuel oils and these products are all supposed to sink close to coastlines in appropriate sea conditions. This gives a good order of the magnitude of the threat. For example, accidental pollutions resulting from the ERIKA and PRESTIGE shipwrecks lead to operations of oil recovery near the French and Spanish coasts. Several factors determine the ecological, socio-economic and political impacts of any oil spill. The importance of these impacts will in fact vary considerably depending on the type of oil, notably its persistence, on the environmental conditions, such as the currents and drifts, on the technical means that are available to track and combat the pollution.
CHEMICALS
Marine chemical emergencies in the recent years have raised the level of consciousness in Europe as for the potential risk and consequences of chemical spills. In addition to that, the Hazardous and Noxious Substances Convention has focus attention on the prospect of chemical spills at sea. Concerning such issues; it is becoming obvious that there is limited response both for the detection and for the fighting action. The large range of chemicals carried at sea makes it a difficult task. The first concern is to be able to assess the situation in the accident region and this issue implies to be able to map the pollution by the use of adequate sensors carried by adequate vehicle that allow for a quick and efficient survey of a zone with varied currents and sea bed. However chemicals are transported either in bulk, in this case they are quite well known products, or in containers or drums, in that case they may more specific and of varied properties when spilled in the sea water.
DETECTION ET MONITORING
When considering the problem of selecting existing tools and sensors for detecting and monitoring the non-floating oil and chemical products, it is important to describe the prevailing conditions that should be taken into account. These conditions will be somewhat different between the Atlantic and the Mediterranean seas.
The goal is to be able to perform a survey with enough efficiency so as to achieve the task in a reasonable time although it will never be possible to operate an underwater vehicle in all weather and tide conditions. In addition it is interesting to consider two types of monitoring: immediate assessment (of an actual spill) and long term surveillance (of a potential leakage). In the last case the selected system should be designed to sustain most sea conditions whereas in the other case, the survey should be performed when there is a favourable window.
In the first case, the immediate survey of a wreck, the sea conditions to be assumed are the following: · sea state compatible with the mother ship (if any) to deploy the underwater vehicle · bottom sea currents enabling to operate the underwater vehicle in a safe and efficient way · sea clarity to have enough vision for the pilot to perform the survey without excessive risk and also without "blanks" in the coverage · maximum depth of the considered area.
In the second case, long term surveillance of a potentially polluting site, the best and cost effective way is to have several sensors around the site, selected and situated according to the specific threat that is to be detected. These sensors should be deployed so as to sustain most unfavourable sea conditions and be linked to each other so as to have a limited number of link to the surface and to the shore. This link should enable alarm to be sent to the shore and also all recorded parameters and data to be retrieved. Thus this array of sensors will be moored according to a specific pattern and will constitute a kind of network with acoustical or optical links. The sea conditions to be taken into account are the following: · N-year return value of wave height, surface or bottom currents, wind speed …: N is selected according to the duration of the scheduled surveillance and the level of risk to loose the equipment that is acceptable · Seafloor characteristics and stability … level of risk that is acceptable
· Acoustic disturbance … level of risk that is acceptable.
The corresponding needs are those concerning the efficiency of the sensors and also the support vehicle manoeuvrability in the first case. This efficiency criteria will be based on: · sensitivity threshold / pollutant type · accuracy / pollutant type · reliability · data logging / sampling rate.
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Méthodologies / Methodology
1. Détection des nappes immergées / Detection of submerged oils (version anglaise uniquement)
• Detection of oil agglomerated in the water column close to the sea surface • Detection of oil dispersed within the water column • Detection of oil sunken to the sea bottom
2. Limitations et bruits de fond / Limitations and background levels (French version only)
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Les capteurs: inventaire et expérimentations réalisées
Sensors: inventory and experimentations
1. Capteurs acoustiques / Acoustical sensors 2. LIDAR par fluorescence / LIDAR fluorosensors 3. Fluorimètres / Fluorometers 4. Spectromètres de masse / Mass spectrometers 5. Capteurs Raman / Raman sensors 6. Biocapteurs / Biosensors
Capteurs acoustiques
Acoustical sensors
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INTRODUCTION
La marée noire de l'ERIKA a mis en évidence que le produit polluant émulsionné et alourdi, qui est descendu au fond ou a navigué entre deux eaux, est devenu indécelable autrement que par recours aux dragages en aveugle.
Les caractéristiques acoustiques des produits pétroliers lourds étaient jusqu'à présent méconnues, de même que la réponse acoustique des sonars en fonction de la nature et du morcellement des nappes immergées. Dans le cadre d'un projet RITMER, l'expérimentation EXCAPI en bassin, de grandes dimensions, a permis de contrôler un certain nombre de paramètres, comme la géométrie des nappes et la nature du produit.
L'expérimentation en bassin a d'abord consisté à réaliser la mise en place des nappes d'hydrocarbure de différentes tailles, compositions et épaisseurs sur un lit de sable de 30 cm d'épaisseur dans un bassin de grandes dimensions (80m x 10m x 9m).
Environ 2m3 de produits lourds ont été mélangés et mis en place par le Cedre à chaud par un processus de flux tendu " Raffinerie-Cedre-Bassin".
Auparavant des essais de fabrication et de stabilité au fond de l'eau ont été réalisés au Cedre pour s'assurer des modalités de mise en place des produits lourds sans danger de pollution du bassin.
LES SONARS TESTES
Les différents sonars testés de techniques différentes ont été montés sur une passerelle motorisée permettant des déplacements transversaux et longitudinaux. Les sonars testés dans ce bassin sont les suivants :
Sonars latéraux: · Le sonar latéral interférométrique KLEIN 5500B (455 kHz) du GESMA · Le sonar latéral Edgetech DF 1000 (112 et 384 kHz) de l'IFREMER
Sonars multifaisceaux: · Le sondeur multifaisceaux /sonar frontal sectoriel RESON 8101 (240 kHz) du GESMA · Le sondeur multifaisceaux RESON 8125 (455 kHz) prêté par la société RESON
Sonars frontaux: · Le sonar frontal COSMOS (100 kHz) du LMP (Univ. De Paris VI) · Le sonar frontal sectoriel RESON 8101 (240 kHz) du GESMA
Caméra acoustique 3D: · Le sonar frontal 3D EchoScope 1600 (100 à 600 kHz) de la société CodaOctopus OmniTech
.
RESULTATS ET CONCLUSION
Les résultats obtenus sont assez encourageants, ils peuvent se résumer ainsi :
- Des systèmes sonar haute fréquence (200/500 kHz) utilisés classiquement en mer (sonars latéraux, multifaisceaux, frontaux) permettent de détecter la présence de nappes d'hydrocarbure sur un fond de sable du fait de la faible réflectivité de ces nappes due à une très forte atténuation des signaux.
- Le contraste obtenu pour les trois produits utilisés est similaire. Toutefois, le contraste dépend du système considéré et aussi de la configuration d'utilisation (profondeur , distance oblique et incidence,..).
- Le contraste observé pour les trois produits par rapport au sable, quel que soit le type de sonar, est de l'ordre de 10 dB à 15 dB dans la gamme de fréquence 240 à 460 kHz et ce pour toute épaisseur de 3 à 20 cm, alors que vers 100 kHz il est au plus de 5 dB et varie avec l'épaisseur.
- Au voisinage de la verticale (incidence de moins de 10°) et lorsque la fréquence augmente de 240 à 455 kHz, le contraste mesuré par le sondeur multifaisceaux diminue de façon significative (le niveau renvoyé par les hydrocarbures est très proche de celui renvoyé par le sédiment) mais dans ces conditions la bathymétrie fait apparaître clairement l'épaisseur des taches alors que celles-ci sont invisibles sur l'image. Cependant, cette bathymétrie ne peut être d'aucune utilité dans le cas d'une reconnaissance réelle en mer.
- Les sonars à balayage latéral opèrent dans une plage d'angles d'incidence (30° à 80° environ) pour laquelle le contraste sédiment/hydrocarbure est élevé. Le fait qu'ils travaillent à une altitude quasi constante au dessus du fond garantit une détection et une couverture indépendantes de la profondeur d'eau. De plus cette couverture, importante du fait de leur géométrie, est un atout pour une recherche sur de grandes zones.
- Il est très difficile, voire impossible de distinguer les différentes compositions d'hydrocarbures par l'analyse de leur réponse acoustique.
En CONCLUSION, le système sonar latéral pourrait être employé afin de réaliser une évaluation rapide de la contamination d'une grande zone. Quand il y a une forte présomption de plaques de polluant en certains endroits, alors des reconnaissances plus détaillées sont ensuite possibles à l'aide d'autres systèmes tels que le sondeur multifaisceaux, le sondeur vertical ou le sonar frontal sectoriel à partir de navires ou d'engins sous-marins équipés de systèmes de positionnement adéquats.
Fluorimètres /
Fluorometers
PRINCIPE
L'absorption de photon par les molécules, donc leur excitation s'accompagne de désexcitation qui peut être radiative. C'est ce rayonnement de fluorescence envoyé dans toutes les directions qu'on analyse en fluorimétrie. Cette technique peut être appliquées à des molécules naturellement fluorescentes ou rendues fluorescentes par adjonction d'un réactif.
On mesure généralement la puissance rayonnée par fluorescence à 90° du faisceau incident.
La fluorimétrie permet:
• une analyse qualitative car les longueurs d'ondes d'excitation et celles qui sont émises sont caractéristiques des substances étudiées.
• une analyse quantitative car l'échantillon excité par une source lumineuse UV, réémet par fluorescence un flux lumineux dont l'intensité est proportionnelle à la concentration en hydrocarbures.
Plusieurs appareils utilisant ce principe ont été étudiés:
• EnviroFlu-HC de TriOS • ProPS de TriOS • UV AquaTrack
Le fluorimθtre UV Aquatracka permet de mesurer in situ les concentrations en hydrocarbures en milieu marin et peut κtre mis en oeuvre sur des ROV jusqu'ΰ une profondeur de 600 m. Sa gamme de sensibilitι est comprise entre 1 ng/L et 10 µg/L d'HAP cible.
Le fluorimθtre UV EnviroFlu-HC de la sociιtι TRIOS n'a pas pu κtre testι, mais les donnιes fabricant indiquent que cet appareil submersible a une gamme de sensibilitι entre 0.1 et 100 µg/L et peut atteindre la profondeur de 500 m. Les informations sur le ProPS indiquent que l'appareil détecte sur une longueur d'onde comprise entre 200 et 385 nm et permet de différencier les produits contaminants.
Spectromètres de masse/
Mass spectrometers
PRINCIPE
La spectrométrie de masse est une technique de détection extrêmement sensible et puissante qui permet de déterminer des structures moléculaires solides, liquides ou gazeuses. Elle permet de déterminer la masse moléculaire, de corréler le spectre d'un composé avec sa structure, d'expliquer des mécanismes de ruptures de liaisons, de trouver les facteurs rendant plus ou moins probable la formation de l'un ou l'autre des fragments ioniques. Par spectrométrie de masse, on peut réaliser des analyses qualitatives et quantitatives. Des limites de détection inférieures au nanogramme et même au picogramme sont souvent atteintes.
Le spectromètre de masse est souvent couplé avec un système de chromatographie en phase gazeuse, et cette association, d'une méthode séparative et d'une méthode d'identification, permet d'étudier des mélanges complexes à l'état de traces (quelques nanogrammes de mélange).
Description de base d'un spectromètre de masse :
Un spectromètre de masse est constitué au minimum : · d'un système d'introduction de l'échantillon · d'une source d'ions ou chambre d'ionisation · d'un analyseur qui sépare les ions en fonction de leur masse et de leur charge · d'un détecteur qui détecte les ions sortant de l'analyseur Le vide étant fait dans chacun de ces éléments.
Figure 1: Schéma simplifié d'un spectromètre de masse quadripolaire
Le principe de la spectrométrie de masse est le suivant :
Un composé organique A introduit dans le spectromètre de masse est ionisé par bombardement électronique à 70 eV. L'ion ainsi obtenu, A+, appelé ion moléculaire, permet la détermination de la masse molaire du composé.
Il peut y avoir des ruptures des liaisons chimiques au sein de l'ion moléculaire, formant ainsi des ions fragments caractéristiques puisque cette dissociation éventuelle ne se fait pas au hasard mais selon des mécanismes bien déterminés.
Ces ions fragments sont ensuite séparés en fonction de leur rapport masse/charge par l'application d'un champ magnétique et/ou électrique, puis collectés par un détecteur.
L'ensemble de ces ions fragments constitue le spectre de masse dont la lecture permet l'identification de la structure moléculaire.
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Chaque pic du spectre correspond à un rapport masse/charge particulier. Puisque la plupart des ions produits portent une seule charge, la valeur de ce rapport correspond à la masse moléculaire du fragment. Le spectre peut être enregistré sous forme de pics ou de barres. La surface sous les pics correspond à l'abondance relative de chaque fragment. De même, la hauteur des barres correspond à l'abondance relative.
Les composés sont identifiés en comparant les spectres des composés d'intérêt avec des spectres de référence contenus dans des bibliothèques de spectres
Chaque pic du spectre correspond à un rapport masse/charge particulier. Puisque la plupart des ions produits portent une seule charge, la valeur de ce rapport correspond à la masse moléculaire du fragment. Le spectre peut être enregistré sous forme de pics ou de barres. La surface sous les pics correspond à l'abondance relative de chaque fragment. De même, la hauteur des barres correspond à l'abondance relative.
Les composés sont identifiés en comparant les spectres des composés d'intérêt avec des spectres de référence contenus dans des bibliothèques de spectres.
Figure 2: Fragmentation du nonylphénol en spectrométrie de masse (source Cedre)
MATERIELS EXISTANTS
L'inconvénient majeur de la spectrométrie de masse par rapport aux autres techniques classiquement utilisées en chimie analytique (colorimétrie, fluorescence, infrarouge…) tient à sa mise en œuvre. En effet, l'appareil présente des dimensions imposantes et la sophistication des composants utilisés le rend particulièrement fragile. Par comparaison, il existe des équipements de terrain permettant des mesures en continu par fluorescence ou encore par imagerie acoustique. Cependant, les récents progrès dans le domaine de l'électronique et de la microélectronique ont vu apparaître une nouvelle génération d'instruments conçus spécialement pour une utilisation sur site. Dans le domaine de l'analyse des composés dissous, deux spectromètres ont été mis au point : un appareil immergeable par l'Université de Floride, In-Spectr construit par la société AML et un appareil transportable par la société Brüker. Dans le cadre des activités de recherche amont déjà en cours à l'Ifremer, un nouveau système d'extraction a été retenu en partenariat avec le Cedre: la SBSE (Stir Bar Sorptive Extraction).
L'appareil américain In-Spectr présente l'avantage d'une mise en œuvre aisée puisque le système d'introduction de l'échantillon se fait par diffusion à travers une membrane (procédé MIMS). Une campagne d'évaluation de ces performances était prévue au niveau de l'île de Vancouver mais cette expérimentation n'a pas pu se faire. D'après les informations du fabricant, ce spectromètre de masse est capable d'être immergé jusqu'à 200 m de profondeur et sa sensibilité est de l'ordre du ppb (1 ng/L).
L'appareil allemand Brüker GC-MS n'est pas immergeable mais présente une grande modularité : colonnes interchangeables, injecteurs " split/splitless ", système de thermo-désorption, échantillonneur d'air, système d'analyse d'eau par " spray and trap ". Cet appareil, dont la conception a été prévue pour une utilisation sur site, a l'avantage d'être transportable et utilisable à bord d'un navire (prélèvement in situ). De plus, sa gamme de sensibilité est étendue de 1 ng/L à 1 µg/L pour les HAP cibles. Cet appareil peut constituer une bonne méthode de référence sur site.
La SBSE (Stir Bar Sorptive Extraction) possède toutes les qualités pour une utilisation sur site : simplicité, polyvalence, efficacité, répétitivité. L'objet des travaux réalisés dans le cadre de ce projet européen a été de démontrer la faisabilité du couplage d'un appareil de terrain, le GC-MS EM 640 S (de Brüker) avec la nouvelle technique d'extraction SBSE. Les résultats sont présentés dans la partie suivante.
EXPERIENCES ET RESULTATS
Capteurs Raman / Raman sensors
PRINCIPE de la SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)
Les méthodes pour l'analyse in situ de l'eau doivent avoir deux caractéristiques : sélectivité pour l'identification précise de contaminant et sensibilité élevée aux concentrations très basses. La spectroscopie Raman est une technique vibratoire qui utilise la fréquence de la lumière dispersée pour identifier des molécules. Différents composés chimiques peuvent être identifiés par des bandes de fréquences qui sont spécifiques à une structure moléculaire particulière. En effet, ces fréquences dépendent des masses des atomes dans les molécules et de la force des liens inter-atomiques, et le signal de Raman rapporte ainsi une signature chimiquement sensible du spécimen.
Le principe de la spectroscopie Raman est relativement simple. Il consiste à envoyer une lumière monochromatique (une seule couleur et pas un mélange) sur l'échantillon à étudier et à analyser la lumière diffusée. Le processus mis en jeu est le suivant : les photons incidents sont détruits et leur énergie sert à créer des photons diffusés et à créer (processus Stokes) ou détruire (processus anti-Stokes) des vibrations dans l'échantillon étudié. Ceci peut être schématisé de la façon suivante (processus Stokes) :
Les données expérimentales ont prouvé que les variations d'énergie du photon sont uniquement liées aux énergies de transition (vibratoires et de rotation) de la molécule heurtée. Puisque chaque molécule a un niveau d'énergie de transition différent et caractéristique, un changement d'énergie du photon après collision avec la molécule peut être employé pour identifier la molécule.
La raie Raman pour une molécule identifie la position (fréquence ou longueur d'onde) du pic de variation d'énergie.
Le spectre de Raman représente le tracé des changements d'énergie (décalage de fréquence ou de longueur d'onde) de la molécule. De plus, la quantité de photons produits à chaque raie de Raman est linéairement proportionnelle à la concentration en volume de la molécule.
L'échelle utilisée en abscisse est une échelle en énergie dont le zéro est déplacé à l'énergie des photons incidents et inversée afin que les énergies correspondant à des processus Stokes soit positives. En effet, la diffusion Stokes est plus intense que la diffusion anti-Stokes et elle est donc beaucoup plus utilisée.
Dans la figure précédente, seule une vibration est observée, mais dans la réalité, on peut aussi bien en observer une dizaine qu'aucune. De plus, l'intensité des raies Raman est beaucoup plus faible que celle du laser dans le cas de la diffusion spontanée.
La spectroscopie conventionnelle de Raman avec toute sa souplesse présente cependant un inconvénient : la faible intensité du signal comparée à la fluorescence. Cela limite alors l'identification de composants mineurs d'un mélange.
La technique de diffusion Raman exaltée de surface (SERS) permet de surmonter deux des limitations de la spectroscopie de Raman. La première est la résolution spatiale de la spectroscopie de Raman de 1 µm qui est augmentée jusqu'au nanomètre par l'utilisation de l'approche au voisinage. La seconde est la faible intensité du signal qui rend difficile l'examen des teneurs chimiques des mélanges complexes. Ce problème est surmonté en appliquant le concept de diffusion Raman exaltée de surface.
Dans le cadre d'un projet Européen, un nouveau type de système de mesure reposant sur le principe de la SERS (MISPEC) pour la détection des HAP a été développé par l'IFREMER et l'Université de Berlin. Cet appareil utilise quatre capteurs optiques destinés à mesurer différents éléments: la sonde SERS (HAP), la fluorescence (oxygène dissous), la réfractométrie (salinité) et l'absorption IR (phytoplancton, matières en suspension).
• Application of in situ Raman spectroscopy for the detection of hydrocarbons in sea water (MISPEC)
Les calibrations en laboratoire ont montré que l'appareil a un seuil de sensibilité de l'ordre de 1µg/L pour les HAP cibles (Phénanthrène, Fluoranthène,
Naphtalène). Il est donc possible d'identifier non seulement le contaminant mais aussi sa concentration.
Des essais complémentaires in situ otn été réalisés dans la mer Baltique. Les résultats indiquent que la SERS est un outil pertinent pour la détection des hydrocarbures en mer.
Les futurs développements s'attacheront à améliorer la sensibilité de l'appareil.
Biocapteurs / Biosensors
Les biocapteurs apparaissent comme une bonne alternative pour mesurer des paramθtres chimiques, tels que les polluants organiques (HAP ou pesticides). En effet, les biocapteurs peuvent κtre sensibles et sιlectifs, et permettre d'obtenir des mesures simples in situ dans un milieu complexe tel que la mer.
• Biocapteurs à usage marin (LEOPR(http://zurbaran.ujf-grenoble.fr/LEOPR/), Université Joseph Fourier de Grenoble - Ifremer)
La potentialitι d'utilisation des biocapteurs en milieu marin est forte, cependant jusqu'alors, les dιveloppements sont encore trθs limitιs. Certains biocapteurs, prιsentιs dans la littιrature, sont adaptιs ou peuvent κtre amιliorιs en vue d'une application en milieu marin. Dans le domaine des polluants organiques, des biocapteurs pour dιtecter les HAP ou les pesticides sont concevables. Mais les sensibilitιs sont encore insuffisantes pour les concentrations ΰ analyser en milieu marin. De plus, ces biocapteurs prιsentent souvent des interactions avec diffιrents ions. Des ιtudes complιmentaires sont donc nιcessaires avant d'envisager ces biocapteurs pour une utilisation en milieu marin.
Mise en oeuvre de capteurs à partir d'engins sous-marins autonomes
Implementation of sensors onboard autonomous underwater vehicles
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1. DIMENSIONS TECHNOLOGIQUE ET OPERATIONNELLE
La confrontation entre l'état de l'art et les besoins permet d'identifier les points durs en terme de faisabilité et d'exploitation.
La diversité des besoins en détection et donc en instrumentation embarquable (modularité instrumentale nécessaire) et la recherche de procédures de déploiement et d'exploitation viables conduisent naturellement à étudier l'utilisation d'engins de taille moyenne opérables depuis la côte ou à partir d'embarcations légères. Pour cela, les engins autonomes (Autonomous Underwater Vehicle - AUV) sont à considérer en premier lieu car ils sont seuls à conférer cette flexibilité.
Dans ce cadre trois types d'analyses technologiques ont été engagées :
• Analyse de l'instrumentation scientifique et de son intégration dans une charge utile embarquée modulaire,
• Analyse des "vecteurs" (porteurs) capables de porter ces charges utiles (engin, positionnement, gestion de mission), avec les performances de manoeuvrabilité et de flexibilité souhaitées,
• Analyse des points technologiques et des fonctions clefs .
2. AUVs DE REFERENCE
Dans le domaine côtier, on voit apparaître dès 1999 les premiers effets de (petites) séries avec les Remus (10), les Odyssey IIb, puis Odyssey III(10) et la série de Ocean Voyager II et Ocean Explorer , qui correspondent à des critères différents :
• Le Remus s'inscrit dans une approche globale avec l'intégration et l'optimisation de l'architecture technique en vue d'assurer la surveillance côtière par des opérations de mesures océanographiques. L'utilisation systématique de véhicules autonomes de faible coût y est faite explicitement. Le Remus peut être également utilisé en reconnaissance puisqu'il peut être équipé en option d'un sonar latéral à 600kHz. Il reste cependant limité en volume, en masse et en puissance disponible pour les équipements embarqués. Aujourd'hui la startup Hydroid commercialise le Remus (http://www.hydroid.com). Les concurrents du Remus sont le Morpheus du Florida Atlantic University (http://www.fau.com) et plus récemment le Gavia de la sociéte Islandaise Gavia (http://www.gavia.com).
• Pour les Odyssey II et III, l'objectif à faible coût est commun avec celui du Remus, malgré une ambition complémentaire d'accès aux plus grandes profondeurs. Pour l'Odyssey, la vocation initiale est plutôt de permettre des développements technologiques, ou de s'adapter à diverses missions par modularité instrumentale. L'Odyssey est représentatif des véhicules de taille moyenne (centaine de kilos). La demande offshore se concrétisant par des commandes en 2000, l'Odyssey III est aujourd'hui le produit industrialisé par Bluefin. Une dizaine d'engins de type Odyssey II et III ont été livrés à de nombreux clients, industriels, scientifiques et militaires. Les charges utiles intégrées sur ces engins sont variées ( Side Scan sonar, Sub Bottom profile, multifaisceaux, ADCP(s) RDI, CTD, flurorimètres, …).
3. CHARGES UTILES
Quelques préliminaires généraux s'imposent, dans le domaine de " l'instrumentation scientifique " embarquées :
• La plupart des instruments modernes de mesure, constituant la charge utile, sont des systèmes autonomes en énergie et en stockage des données, mais il subsiste des problèmes d'intégration inhérents par exemple à l'architecture des véhicules et à l'usage en route.
• Les contraintes d'intégration système sont particulières pour les capteurs acoustiques et les " imageurs " optiques consommateurs d'énergie et posant des problèmes de stockage de données. Cependant il ne semble pas, au vue des premiers éléments de spécification de mission, qu'il y ait blocage quant aux faisabilités techniques.
3. CHARGES UTILES
Quelques préliminaires généraux s'imposent, dans le domaine de " l'instrumentation scientifique " embarquées :
• La plupart des instruments modernes de mesure, constituant la charge utile, sont des systèmes autonomes en énergie et en stockage des données, mais il subsiste des problèmes d'intégration inhérents par exemple à l'architecture des véhicules et à l'usage en route.
• Les contraintes d'intégration système sont particulières pour les capteurs acoustiques et les " imageurs " optiques consommateurs d'énergie et posant des problèmes de stockage de données. Cependant il ne semble pas, au vue des premiers éléments de spécification de mission, qu'il y ait blocage quant aux faisabilités techniques.
• Les contraintes d'intégration des capteurs physico-chimiques sont assez bien connues. Les études d'intégrations sont à réaliser au cas par cas en fonction des charges utiles requises avec les équipes instrumentales.
• Le problème du géo-référencement des données et donc du positionnement et de la navigation (par association de navigation à l 'estime de qualité et de moyens de recalage) doit faire l'objet d'une analyse technique particulière, qui s'appuie sur les capacités des systèmes de navigation et de positionnement utilisables (GPS, Acoustique grande portée et estime) et sur les outils logiciels de type Systèmes d'Informations Géographiques.
• Le problème de calibration de suivi et de qualification instrumentale doit être traité en partenariat entre les équipes scientifiques utilisatrices, les intégrateurs et les opérateurs.
• La définition de la charge utile scientifique et des outils d'exploitation associés est en fait une clef technologique d'autant plus importante qu'il apparaît pour un même porteur des missions diverses qui conduiront naturellement à un niveau de modularité fort.
L'association des charges utiles en fonction des missions fait ressortir des lots de capteurs dimensionnants en terme de poids et de puissance.
L'objet de ce paragraphe est de dresser l'état de l'art des charges utiles scientifiques embarquées sur les engins autonomes, d'analyser les contraintes d'utilisation et les éventuels points durs d'intégration identifiés. 3.1. Etat de l'art sur les charges utiles AUV De nombreux capteurs scientifiques ont déjà été embarqués avec succès sur des engins autonomes et notamment :
· des capteurs acoustiques, comme des sondeurs multi-faisceaux, des sonars latéraux et frontaux, des courantomètres Doppler et des capteurs de turbulence. · des capteurs de mesure des paramètres physiques et chimiques de l'eau de mer comme des sondes CTD, des sondes de mesure de PH, de redox. · des capteurs optiques comme des caméras, des fluorimètres et des spectromètres de masse.
Ce large éventail des charges utiles embarquées illustre bien la versatilité des engins autonomes. Il souligne aussi l'importance qu'il convient d'accorder à la flexibilité d'intégration de ces charges utiles sur les AUVs.
Cette flexibilité doit prendre en compte le volume disponible, la forme, la position, le poids, les matériaux utilisés, l'intégration, l'alimentation, les quantités de données utiles et toutes les exigences particulières propres aux capteurs. Cette exigence conduit à adopter une conception modulaire de la charge utile.
3.2. Charges utiles identifiées Trois modules ont été identifiés pour équiper l'engin lors de ses différentes missions. 1. Un module de mesure des paramètres physiques de la masse d'eau qui regroupe un courantomètre à effet doppler ADCP, permettant de mesurer le champ de courant (Vx,Vy,Vz) de la zone traversée, une sonde CTD permettant d'obtenir la conductivité, la température et la pression de la masse d'eau environnante et un capteur de fluorimétrie permettant de mesurer la concentration en hydrocarbure. Les capteurs types qu'il convient donc d'embarquer sont :
• un ADCP de type RDI Workhorse à 300kHz orienté soit vers le bas soit vers le haut
• une sonde CTD Seabird de type SBE FastCat
• un fluorimètre type Trios 2. Un module de cartographie acoustique du fond défini autour d'un sonar latéral ou d'un sondeur multifaisceaux dans la gamme 200/500 kHz. Les capteurs suceptibles d'être intégrés sont :
• le Seabat 8101 ou 8125 de Reson ou
• le sonar Klein 5500 3. Un module chimique basé sur un spectromètre de masse, les capteurs actuellement identifiés sont:
• le spectromètre InSpectr de AML
• l'opto-senseur MISPEC en cours de mise au point
3.3. Contraintes et points durs techniques identifiés
La faisabilité de l'intégration de ces modules sur un engin autonome ne fait ressortir aucune réelle impossibilité technique pour les capteurs classiques disponibles sur étagère.
En effet tous ces capteurs ont déjà été installés sur des AUVs existants pour des utilisations scientifiques. Ainsi les capteurs du module physique ont été utilisés sur des engins aussi différents que le Remus, l'Odyssey, ou l'Autosub. Des sondeurs multi-faisceaux ont été installés sur le Remus, l'Odyssey, le Martin, l'Hugin.
Chaque capteur présente bien sûr des contraintes particulières d'intégration, applicables à tous les types d'engins qu'ils soient remorqués, habités ou autonomes ; comme par exemple veiller à aménager des fenêtres acoustiques dans les carénages pour le bon fonctionnement des transducteurs ou s'assurer que les capteurs d'analyse d'eau gardent leur capacité de prise d'échantillons.
En revanche, des contraintes communes liées à leur utilisation sur un engin autonome apparaissent et peuvent limiter leur champ d'activité.
Dans cette catégorie nous pouvons relever :
• l'autonomie limitée due essentiellement à la source d'énergie embarquée, qui dans un premier temps va limiter le fonctionnement à quelques heures.
• l'utilisation de ces capteurs en " aveugle " ( c'est à dire avec stockage des données sur le véhicule sans contrôle direct de leur qualité ), cette contrainte peut être partiellement contournée en installant un télécontôle acoustique.
• l'architecture système très fermée des capteurs, qui souvent n'a pas été pensée à l'origine en vue d'une utilisation autonome et qui est basée généralement sur un lien fort à un IHM donc à un calculateur type PC. Une telle architecture impose à priori une intégration volumineuse et entraîne souvent l'ouverture des enceintes résistantes correspondantes pour les phases de configurations et de tests avant et après chaque plongée.
3.4. Modularité de la charge utile Au delà de la modularité de conception de l'engin, qui est essentielle, il convient d'insister sur la souplesse liée à la charge utile. Cette modularité instrumentale peut se décliner ainsi :
• Tout nouveau capteur doit être facilement et rapidement embarquable mécaniquement et électriquement à bord de l'engin.
• Les opérations de configuration et de test des capteurs embarqués avant plongée doivent être rendues simples et rapides.
• Les données acquises doivent être récupérables après la plongée rapidement et simplement par tous utilisateurs potentiels.
• Les opérations de maintenance des capteurs doivent être simplifiées.
• Cette charge utile doit pouvoir être embarquée indifféremment sur différents véhicules supports. Le tableau ci-joint résume par types de capteurs les différentes caractéristiques et contraintes sur les charges utiles typiques ressortants de l'analyse des besoins :
ADCP RDI WH 300
CTD Seabird SBE Fast Cat
FluorimètreWETstar
SMF Seabat 8101
Echo sondeur EK60
poids air 9.7kg 4kg 0.8kg poids eau 4.8kg 3kg 0.1kg 20kg 22kg
dimensions L : 208mm Ø:225mm
L : 60cm Ø : 6.3cm
L : 17cm Ø : 6.9cm
Volume environ 40l
Volume environ 40l
consommation 15W 4W 0.5W 100-150W 150-200W flux de données 1koctets/s 200octets/s 200octets/s Ethernet bas
débit Ethernet bas débit
contraintes particulières
Compatibilité acoustique
Montage vers l'avant dans le flux d'eau
Doit être associé à une pompe
Compatibilité acoustique
Compatibilité acoustique
4. PRE-DIMENSIONNEMENT DU VEHICULE SOUS-MARIN
Cette section présente une analyse dimensionnelle basée sur " l'embarquabilité " des charges utiles afin d'évaluer pour une " taille " d'engin donnée, et en fonction de choix technologiques précis, les performances possibles en terme de vitesse et de rayon d'action. 4.1. Limites objectives des engins de petite taille en termes de charge utile et d'autonomie
4.1. Limites objectives des engins de petite taille en termes de charge utile et d'autonomie Nous avons analysé les performances des engins de petites tailles comme le Remus.
La spécification de cet engin est la suivante :
• Diamètre 19cm
• Longueur 160cm
• Poids dans l'air 37kg (avec tolérance jusqu'à 39)
• Immersion 100m
• Energie batterie Litium Ion 1kW-hr
• Vitesse de 0.25 à 2.8m/s
• Positionnement par base ultra courte ou base longue, système de sécurité et de tracking autonome
• Capteurs: Loch RDI 1.2MHz, Sonar latéral MSTL 600kHz, Fluorimetre, Light scaterring, CTD
Sur les bases données par le constructeur, le coût d'une plongée est (par exemple pour 100km à 1,5 nœuds) :
o Coût Batteries en Euros par plongée : 278 Euros o Coût de fonctionnement hors personnel / plongée : 504 Euros o Coûts de fonctionnement avec personnel par plongée : 1330Euros
La vitesse optimum est voisine de 1m/s pour deux charges utiles proposées (CTD/ADCP/sonar latéral) et (CTD/ADCP/Fluorimètre) dont les consommations sont proches (la règle étant que la vitesse optimum soit proche de celle qui génère une puissance propulsive égale à la moitié de la consommation des équipements embarqués). Le graphique ci dessous illustre cet élément de dimensionnement, pour le Remus équipé d'une charge utile consommant 13.4 W.
De tels engins sont donc capables pour de très faibles puissances consommées (puissance propulsive+ puissance des équipements < Max 150W ) de travailler environ 8 heures sur zone avec moins de un noeud de courant ou de couvrir des distances pouvant atteindre les 100 km, pour une immersion inférieure à 100m.
4.2. Les sociétés qui peuvent répondre aux besoins dans ce domaine sont les suivantes Société Commentaires
BLUEFIN Robotic Corporation 301 Massachusetts Avenue Cambridge, MA 02139 USA http://www.bluefinrobotics.com
Coût d'achat d'un engin répondant au cahier des charges proposé (environ 457kE).
MARIDAN AS Agern Allé 3 DK - 2970 HOR SHOLM http://www.maridan.dk
Volonté de collaboration , mais pas de prix affiché et engin important en taille et en masse.
I.S.E. Research Ltd 1734 Broadway Street Port Coquitlam B.C Canada U3C 2M8 http://www.ise.bc.ca
Capacité d'en faire l'ingénierie sur spécification.
Perry Technologies 100 East 17th Street Riviera Beach FL 33404 USA http://www.perrytech.com
ECA Rue des Frère Lumiere 83000 La garde France http://www.eca.fr
Capacité d'en faire l'ingénierie sur spécification.
CYBERNETIX Technopole de Château Gombert 13000 Marseille France http://www.cybernetix.fr
Capacité de faire l'ingénierie sur spécification.
5. CONCLUSION
La mise en perspective technologique (nationale et internationale) et le croisement avec les besoins conduisent à envisager des engins sous-marins autonomes de type AUV:
• de taille moyenne,
• raisonnables en coût d'exploitation,
• opérables depuis la côte ou à partir de la flotte côtière et de plus gros navires de stations,
• capables de porter des charges utiles significatives, et modulaires pour répondre à une gamme élargie de besoins,
• pour une autonomie maximum de 100km à vitesse optimale,
• pour une immersion minimale nominale de 300m,
• pour une vitesse comprise entre le demi-nœud et 5 nœuds (Le point fixe autour d'une épave restant une option dimensionnante à évaluer).
Cependant l'utilisation opérationnelle et en routine de tels systèmes nécessite de poursuivre l'adaptation de " charges utiles " adaptées. Elles permettront l'acquisition de grandes séries de paramètres physico-chimiques (CTD, ADCP, fluorimétrie, analyseurs chimiques …), et aussi de données spécifiques bien géoréférencées.
L'exploitation de systèmes AUV en service "opérationnel" nécessite des organisations capables d'assurer :
• la maîtrise des interfaces avec les charges utiles et le véhicule,
• la maîtrise des procédures opérationnelles et l'expertise sur les adaptations aux conditions de mise en oeuvre,
• la maîtrise des outils de préparation de mission et d'exploitation des données,
• la formation des utilisateurs potentiels. Le gain opérationnel de recourir à un AUV n'est réel que si l'engin est mobilisable sur la plupart des navires côtiers ou de station, ou à bord de moyens d'opportunité disposant de moyens de levage simplifiés (Grues, portiques de chalutier).
Cependant l'utilisation opérationnelle et en routine de tels systèmes nécessite de poursuivre l'adaptation de " charges utiles " adaptées. Elles permettront l'acquisition de grandes séries de paramètres physico-chimiques (CTD, ADCP, fluorimétrie, analyseurs chimiques …), et aussi de données spécifiques bien géoréférencées.
Cependant l'utilisation opérationnelle et en routine de tels systèmes nécessite de poursuivre l'adaptation de " charges utiles " adaptées. Elles permettront l'acquisition de grandes séries de paramètres physico-chimiques (CTD, ADCP, fluorimétrie, analyseurs chimiques …), et aussi de données spécifiques bien géoréférencées.
L'exploitation de systèmes AUV en service "opérationnel" nécessite des organisations capables d'assurer :
la maîtrise des interfaces avec les charges utiles et le véhicule,
la maîtrise des procédures opérationnelles et l'expertise sur les adaptations aux conditions de mise en oeuvre,
la maîtrise des outils de préparation de mission et d'exploitation des données,
la formation des utilisateurs potentiels.
Le gain opérationnel de recourir à un AUV n'est réel que si l'engin est mobilisable sur la plupart des navires côtiers ou de station, ou à bord de moyens d'opportunité disposant de moyens de levage simplifiés (Grues, portiques de chalutier).
Expériences in situ envisagées / Possible in situ experiments
Version anglaise uniquement
POSSIBLE ICRAM IN SITU EXPERIMENTS
The HAVEN accident has certainly contributed to reinforce the need for instrumentation able to detect submerged petroleum hydrocarbons, whether emulsified or deposited on the sea-bottom. It seems therefore of primary importance to test the necessary techniques and to improve available instrumentation in order to facilitate future work in case of an oil spill.
After the "HAVEN" accident, the peculiar situation on the sea bottom of the Gulf of Genoa could represent a unique opportunity both to study the evolution of tar depositions with time and to test electroacoustic instruments able to detect submerged hydrocarbons.
ICRAM has envisaged testing three different assets to compare with available techniques on site:
a) DGPS-linked Simrad EY500 split-beam scientific echosounders at respectively 70 and 120 KHz to survey the "Haven" site in combination with a ROV visual survey at depth;
b) Dr. Palucci's LIDAR in combination with visual ROV surveys at depth;
c) DGPS-linked BB-ADCPs 600-1200 KHz to be deployed from a mobile platform to test detectability of dissolved oil droplets or emulsified oil suspension in suitable sites (ie. Harbours, sites comparable to the "orimulsion" accident site). Ground-truthing with a small-scale watersampling scheme is necessary.
The test can be carried out with limited expenses from medium-size platforms, while the ideal scenario sees a) and b) combined or done simultaneously. Test c) has been already applied to resuspension of silt during dredging work on different sites worldwide. Improved real-time rendering of acquired acoustic data in combination with real-time acquisition of physical oceanographic parameters will enable forecasting short-term movements in 3D of the watermass including resuspension.
Conclusion - Recommandations
French version only
Les récentes marées noires ont mis en évidence l'importance du problème de la détection des pollutions. En effet, si les systèmes de récupération sont bien connus, les principales difficultés résident dans la détection et la localisation des nappes immergées. La détection de ces nappes est envisageable, de manière indirecte, par la détection de la fraction dissoute dans l'eau de mer de composés constitutifs, si les concentrations correspondantes sont suffisantes (au moins égales au seuil de détection des capteurs). Cependant, cette méthode de localisation nécessite l'utilisation de moyens analytiques performants, permettant à la fois la détection et l'identification des contaminants organiques dans l'environnement. A ce titre, la technique de référence utilisée en laboratoire est la spectrométrie de masse couplée à une technique de séparation (chromatographie liquide ou gazeuse) et à une technique d'extraction (extractions solide, liquide ou micro-extraction).
Dans un premier temps, les niveaux de contamination d'un milieu en terme de concentrations en certains composés doivent être déterminés et comparés aux limites de contamination règlementaires. Les composés de référence sont les HAP prédominants (hydrocarbures aromatiques polycycliques) dans les hydrocarbures, à savoir, le naphtalène, le fluoranthène et le phénanthrène. La limite de contamination est fixée à environ 10 ng/L pour les HAP cibles ci-dessus et à 100 ng/L pour les HAP totaux (cf chapitre Méthodologie - Limitations et bruits de fond).
A partir de ces seuils de contamination, les appareils susceptibles d'être suffisamment sensibles doivent être répertoriés et validés.
Les résultats obtenus lors des expérimentations acoustiques en bassin sur différents produits sont encourageants, ils peuvent se résumer ainsi : - Des systèmes sonar haute fréquence (200-500 kHz) utilisés classiquement en mer (sonar à balayage latéral, sonar multifaisceaux, sonar frontal sectoriel) permettent de détecter la présence de nappes d'hydrocarbure sur un fond de sable du fait de la faible réflectivité de ces nappes due à une très forte atténuation des signaux. - Le contraste obtenu pour les trois produits lourds utilisés est similaire. Toutefois, il dépend du système considéré et aussi de la configuration d'utilisation (altitude, distance oblique et incidence,…). - Le contraste observé pour les trois produits par rapport au sable, quel que soit le type de sonar, est de l'ordre de 10 à 15 dB dans la gamme de fréquence 240 à 460 kHz et ce pour toute épaisseur de 3 à 20 cm, alors que vers 100 kHz, il est au plus de 5 dB et varie logiquement avec l'épaisseur de la tache. - Au voisinage de la verticale (incidence de moins de 10°) et lorsque la fréquence augmente de 240 à 455 kHz, le contraste mesuré par le sondeur multifaisceaux diminue de façon significative (le niveau renvoyé par les hydrocarbures est très proche de celui renvoyé par le sédiment) bien que, dans ces conditions, la bathymétrie fait apparaître clairement l'épaisseur des taches alors que celles-ci sont invisibles sur l'image. Cependant, cette bathymétrie ne peut généralement être d'aucune utilité dans le cas d'une reconnaissance réelle en mer. - Les sonars à balayage latéral opèrent dans une plage d'incidences plus fortes (30 à 80° environ) pour laquelle le contraste sédiment/hydrocarbure est assez élevé (15dB). Comme ces systèmes opèrent à une altitude constante au-dessus du fond, ils peuvent procurer une bonne couverture pour la surveillance de grandes zones. En conclusion, le système sonar latéral pourrait être employé afin de réaliser une évaluation rapide de la contamination d'une grande zone. Quand il y a une forte présomption de plaques de polluant en certains endroits, alors des reconnaissances plus détaillées sont ensuite possibles à l'aide d'autres systèmes tels que le sondeur multifaisceaux, le sondeur vertical ou le sonar frontal sectoriel à partir de navires ou d'engins sous-marins équipés de système de positionnement adéquats.
Les principales techniques de détection et mesure se classent en trois catégories suivant les principes physiques utilisés : les LIDAR, les fluorimètres et les spectromètres de masse. Cepndant, les biocapteurs et les analyseurs Raman pouvent également constituer une alternative potentielle.
La technique de détection par fluorescence LIDAR (Light detection and ranging system) a été assez peu expérimentée dans le domaine sous-marin. Cependant, cette méthode permet de détecter les hydrocarbures et ceux-ci ayant des spectres différents, il est possible d'identifier le contaminant. De plus, le principe de diffusion de Raman donne une information sur l'épaisseur de la nappe. Les systèmes LIDAR peuvent être positionnés à bord d'avions ou de bateaux et également sur des ROV, ce qui permet de pallier les limitations de la transmission dues aux caractéristiques optiques sous-marines. Cette technique demande encore des efforts significatifs de développement pour atteindre une interprétation fiable des signaux obtenus avant de passer à un mode opérationnel.
La technique de détection par fluorescence LIDAR (Light detection and ranging system) a été assez peu expérimentée dans le domaine sous-marin. Cependant, cette méthode permet de détecter les hydrocarbures et ceux-ci ayant des spectres différents, il est possible d'identifier le contaminant. De plus, le principe de diffusion de Raman donne une information sur l'épaisseur de la nappe. Les systèmes LIDAR peuvent être positionnés à bord d'avions ou de bateaux et également sur des ROV, ce qui permet de pallier les limitations de la transmission dues aux caractéristiques optiques sous-marines. Cette technique demande encore des efforts significatifs de développement pour atteindre une interprétation fiable des signaux obtenus avant de passer à un mode opérationnel.
La mesure par fluorescence
Le fluorimètre UV Aquatracka de la sociιtι Chelsea Technologies Group devait faire l'objet d'une expιrimentation pour mesurer les hydrocarbures dispersιs dans la colonne d'eau lors d'une mission sur le chantier de dιcoupage du Tricolor ΰ bord du Belgica, bateau scientifique belge. Cependant, l'appareil, aprθs une journιe d'essai est tombι en panne. Les quelques essais menιs ont montrι qu'ΰ un mθtre de profondeur les interfιrences lumineuses faussaient les valeurs mesurιes par l'appareil. Les caractéristiques prιsentιes nous ont donc ιtι fournies par le fabricant.
Ce fluorimètre devrait permettre de mesurer in situ les concentrations en hydrocarbures en milieu marin et peut être mis en oeuvre sur des ROV jusqu'à une profondeur de 600 m. Sa gamme de sensibilité est comprise entre 1 ng/L et 10 µg/L d'HAP cible.
Le fluorimètre UV EnviroFlu-HC de la société TRIOS devait être testé mais n'a pas été disponible à temps. Les données fabricant indiquent que cet appareil submersible a une gamme de sensibilité entre 0.1 et 100 µg/L et peut atteindre la profondeur de 500 m.
La spectrométrie de masse
L'inconvénient majeur de la spectrométrie de masse par rapport aux autres techniques classiquement utilisées en chimie analytique (colorimétrie, fluorescence, infrarouge…) tient à sa mise en œuvre. En effet, l'appareil présente des dimensions imposantes et la sophistication des composants utilisés le rend particulièrement fragile. Cependant, les récents progrès dans le domaine de l'électronique et de la microélectronique ont vu apparaître une nouvelle génération d'instruments conçus spécialement pour une utilisation sur site. Dans le domaine de l'analyse des composés dissous, deux spectromètres ont été mis au point : un appareil immergeable par l'Université de Floride, In-Spectr construit par la société AML et un appareil transportable par la société Brüker.
L'appareil américain In-Spectr présente l'avantage d'une mise en œuvre aisée puisque le système d'introduction de l'échantillon se fait par diffusion à travers une membrane (procédé MIMS). Une campagne d'évaluation de ces performances était prévue au niveau de l'île de Vancouver mais cette expérimentation n'a pas pu se faire. D'après les informations du fabricant, ce spectromètre de masse est capable d'être immergé jusqu'à 200 m de profondeur et sa sensibilité est de l'ordre du ppb (1 ng/L).
L'appareil allemand Brüker GC-MS n'est pas immergeable mais présente une grande modularité : colonnes interchangeables, injecteurs " split/splitless ", système de thermo-désorption, échantillonneur d'air, système d'analyse d'eau par " spray and trap ". Il a été évalué couplé à une nouvelle technique d'extraction-injection, la SBSE, dans le cadre d'une étude détaillée où les effets cinétiques et les effets de matrice ont été discutés. Ce système, dont la conception a été prévue pour une utilisation sur site, a l'avantage d'être transportable et utilisable à bord d'un navire. De plus, sa gamme de sensibilité est étendue de 1 ng/L à 1 µg/L pour les HAP cibles. Cet appareil peut constituer une bonne méthode de référence sur site.
Les analyseurs Raman
Dans le cadre d'un projet Européen, un nouveau type de système de mesure reposant sur le principe de la SERS (MISPEC) pour la détection des HAP a été développé par l'IFREMER et l'Université de Berlin. Cet appareil utilise quatre capteurs optiques destinés à mesurer différents éléments: la sonde SERS (HAP), la fluorescence (oxygène dissous), la réfractométrie (salinité) et l'absorption IR (phytoplancton, matières en suspension). Les calibrations en laboratoire ont montré que l'appareil a un seuil de sensibilité de l'ordre de 1µg/L pour les HAP cibles (Phénanthrène, Fluoranthène, Naphtalène). Il est donc possible d'identifier non seulement le contaminant mais aussi sa concentration. Des essais complémentaires in situ ont été réalisés dans la mer Baltique. Les résultats indiquent que la SERS est un outil pertinent pour la détection des hydrocarbures en mer. Les futurs développements s'attacheront à améliorer la sensibilité de l'appareil.
Les biocapteurs
Les biocapteurs apparaissent comme une bonne alternative pour mesurer des paramètres chimiques, tels que les polluants organiques (HAP ou pesticides). En effet, les biocapteurs peuvent être sensibles et sélectifs, et permettre d'obtenir des mesures simples in situ dans un milieu complexe tel que la mer. La potentialité d'utilisation des biocapteurs en milieu marin est forte, cependant jusqu'alors, les développements sont encore très limités. Certains biocapteurs, présentés dans la littérature, sont adaptés ou peuvent être améliorés en vue d'une application en milieu marin. Dans le domaine des polluants organiques, des biocapteurs pour détecter les HAP ou les pesticides sont concevables. Mais les sensibilités sont encore insuffisantes pour les concentrations à analyser en milieu marin. De plus, ces biocapteurs présentent souvent des interactions avec différents ions. Des études complémentaires sont donc nécessaires avant d'envisager ces biocapteurs pour une utilisation en milieu marin.
Un certain nombre des appareils mentionnés n'ayant pas fait l'objet de tests adéquats dans le cadre de ce projet, les sensibilités utilisées ici sont celles données par les fabricants. Il serait donc nécessaire de réaliser des validations en laboratoire sur des échantillons représentatifs selon la méthodologie définie par un protocole de mesure à définir afin d'effectuer des inter-comparaisons avec les capteurs de référence.
Finalement, l'analyse in situ des composés dissous peut être effectuée par différents appareils utilisable selon les niveaux de concentration comme le synthétise la figure suivante.
Recommandations
Pour la poursuite de cette étude, les actions suivantes sont recommandées :
Recommandations
Pour la poursuite de cette étude, les actions suivantes sont recommandées :
• Définir une méthode et un protocole de référence pour le prélèvement et la mesure sur site dans le but de disposer d'une référence unique permettant l'intercomparaison des résultats
Annexes / Appendices
D'autres appareils sont commercialisés depuis quelques années. Une liste non exhaustive est donnée ci-dessous:
• Fluorimètre Turner Designs • Spectromètre REMOTS® • Analyseur de rejet d'hydrocarbures en mer de
SERES(http://www.seres-france.fr/) • Petrosense® PHA-100 de Monitor
Europe(http://www.monitoreurope.com/)
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