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Equipe Geostat - Fête de la science

Marion Bachelet - 8/10/2013

De l'infiniment grand à l'infiniment petit : un an de mouvements océanographiques en images

Modélisation des mouvements océanographiques Image satellitaire océanographique - © Inria / Geostat

« De l’infiniment grand à l’infiniment petit » est la thématique 2013 de la fête de la science (9 au 13 octobre). L’occasion de partager les avancées de l’équipe de recherche Geostat du centre, dans le cadre de ses travaux sur le traitement du signal. L’équipe collabore depuis plusieurs années avec le LEGOS de Toulouse (Laboratoire d’études en géophysique et océanographies spatiales) et a pu rassembler dans un film un an d’images océanographiques satellitaires (à découvrir un peu plus bas).

L’histoire de ce projet tripartite : Geostat / LEGOS / ICM-CSIC

Le projet a commencé en 2002 alors qu’Hussein Yahia, responsable de l’équipe Geostat, s’intéressait à de nouvelles méthodes de traitement du signal pour les sciences de l’univers, en particulier l’océanographie. Il s’est d’abord associé à des physiciens statisticiens, notamment Antonio Turiel de l’ICM-CSIC, l’institut des sciences de la mer de Barcelone. Ceux-ci partagèrent avec lui de nouvelles méthodes qui portent un regard novateur sur le traitement du signal d’océanographie. Par ailleurs, il entama également une collaboration avec l’équipe DYNBIO (dynamique physique et biogéochimie marine) de Véronique Garçon du LEGOS (laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales) à Toulouse. Le travail avec des physiciens permettait d’avoir un point de vue théorique mais il fallait qu’Hussein puisse se tourner vers des océanographes qui possèdent de leur côté une immense quantité de données. Il faut dire que Joël Sudre, ancien étudiant d'Hussein Yahia avait rejoint l’équipe DYNBIO, ce qui a facilité la collaboration.

La science de la complexité pour comprendre le mouvement des océans... et le climat

La richesse des capteurs des satellites, qui accumulent des tonnes de données océanographiques chaque jour oblige aujourd’hui les chercheurs à utiliser la physique dans le traitement du signal. C’est ce qu’on appelle la science de la complexité. Dans ce projet, c’est l'un des aspects de la science de la complexité, ici appliquée à des signaux satellitaires d'océanographie, qui est étudié. La détermination du mouvement de l’océan sur des échelles de temps diverses et à haute résolution est un problème difficile. Les instruments actuels des satellites qui sont en orbite ne permettent d’avoir accès à la très haute résolution de la circulation océanique, ce qu’on appelle la sub-meso échelle. Grâce à l'approche dite "microcanonique" développée par les partenaires du projet, on peut coupler une information avec une résolution pas très fine avec des images d’autres satellites ayant des capteurs « couleur de l’eau », ou capteurs « température de surface de mer », qui elles sont à très haute résolution. Cette méthode permet donc de se baser sur des observations, en utilisant de l’information instantanée là ou d’autres méthodes utilisent une échelle dans le temps. En quelque sorte, il s’agit juste d’observer des prises de photos.

Ces relevés sont très utiles pour étudier et comprendre divers phénomènes dans les océans :

  • les courants océanographique ;
  • le déplacement des organismes marins (du phyctoplancton aux organismes supérieurs comme les tortues) ;
  • le déplacement des nappes polluantes ;
  • la détermination de zones de pêches ;
  • la navigation, le routage des navires.

Des partenariats industriels avec des sociétés offshore , notamment, sont réalisés (opérations avec les remorqueurs)…

Depuis deux ans, Véronique Garçon (LEGOS) et Hussein Yahia travaillent sur un projet de l’ESA (agence spatiale européenne), qui s’appelle « Ocean Flux » pour lequel les flux et pressions partielles de gaz à effet de serre entre l'océan et l'atmosphère sont observés. L'approche microcanonique permet d'obtenir une représentation à "super-résolution" des flux sur une région donnée.

Une vidéo d’une année de mouvements océanographiques

Inria a pu réaliser un film avec des données acquises de manière quotidienne qui se concentrent sur une grande zone de l’océan indien au sud de l’Afrique (courant des aiguilleurs) sur toute l’année 2006. Le courant des aiguilles passe entre Madagascar et la côte du Mozambique et de l’Afrique du Sud, il tourne vers l’océan atlantique et présente d'importants phénomènes turbulents à toutes les échelles. Cette zone très dynamique est donc très intéressante à étudier. Le satellite prend une image par jour de la température de surface (d’une fine pellicule de l’eau mais qui contient des traceurs où on voit la turbulence de surface), et c’est à haute résolution.

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Comme le précise Hussein Yahia , responsable de l’équipe de recherche Geostat : « Le challenge est à présent de pouvoir monter les images allant de 2007 à 2012, mais c’est un travail très long. La circulation océanographique est un cas d’école utilisé par les physiciens. Une discussion est en cours avec le CNRS et l’observatoire Midi-Pyrénées (OMP) pour créer un pôle fort dans le Sud-Ouest avec les sciences de l’univers sur cette thématique et même de manière internationale. L’entente collaborative avec le LEGOS est excellente ce qui est primordial pour faire avancer la recherche. Ils recherchaient en effet une méthode pour interpréter des téraoctets de données satellitaires. Ces méthodes mathématiques rigoureuses permettent de proposer une approche alternative à celles utilisées par des océanographes et qui font usage d'informations temporelles. On peut désormais accéder au contenu turbulent.
La physique nous dit que les signaux complexes se comporteraient un peu tous de la même façon (on le voit dans notre équipe GEOSTAT avec les signaux cardiaques qui donnent de beaux résultats en collaboration avec l’IHU). Nous avons espoir de trouver des méthodes un peu génériques issues des méthodes utilisées en sciences de l’univers et qui s’appliqueraient à une classe plus large de signaux. Le signal cardiaque n’est pas turbulent comme les océans (ce n’est pas la même physique qui est sous-jacente), mais la complexité de sa structuration macroscopique peut parfois présenter des similitudes. Le projet scientifique, qui est relié à ce qu'on appelle l'"universalité" de certaines descriptions, est là. »

Mots-clés : Geostat LEGOS Satellites Géophysique Signal Océanographie

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