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 - contact@le-cedre.fr

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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be

desa

stro

us w

hen

they

occ

ur a

t per

iods

of h

igh

tides

. Re

cent

initi

ativ

es h

ave

been

take

n to

org

aniz

e an

d ru

n op

erat

iona

l ser

vice

s for

stor

m su

rge

pred

ictio

n an

d m

onito

ring

. The

two

web

site

s lis

ted

belo

w d

eliv

er re

al ti

me

data

.

http

://w

ww

.noo

s.cc/

ht

tp://

ww

w.b

oos.o

rg/

3. T

he M

edite

rran

ean

Sea

The

Med

iterr

anea

n Se

a is

an

inte

rcon

tinen

tal s

ea b

etw

een

Euro

pe, A

fric

a an

d As

ia c

over

ing

near

ly 2

,512

,000

squa

re k

ilom

etre

s. In

par

ticul

ar it

enc

ompa

sses

som

e 3,

800

km

from

Eas

t to

Wes

t and

as m

uch

as 9

00 k

m fr

om N

orth

to S

outh

.

The

Med

iterr

anea

n Se

a is

con

nect

ed to

the

Atla

ntic

Oce

an th

roug

h th

e St

rait

of G

ibra

ltar o

n th

e W

est a

nd to

the

Sea

of M

arm

ara

and

Blac

k Se

a by

the

Dar

dane

lles a

nd th

e Bo

spor

us o

n th

e Ea

st. T

he S

uez C

anal

in th

e So

uth-

East

con

nect

s the

Med

iterr

anea

n w

ith th

e Re

d Se

a. D

ue to

the

huge

div

ersi

ty o

f its

oce

anog

raph

ical

and

geo

logi

cal

feat

ures

the

Med

iterr

anea

n is

gen

eral

ly d

ivid

ed in

to th

e W

este

rn, C

entr

al a

nd E

aste

rn b

asin

. Sev

eral

par

ts o

f the

Med

iterr

anea

n Se

a ar

e gi

ven

thei

r ow

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mes

such

as t

he

Adri

atic

Sea

, Aeg

ean

Sea,

Bal

eari

c Se

a, Io

nian

Sea

, Lig

uria

n Se

a an

d Ty

rrhe

nian

Sea

. The

Med

iterr

anea

n Se

a is

a se

mi-c

lose

d ba

sin w

here

the

maj

or so

urce

of

repl

enis

hmen

t and

wat

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new

al is

det

erm

ined

by

the

cont

inuo

us in

flow

of s

urfa

ce w

ater

from

the

Atla

ntic

Oce

an. I

t is e

stim

ated

that

wat

ers t

ake

over

a c

entu

ry to

be

com

plet

ely

rene

wed

thro

ugh

the

Stra

it of

Gib

ralta

r, w

hich

is o

nly

abou

t 300

m d

eep.

Sin

ce it

s fre

shw

ater

bal

ance

is d

efin

ed a

s neg

ativ

e, o

cean

ogra

phic

ally

the

Med

iterr

anea

n is

con

side

red

a ne

gativ

e ba

sin.

The

scar

ce in

flow

, tog

ethe

r with

the

high

rate

of e

vapo

ratio

n, m

akes

the

Med

iterr

anea

n sa

ltier

than

the

Atla

ntic

Oce

an w

ith a

salin

ity ra

ngin

g be

twee

n 36

and

38

p.s.u

.. Th

e de

nsity

of w

ater

mas

ses h

as to

be

take

n in

to a

ccou

nt w

hen

deal

ing

with

oil

spill

s as i

t rep

rese

nts o

ne o

f the

maj

or p

hysi

cal c

onst

rain

ts th

at

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cts t

he b

ehav

iour

of o

il at

sea.

Phy

sica

l pro

pert

ies o

f the

Med

iterr

anea

n, su

ch a

s cur

rent

s, tid

es, t

he m

orph

olog

y of

the

basi

n an

d w

ave

actio

n, a

re c

onsi

dere

d be

low

.

1. C

urre

nts

Stro

ng c

urre

nts f

low

into

the

Med

iterr

anea

n fr

om th

e Bl

ack

Sea

and,

thro

ugh

the

Stra

it of

Gib

ralta

r, fr

om th

e At

lant

ic O

cean

. Ben

eath

the

surf

ace

curr

ent,

a de

eper

cur

rent

of

dens

e sa

lty w

ater

flow

s fro

m th

e M

edite

rran

ean

to th

e At

lant

ic.

The

sill

is a

cri

tical

bat

hym

etri

c re

stri

ctio

n pr

even

ting

free

exc

hang

e am

ong

wat

ers o

f the

sam

e de

pth

insi

de a

nd o

utsi

de th

e ba

sin

and

ther

efor

e be

ing

caus

al to

the

sepa

rate

ev

olut

ion

of w

ater

mas

ses i

nsid

e an

d ou

tsid

e th

e ba

sin.

The

con

sequ

ence

of a

neg

ativ

e di

lutio

n is

that

the

inflo

w e

xcee

ds th

e ou

tflow

.

F

igur

e 6:

Fun

dam

enta

l the

rmoh

alin

e ci

rcul

atio

n fo

r the

Med

iterr

anea

n ba

sin

(DW

= d

eep

wat

er N

AW =

Nor

th A

tlant

ic W

ater

).

Thos

e w

ater

s tha

t do

ente

r the

Str

ait o

f Gib

ralta

r and

rece

ive

Nor

th A

tlant

ic w

ater

s are

des

tined

to a

long

and

com

plic

ated

jour

ney

befo

re fi

nally

retu

rnin

g to

the

Atla

ntic

as

a su

bsur

face

wat

er m

ass.

The

first

maj

or c

ircu

latio

n fe

atur

e to

whi

ch th

e w

ater

mas

ses e

nter

ing

the

Stra

it of

Gib

ralta

r are

exp

osed

is a

larg

e an

ticyc

loni

c gy

re in

the

Albo

ran

Sea.

The

por

tion

of w

ater

esc

apin

g fr

om th

is a

ntic

yclo

nic

gyre

mov

es E

astw

ards

tow

ards

the

Nor

th A

fric

an c

oast

and

Nor

th-e

astw

ards

tow

ards

the

Bale

aric

Isla

nds.

This

m

arks

the

first

in a

sequ

ence

of c

yclo

nic

brea

kaw

ays t

hrou

ghou

t the

ent

ire

Med

iterr

anea

n.

F

igur

e 7:

Gen

eral

pat

tern

of s

urfa

ce c

urre

nts f

or th

e M

edite

rran

ean

Sea

In g

ener

al, a

surf

ace

circ

ulat

ion

can

be se

para

ted

from

a su

bsur

face

and

a d

eep

one.

In th

e Ea

ster

n M

edite

rran

ean

the

Leva

ntin

e cu

rren

t is d

omin

ant.

In th

e sa

me

area

, at

inte

rmed

iate

dep

ths,

a ci

rcul

atio

n du

e to

Eas

t-bou

nd c

old

mas

ses o

f wat

er o

ccur

s. A

deep

er c

ircu

latio

n is

det

erm

ined

by

tem

pera

ture

gra

dien

ts o

ccur

ring

bet

wee

n N

orth

ern

and

Sout

hern

bas

ins e

spec

ially

dur

ing

win

ter.

As c

old

wat

er m

asse

s are

mor

e de

nse,

the

circ

ulat

ion

is m

ainl

y di

rect

ed S

outh

war

ds.

Fig

ure

8: T

he p

atte

rn o

f sur

face

and

inte

rmed

iate

cur

rent

s for

the

Med

iterr

anea

n.

The

Med

iterr

anea

n ci

rcul

atio

n is

ther

efor

e th

erm

ohal

ine.

In o

ther

wor

ds it

ori

gins

from

diff

eren

ces o

f tem

pera

ture

and

salin

ity w

ithin

the

wat

er m

asse

s tha

t var

y ac

cord

ing

to

the

seas

ons.

2. W

ave

actio

n C

ompa

ring

the

Med

iterr

anea

n Se

a to

an

ocea

nic

envi

ronm

ent,

and

cons

ider

ing

the

win

d fo

rce

to b

e th

e sa

me,

wav

e he

ight

will

alw

ays b

e lo

wer

for t

he M

edite

rran

ean.

Thi

s oc

curs

sinc

e th

e M

edite

rran

ean

is a

sem

i-clo

sed

basi

n an

d co

nseq

uent

ly c

hara

cter

ised

by

a sm

alle

r fet

ch. W

aves

rare

ly re

ach

over

8 m

eter

s of h

eigh

t and

com

pare

d to

the

ocea

nic

wav

es, t

he M

edite

rran

ean

ones

hav

e a

mor

e de

form

ed sh

ape

with

an

asym

met

ric

aspe

ct in

the

long

itudi

nal s

ectio

n.

3. T

empe

ratu

re

At d

epth

s of a

bout

300

met

ers,

the

wat

er te

mpe

ratu

re o

f the

Med

iterr

anea

n Se

a te

nds t

o re

mai

n st

able

aro

und

12.8

°C. T

his i

s due

to th

e ge

olog

ical

thre

shol

d of

the

Gib

ralta

r St

rait

that

pre

vent

s col

d de

ep A

tlant

ic w

ater

s fro

m e

nter

ing

the

basi

n. A

s a m

atte

r of f

act,

tem

pera

ture

nev

er g

oes b

enea

th th

e lo

wes

t val

ue m

easu

red

for s

urfa

ce w

ater

s in

win

ter.

At m

inor

dep

ths,

tem

pera

ture

can

rang

e fr

om 1

0°C

to 2

2°C

acc

ordi

ng to

the

area

and

the

peri

od o

f the

yea

r. Th

e N

orth

Adr

iatic

Sea

, in

part

icul

ar, m

akes

an

exce

ptio

n as

wat

er te

mpe

ratu

re c

an d

rop

to 4

° C d

urin

g w

inte

r, w

hen

stro

ng "

bora

" w

inds

blo

w.

Dur

ing

the

sum

mer

seas

on a

ther

moc

line

occu

rs b

etw

een

-15

and

-40

m w

hich

sepa

rate

s sur

face

wat

ers f

rom

dee

per o

nes.

In w

inte

r, su

rfac

e w

ater

s coo

l and

sink

, allo

win

g de

ep w

ater

s ric

h in

nut

rien

ts to

mov

e ba

ck u

p to

the

surf

ace

(upw

ellin

g). T

here

are

thre

e m

ain

area

s whe

re th

is p

heno

men

on is

par

ticul

arly

evi

dent

: the

are

a of

the

Aege

an

Sea

situ

ated

bet

wee

n Rh

odos

and

Cyp

rus,

char

acte

rise

d by

con

tinen

tal c

old

win

ds; t

he a

rea

of th

e Ad

riat

ic S

ea in

fluen

ced

by th

e "b

ora"

win

d an

d of

fsho

re F

renc

h an

d Li

guri

an c

oast

s whe

re c

ontin

enta

l col

d w

inds

(mis

tral

and

"tr

amon

tana

") b

low

.

4. T

ides

M

ost o

f the

Med

iterr

anea

n ar

eas h

ave

a se

mid

iurn

al ti

de w

ith tw

o hi

gh ti

des a

nd tw

o lo

w ti

des a

ppro

xim

atel

y ev

ery

24 h

ours

. Tid

e ra

nge

is g

ener

ally

insi

gnifi

cant

in th

e M

edite

rran

ean;

it v

arie

s fro

m a

few

cen

timet

res t

o 2

met

ers i

n th

e G

ulf o

f Gab

ès. I

n th

e N

orth

Adr

iatic

it re

ache

s one

met

er. O

n th

e ot

her h

and

a st

rong

tide

cur

rent

is

regi

ster

ed in

the

Mes

sina

Str

ait d

ue to

a w

eak

leve

l var

iatio

n be

twee

n th

e w

ater

mas

ses o

f the

Tyr

rhen

ian

basi

n an

d th

e on

es o

f the

Ioni

c ba

sin.

The

se c

urre

nts c

an re

ach

a sp

eed

of 5

kno

ts. I

n so

me

area

s of t

he M

edite

rran

ean,

ther

e ar

e re

leva

nt se

a le

vel v

aria

tions

due

to a

tmos

pher

ic p

ress

ure

chan

ges (

"Ses

se")

; with

in th

e N

orth

ern

Adri

atic

Sea

, fo

r exa

mpl

e, th

ey m

ay re

ach

1.5

met

ers.

5. M

orph

olog

y Th

e m

axim

um a

nd a

vera

ge d

epth

s for

the

Med

iterr

anea

n Se

a ar

e 5,

090

and

1,19

1 m

resp

ectiv

ely.

The

mos

t im

port

ant d

itche

s of t

he M

edite

rran

ean

are:

the

Tyrr

heni

an b

asin

, th

e Io

nian

bas

in, t

he H

elle

nic

depr

essi

on, t

hat i

nclu

des S

trab

on a

nd P

liny's

ditc

hes,

Rhod

os' d

epre

ssio

n an

d th

e pl

ain

of H

erod

otos

, all

of th

em d

eepe

r tha

n 3,

000

met

ers.

The

unde

rwat

er m

orph

olog

y is

var

ious

. The

Wes

tern

par

t is c

hara

cter

ised

by

vast

aby

ssal

pla

ins s

ituat

ed d

own

to 3

,000

met

ers o

f dep

th. T

he B

alea

ric

isla

nds e

mer

ge fr

om

thes

e pl

ains

whi

le S

ardi

nia

and

Cor

sica

form

a so

rt o

f bar

rier

as t

hey

sepa

rate

the

Wes

tern

pla

ins f

rom

the

Tyrr

heni

an S

ea.

Whi

le th

e Ty

rrhe

nian

Sea

is c

hara

cter

ised

by

unde

rwat

er c

rest

s and

mou

ntai

ns, t

he A

dria

tic S

ea h

as a

flat

mor

phol

ogy.

The

Nor

ther

n pa

rt o

f the

sea

is v

ery

shal

low

, at l

east

un

til th

e G

arga

no p

rom

onto

ry, d

ue to

the

huge

am

ount

of s

edim

ents

car

ried

to th

e se

a by

the

Po ri

ver,

that

may

reac

h so

me

3,00

0 m

eter

s in

thic

knes

s..

The

East

ern

Med

iterr

anea

n go

es fr

om th

e Si

cily

Cha

nnel

, whe

re th

e Tu

nisi

an p

latfo

rm d

evel

ops,

to th

e Io

nic

abys

sal p

lain

. With

in th

e Ae

gean

Sea

a d

eep

ditc

h ru

ns a

long

the

Pelo

ponn

esus

. At t

he N

ile's

delta

ther

e is

ano

ther

are

a co

vere

d by

sedi

men

ts th

at m

ay re

ach

4,00

0 m

eter

s in

thic

knes

s.

F

igur

e 9:

Mor

phol

ogy

of th

e W

este

rn M

edite

rran

ean

sea.

6. H

igh-

dens

ity o

il sp

ills i

n th

e M

edite

rran

ean

Sea

The

Med

iterr

anea

n Se

a is

con

side

red

one

of th

e se

as a

t maj

or ri

sk d

ue to

the

inte

nse

mar

itim

e oi

l tra

nspo

rt; a

lthou

gh th

e sm

all s

ize

of th

e ba

sin,

23%

of t

he w

orld

's oi

l tr

ansp

ort p

asse

s thr

ough

the

Med

iterr

anea

n. E

very

yea

r hun

dred

s of t

anke

rs e

nter

the

Med

iterr

anea

n w

ith 4

20 m

illio

n to

ns o

f pet

role

um h

ydro

carb

ons (

Min

iste

ro

dell'

Ambi

ente

, 199

2) a

nd th

e am

ount

of o

il sp

illed

per

yea

r was

cal

cula

ted

in 3

30,0

00 to

ns (U

NEP

/IOC

, 198

8).

Giv

en it

s loc

atio

n, n

atur

al re

sour

ces a

nd h

igh

popu

latio

n de

nsity

, all

the

activ

ities

that

are

gen

eral

ly a

ssoc

iate

d w

ith a

hig

h ri

sk o

f oil

pollu

tion

are

quite

com

mon

in th

e M

edite

rran

ean

regi

on. T

he m

ost i

mpo

rtan

t of t

hese

incl

ude

the

expl

orat

ion

and

prod

uctio

n of

oil

and

gas,

the

mov

emen

t of o

il fro

m o

ffsho

re w

ells

to sh

ore

(with

ship

s or s

ub-

sea

pipe

lines

), th

e tr

ansi

t-tra

de o

f cru

de o

ils fr

om a

nd to

oth

er re

gion

s, th

e re

gion

al sh

ipm

ent o

f ref

ined

pro

duct

s and

resi

dual

s, as

wel

l as l

arge

-sca

le c

omm

erci

al a

nd

pass

enge

r shi

ppin

g.

Offs

hore

oil

and

gas r

eser

ves a

re lo

cate

d al

ong

the

italia

n Ad

riat

ic c

oast

and

with

in th

e G

reek

Aeg

ean

Sea,

thou

gh th

e m

ost i

mpo

rtan

t are

as a

re th

e G

ulf o

f Gab

es, o

ff Tu

nisi

a an

d th

e ad

jace

nt M

edite

rran

ean

shel

f off

Liby

a. O

il an

d ga

s exp

lora

tion

is a

lso

plan

ned

or u

nder

way

off

the

coas

ts o

f Mor

occo

, Tur

key

and

Isra

el. I

n te

rms o

f spi

ll ri

sk fr

om c

rude

oil

tank

ers,

the

expo

rtat

ion

of o

nsho

re p

rodu

ctio

n, tr

ansi

t tra

de, a

nd im

port

atio

n of

cru

de o

il in

the

area

mus

t als

o be

take

n in

to c

onsi

dera

tion.

The

larg

est

expo

rter

s in

the

Med

iterr

anea

n ar

e Li

bya

(1.2

9 m

illio

n bb

l/d),

Alge

ria

(1.1

5 m

illio

n bb

l/d),

Egyp

t (35

2,00

0 bb

l/d) a

nd S

yria

(276

,000

bbl

/d).

The

regi

on's

maj

or im

port

ers o

f cr

ude

oil a

re F

ranc

e (1

.9 m

illio

n bb

l/d),

Italy

(1.8

mill

ion

bbl/d

), Sp

ain

(1.4

6 m

illio

n bb

l/d),

and

Turk

ey (6

01,0

00 b

bl/d

). Im

port

ant t

rans

it co

untr

ies i

nclu

de E

gypt

with

its

Suez

Can

al a

nd S

umed

pip

elin

e, It

aly

with

its T

rans

alpi

ne P

ipel

ine

to A

ustr

ia a

nd G

erm

any,

and

Tur

key

with

its p

ipel

ine

netw

ork

from

the

East

and

Tur

kish

Str

aits

to th

e Bl

ack

Sea.

Oth

er c

ount

ries

whi

ch w

ere

once

use

d fo

r tra

nsit

and/

or m

ay b

ecom

e tr

ansi

t cen

tres

aga

in in

clud

e Sy

ria,

Isra

el, L

eban

on, A

lban

ia, a

nd G

reec

e. In

mos

t cas

es,

crud

e oi

l flo

ws f

rom

Eas

t to

Wes

t and

Sou

th to

Nor

th a

cros

s the

Med

iterr

anea

n.

Trad

e in

refin

ed a

nd re

sidu

al p

rodu

cts s

how

s a m

ore

com

plex

stru

ctur

e. A

num

ber o

f ref

iner

ies,

part

icul

arly

alo

ng th

e Eu

rope

an c

oast

s of t

he M

edite

rran

ean

supp

ly th

e m

any

loca

l por

ts, b

ut a

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mor

e di

stan

t Eur

opea

n po

rts o

utsi

de th

e M

edite

rran

ean.

The

re is

als

o a

reve

rse

trad

e in

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ed p

rodu

cts s

hipp

ed fr

om E

urop

ean

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erie

s out

side

the

Med

iterr

anea

n.

Resi

dual

fuel

oil

is u

sed

in in

dust

rial

stea

m ra

isin

g pl

ants

, in

elec

tric

al p

ower

stat

ions

and

to fu

el la

rge

cent

ral h

eatin

g pl

ants

and

indu

stri

al fu

rnac

es. R

esid

ual f

uel o

il,

blen

ded

as v

ario

us g

rade

s of h

eavy

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is a

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used

in la

rge

land

-bas

ed a

nd m

arin

e di

esel

eng

ines

. Cou

ntri

es w

ith sm

all i

ndig

enou

s sou

rces

of e

nerg

y (o

il an

d co

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such

as

Ital

y, im

port

larg

e qu

antit

ies o

f res

idua

l fue

l oil

for u

se in

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fired

pow

er st

atio

ns w

hich

is o

ften

tran

spor

ted

by sh

ip (L

ewis

A.,

2002

). W

ith th

e in

trod

uctio

n of

em

ulsi

fied

bitu

men

, suc

h as

Ori

mul

sion

®, i

nto

the

elec

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pow

er p

lant

gen

erat

ion

mar

ket i

n Ita

ly, a

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a si

gnifi

cant

am

ount

of t

his b

itum

en-in

-wat

er e

mul

sion

is b

eing

ship

ped

into

the

Med

iterr

anea

n Se

a.

F

igur

e 10

: Ref

ined

pro

duct

s (to

ns) t

rade

d in

46

Italia

n po

rts i

n 19

99

The

diffi

culti

es e

ncou

nter

ed in

det

ectin

g su

bmer

ged

heav

y oi

l res

idua

ls in

the

Italia

n w

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s of t

he M

edite

rran

ean,

her

eafte

r sum

mar

ised

in tw

o ca

ses,

and

the

incr

easi

ng ri

sk

pose

d by

the

inte

nse

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itim

e tr

ansp

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mak

e th

e de

velo

pmen

t of s

uita

ble

tech

nolo

gies

and

inst

rum

ents

nec

essa

ry a

nd d

esir

able

.

• O

rim

ulsi

on®

400

spill

In th

e la

st fe

w y

ears

the

tran

spor

t of O

rim

ulsi

on ®

400

with

in th

e M

edite

rran

ean

has b

ecom

e a

quite

com

mon

pra

ctic

e. O

rim

ulsi

on ®

400

is d

efin

ed a

s an

emul

sion

of

bitu

men

-in-w

ater

com

pris

ing

appr

oxim

atel

y 70

% n

atur

al b

itum

en (V

enez

uela

n C

erro

Neg

ro) d

ispe

rsed

as 1

0÷20

mic

ron

drop

lets

in 3

0% w

ater

with

aro

und

<0.

2%

surf

acta

nt in

wei

ght (

Gar

cia

Tave

l et a

l., 1

999)

.

On

Febr

uary

9th

200

0, n

earl

y 70

0 m

3 of

the

bitu

men

-in-w

ater

em

ulsi

on O

rim

ulsi

on®

400

spill

ed fr

om a

pip

elin

e an

d a

stor

age

tank

into

a b

ound

ed a

rea

in a

pow

er p

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lo

cate

d on

the

NW

Sar

dini

an c

oast

. A sm

all p

ortio

n of

it p

oure

d in

the

plan

t rai

nwat

er o

utle

t and

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supp

osed

to h

ave

reac

hed

the

sea

flow

ing

toge

ther

with

the

ther

mal

ou

tflow

. Giv

en th

at O

rim

ulsi

on®

400

is w

ater

con

tinuo

us, t

he m

ajor

ity o

f the

mic

ron

size

d bi

tum

en d

ropl

ets w

ould

be

expe

cted

to ra

pidl

y di

sper

se. H

owev

er, a

ny re

mai

ning

ag

greg

ates

cou

ld, i

n th

eory

, be

was

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asho

re a

nd/o

r sun

k. T

he It

alia

n ce

ntra

l ins

titut

e fo

r app

lied

mar

ine

rese

arch

(IC

RAM

) was

cha

rged

with

the

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to e

valu

ate

this

hypo

thes

is b

y ca

rryi

ng o

ut su

rvey

s and

sam

plin

g ca

mpa

igns

(Am

ato

et a

l., 2

002a

). Ap

prox

imat

ely

50 k

m o

f the

coa

stlin

e an

d on

e sq

uare

nau

tical

mile

of t

he se

aflo

or h

ave

been

insp

ecte

d an

d sa

mpl

es o

f bitu

min

ous m

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ial h

ave

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col

lect

ed in

twel

ve lo

calit

ies a

long

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shor

e. A

naly

sis h

ave

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per

form

ed in

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er to

com

pare

the

finge

rpri

ntin

g of

the

sam

ples

take

n du

ring

the

surv

ey c

ampa

ign

with

sam

ples

of O

rim

ulsi

on®

400

. Whi

le th

e un

derw

ater

surv

eys,

carr

ied

out b

y m

eans

of S

CU

BA d

iver

s and

RO

V, w

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not e

ffect

ive

in d

etec

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any

sunk

en d

epos

ition

, the

ana

lyse

s (G

C/F

ID, G

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S, H

PLC

, IC

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arri

ed o

ut o

n sa

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es c

olle

cted

alo

ng th

e co

ast h

ave

show

n th

eir

rela

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to th

e pr

oduc

t. Te

n of

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twel

ve sa

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ing

stat

ions

resu

lted

pollu

ted

by b

itum

inou

s res

idue

s not

rela

ted

to O

rim

ulsi

on®

400

. Thi

s cas

e em

phas

izes

the

effic

acy

of th

e an

alyt

ical

app

roac

h (fi

nger

prin

ting

tech

niqu

e) a

s a to

ol to

sing

le-o

ut, i

dent

ify a

nd d

istin

guis

h a

spec

ific

prod

uct b

ut a

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the

need

for a

pro

per t

ool a

ble

to d

etec

t non

-floa

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and/

or su

bmer

ged

hydr

ocar

bons

at s

ea.

• Th

e H

aven

acc

iden

t

The

VLC

C "

HAV

EN"

acci

dent

(Apr

il, 1

991)

is th

e m

ajor

cas

e of

oil

spill

eve

r occ

urre

d in

the

Med

iterr

anea

n Se

a an

d on

e of

the

wor

st in

the

wor

ld re

late

d to

mar

itim

e oi

l tr

ansp

ort.

144,

000

tons

of I

rani

an h

eavy

cru

de o

il w

ere

on b

oard

whi

le, i

n fr

ont o

f the

por

t of G

enoa

, tw

o vi

olen

t exp

losi

ons s

tart

ed a

fire

that

was

ext

ingu

ishe

d on

ly w

hen

the

HAV

EN su

nk.

The

70 h

our b

urni

ng d

eter

min

ed th

e si

nkin

g, in

a re

stri

cted

are

a of

the

sea

botto

m, o

f an

amou

nt o

f oil

estim

ated

in th

e ra

nge

10,0

00÷5

0,00

0 to

ns (M

edug

no, 1

992;

Fre

si,

1992

; Vol

terr

a, 1

992)

. The

mea

ns d

eplo

yed

in o

rder

to fi

nd o

ut th

e di

stri

butio

n of

the

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esid

uals

rang

ed fr

om S

CU

BA d

iver

s to

side

scan

sona

r and

sub

botto

m p

rofil

er. T

he

mos

t effe

ctiv

e in

det

ectin

g th

e lo

catio

n of

tar d

epos

its in

dee

p w

ater

s wer

e be

am tr

awl t

ype

fishi

ng n

ets (

Vacc

hi e

t al.,

199

3). T

he li

mits

of t

he m

etho

d, a

nyw

ay, d

id n

ot

allo

wed

to m

ap th

e oi

l res

idua

ls w

ith th

e de

tails

nee

ded

in o

rder

to q

uant

ify th

eir a

mou

nt n

or th

eir a

ctua

l dis

trib

utio

n.

In S

epte

mbe

r 199

4 th

ree

dive

s by

mea

ns o

f the

Fre

nch

IFRE

MER

bat

hysc

aph

CYA

NA

wer

e ca

rrie

d ou

t, in

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er to

det

ect t

he d

istr

ibut

ion,

mor

phol

ogy

and

char

acte

rist

ics o

f so

me

deep

tar d

epos

ition

s and

to o

bser

ve d

e vi

su th

e be

nthi

c fa

una

asso

ciat

ed (A

mat

o et

al.,

200

2b).

The

sea

botto

m a

t abo

ut 3

50 m

eter

s dep

th w

as c

hara

cter

ised

by

vari

ous

depo

sitio

ns, r

athe

r con

sist

ent,

onto

whi

ch a

ssoc

iatio

ns o

f ben

thic

org

anis

ms w

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not u

ncom

mon

. Acc

ordi

ng to

the

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sure

d le

vels

of P

AHs f

ound

in se

dim

ent c

ores

col

lect

ed

by m

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of t

he b

athy

scap

h ne

ar ta

r dep

osits

, the

dep

ositi

ons a

re li

kely

to d

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min

e th

e co

ntam

inat

ion

of th

e tr

ophi

c ne

ts a

nd to

con

trib

ute

to th

e al

tera

tion

of th

e ec

osys

tem

eq

uilib

rium

.

Plan

s for

the

futu

re

The

two

even

ts m

entio

ned

abov

e ha

ve c

erta

inly

con

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uted

to re

info

rce

the

need

for a

suita

ble

inst

rum

enta

tion

able

to d

etec

t sub

mer

ged

petr

oleu

m h

ydro

carb

ons.

It se

ems

ther

efor

e of

pri

mar

y im

port

ance

to d

evel

op th

e ne

cess

ary

tech

niqu

es a

nd to

impr

ove

the

pres

ent i

nstr

umen

tatio

n in

ord

er to

faci

litat

e fu

ture

wor

k in

cas

e of

an

oil s

pill.

Af

ter t

he "

HAV

EN"

acci

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, the

pec

ulia

r situ

atio

n on

the

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botto

m o

f the

Gul

f of G

enoa

cou

ld re

pres

ent a

uni

que

oppo

rtun

ity b

oth

to st

udy

the

evol

utio

n of

tar d

epos

ition

s w

ith ti

me

and

to te

st e

lect

roac

oust

ic in

stru

men

ts a

ble

to d

etec

t sub

mer

ged

hydr

ocar

bons

.

Les

beso

ins

: Car

acté

ristiq

ues

des

pollu

ants

The

need

s : P

ollu

tant

s ch

arac

teris

tics

HY

DR

OC

AR

BU

RE

S

Il es

t évi

dent

que

la p

lupa

rt de

s pét

role

s bru

ts e

t des

pro

duits

pét

rolie

rs fl

otte

nt, t

andi

s que

les f

uels

initi

alle

men

t plu

s den

ses q

ue l'

eau

de m

er v

ont

som

brer

et s

e co

mpo

rter p

lus o

u m

oins

com

me

un sé

dim

ent.

Mai

s les

cou

lées

au

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ou

dans

la c

olon

ne d

'eau

sont

bea

ucou

p pl

us c

oura

ntes

que

ça

ne l'

est g

énér

alem

ent r

econ

nu.

Bie

n qu

e le

s pre

miè

res é

tape

s du

viei

lliss

emen

t des

fuel

s con

vent

ionn

els a

ient

été

larg

emen

t étu

diée

s et l

es c

hang

emen

ts d

e pr

oprié

tés p

rédi

ts p

our l

es

prem

iers

jour

s, le

s cha

ngem

ents

à lo

ng te

rme

cond

uisa

nt a

ux d

esce

ntes

ver

s le

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ne

sont

pas

enc

ore

bien

com

pris

. Le

com

porte

men

t de

pétro

les

déve

rsés

de

type

mél

ange

d'h

uile

s rés

idue

lles,

avec

ou

sans

solv

ant,

ou d

e ty

pe fu

els é

mul

sifié

s, pe

ut ê

tre m

al c

onnu

des

resp

onsa

bles

du

cont

rôle

de

la p

ollu

tion.

Fi

gure

1 P

roce

ssus

de

viei

lliss

emen

t du

pétro

le e

n m

er

Lors

qu'il

est

dév

ersé

en

mer

, le

pétro

le b

rut e

st so

umis

aux

pro

cess

us d

e vi

eilli

ssem

ent c

omm

e l'é

vapo

ratio

n, l'

émul

sific

atio

n, la

dis

solu

tion/

di

sper

sion

et l

a ph

oto-

oxyd

atio

n (f

igur

e 1)

. Ces

pro

cess

us o

nt li

eu d

ans d

es c

ondi

tions

nor

mal

es d

ues à

l'ag

itatio

n de

la su

rfac

e de

la m

er p

ar le

ven

t, le

s vag

ues e

t les

cou

rant

s et l

'expo

sitio

n du

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à la

lum

ière

sola

ire. L

a co

mpo

sitio

n ch

imiq

ue e

t les

pro

prié

tés p

hysi

ques

du

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cha

ngen

t co

nsta

mm

ent s

elon

son

stad

e de

vie

illis

sem

ent.

Par e

xem

ple,

la fi

gure

2 il

lust

re l'

évol

utio

n de

s com

posé

s aro

mat

ique

s pré

sent

s dan

s un

pétro

le b

rut l

éger

dév

ersé

en

mer

apr

ès si

x he

ures

de

viei

lliss

emen

t. Le

résu

ltat d

émon

tre q

ue le

s mol

écul

es le

s plu

s sol

uble

s (co

mpo

sés a

rom

atiq

ues l

éger

s) so

nt fa

cile

men

t sép

arés

du

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en

quel

ques

he

ures

. Cep

enda

nt, c

e pr

oces

sus d

evra

it êt

re p

lus l

ent p

our d

es p

rodu

its p

lus l

ourd

s com

me

le fu

el lo

urd.

La

figur

e 3

mon

tre la

dis

tribu

tion

des

com

posé

s aro

mat

ique

s pou

r le

fuel

du

Pres

tige.

On

doit

note

r que

le n

apht

alèn

e pe

ut e

ncor

e êt

re d

étec

té a

près

un

tem

ps d

e vi

eilli

ssem

ent d

e de

ux

moi

s.

HE

AV

Y O

ILS

It is

obv

ious

that

mos

t cru

de o

ils a

nd p

etro

leum

pro

duct

s flo

at, w

hile

oils

that

are

initi

ally

den

ser t

han

sea

wat

er w

ill si

nk a

nd b

ehav

e m

ore

or le

ss

like

a se

dim

ent.

But s

inki

ng to

the

botto

m o

r par

t way

thro

ugh

the

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er c

olum

n is

a m

uch

mor

e co

mm

on o

ccur

renc

e th

an is

gen

eral

ly re

cogn

ised

. Al

thou

gh th

e ea

rly

stag

es o

f wea

ther

ing

of c

onve

ntio

nal o

ils h

as b

een

exte

nsiv

ely

stud

ied

and

the

chan

ges i

n oi

l pro

pert

ies c

an b

e pr

edic

ted

for t

he

first

few

day

s, lo

ng te

rm c

hang

es w

hich

lead

to si

nkin

g ar

e no

t yet

wel

l und

erst

ood.

The

beh

avio

ur o

n sp

illin

g of

oth

er o

ils su

ch a

s tho

se th

at a

re a

bl

end

of re

sidu

al o

ils, w

ith o

r with

out l

ight

solv

ent,

or th

at a

re e

mul

sifie

d fu

el o

ils, m

ay a

ll be

unk

now

n to

spill

resp

onde

rs.

F

igur

e 1

Oil

wea

ther

ing

proc

esse

s tha

t occ

ur a

t sea

Whe

n sp

illed

at s

ea, c

rude

oil

is su

bjec

ted

to w

eath

erin

g pr

oces

ses s

uch

as e

vapo

ratio

n, e

mul

sific

atio

n, d

isso

lutio

n/di

sper

sion

and

pho

to-o

xida

tion

(fig.

1).

Thes

e pr

oces

ses o

ccur

und

er n

atur

al c

ondi

tions

due

to se

a su

rfac

e ag

itatio

n by

win

d, w

aves

, and

cur

rent

s and

exp

osur

e of

the

oil t

o so

lar

light

. The

che

mic

al c

ompo

sitio

n an

d ph

ysic

al p

rope

rtie

s of t

he o

il ar

e co

nsta

ntly

cha

ngin

g ac

cord

ing

to it

s wea

ther

ing

stag

e.

As a

n ex

ampl

e, fi

gure

2 il

lust

rate

s the

evo

lutio

n of

the

arom

atic

com

poun

ds c

onte

nt in

a li

ght c

rude

oil

spill

ed a

t sea

afte

r six

hou

rs o

f wea

ther

ing.

Th

is re

sult

dem

onst

rate

s tha

t the

mos

t sol

uble

mol

ecul

es (l

ight

aro

mat

ics)

are

eas

ily re

mov

ed fr

om th

e bu

lk o

il w

ithin

a fe

w h

ours

. How

ever

, thi

s pr

oces

s sho

uld

be sl

ower

in c

ase

of h

eavi

er p

rodu

cts s

uch

as h

eavy

fuel

oil.

Fig

ure

3 sh

ows t

he d

istr

ibut

ion

of a

rom

atic

s for

the

Pres

tige

oil.

It m

ust

be n

otic

ed th

at n

apht

hale

ne c

an st

ill b

e de

tect

ed a

fter a

2 m

onth

s wea

ther

ing

time.

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)

C

om

mis

sio

n E

uro

péen

ne /

Eu

rop

ean

Co

mm

issi

on

Dir

ect

ion

Gén

éra

le E

nvir

on

nem

en

t /

Dir

ect

ora

te -

Gen

era

l En

vir

on

men

t

DETEC

TIO

N D

E N

AP

PES

IM

MER

GEES

DENIM

Met

hodo

logi

e: D

étec

tion

des

napp

es im

mer

gées

Met

hodo

logy

: Det

ectio

n of

sub

mer

ged

oils

Eng

lish

vers

ion

only

The

dete

ctio

n of

subm

erge

d oi

l is a

dev

elop

ing

scie

nce.

Mos

t of t

he se

nsor

s abl

e to

det

ect o

il sp

illed

at s

ea a

re su

cces

sful

ly e

mpl

oyed

for t

he d

etec

tion

of fl

oatin

g oi

l whi

le n

ew te

chno

logi

es a

re u

rgen

tly n

eede

d w

ith re

gard

to

subm

erge

d hy

droc

arbo

ns. T

he c

omm

on d

etec

tors

, in

fact

, ope

rate

at w

avel

engt

hs th

at a

re re

adily

abs

orbe

d by

wat

er a

nd th

eref

ore

not a

ble

to in

vest

igat

e un

dern

eath

the

sea

surf

ace.

Rec

ent s

pills

(e.g

. the

ERI

KA

and

PRES

TIG

E in

cide

nts)

hav

e re

new

ed a

gre

at in

tere

st in

the

deve

lopm

ent o

f tec

hnol

ogie

s abl

e to

det

ect h

eavy

fuel

oil

whi

ch si

nk to

th

e se

a bo

ttom

or s

trat

ify in

the

wat

er c

olum

n. It

has

bee

n ca

lcul

ated

that

40%

of a

ll oi

l spi

lls c

once

rn m

ediu

m a

nd h

eavy

fuel

oils

that

may

sink

to th

e se

a bo

ttom

in re

latio

n to

env

iron

men

tal c

ondi

tions

(Ans

ell e

t al.

2001

; Par

thio

t 200

1).

Whi

le th

e m

ovem

ent o

f flo

atin

g oi

l is p

rim

arily

con

trol

led

by su

rfac

e cu

rren

ts a

nd w

ind,

onc

e be

low

the

surf

ace,

the

mov

emen

t of s

unke

n oi

l is s

ubje

ct to

subs

urfa

ce c

urre

nts

whi

ch m

ay m

ove

it to

war

ds u

nexp

ecte

d di

rect

ions

(Cas

tle e

t al.,

199

5). M

oreo

ver,

spill

s of h

eavy

fuel

oils

hav

e th

e po

tent

ial t

o tr

avel

gre

at d

ista

nces

from

the

orig

inal

spill

lo

catio

n an

d to

cau

se w

ides

prea

d co

ntam

inat

ion

of c

oast

lines

and

sens

itive

reso

urce

s. Fo

r exa

mpl

e, o

il fr

om th

e EL

ENI V

, whi

ch w

as c

ut in

hal

f by

a Fr

ench

frei

ghte

r in

the

Nor

th S

ea 1

0 km

off

the

UK

coa

st in

May

197

8, c

ome

asho

re tw

o m

onth

s lat

er in

Net

herl

ands

(Bla

ckm

an e

Law

, 198

0).

Mor

eove

r, su

bmer

ged

oil m

ay b

ehav

e at

sea

in d

iffer

ent w

ays a

ccor

ding

to it

s phy

sica

l-che

mic

al p

rope

rtie

s and

to e

nvir

onm

enta

l con

ditio

ns:

a) it

may

agg

lom

erat

e in

the

wat

er c

olum

n cl

ose

to th

e se

a su

rfac

e;

b)it

may

emul

sify

with

inth

ew

ater

colu

mn;

Con

sequ

ently

, the

app

ropr

iate

met

hod

for t

rack

ing

and

map

ping

a p

artic

ular

spill

may

cha

nge

acco

rdin

g to

the

situ

atio

n. V

isua

l obs

erva

tions

(by

airc

raft,

ship

, div

er, o

r ca

mer

a/te

levi

sion

) are

the

prin

cipa

l met

hods

use

d fo

r loc

atin

g an

d tr

acki

ng su

bmer

ged

oil.

Airb

orne

pho

togr

aphy

and

vis

ual-b

ased

syst

ems,

whi

ch a

re w

idel

y av

aila

ble,

can

ra

pidl

y su

rvey

larg

e ar

eas.

The

perf

orm

ance

of t

hese

syst

ems i

s, ob

viou

sly,

lim

ited

by w

ater

cla

rity

and

dep

th, t

he q

uant

ity o

f oil,

and

the

char

acte

rist

ics o

f bot

tom

sedi

men

t. D

irec

t obs

erva

tions

can

als

o be

per

form

ed b

y di

vers

with

in sa

fe d

epth

rest

rict

ions

and

vis

ibili

ty li

mits

. Obs

erva

tions

by

unde

rwat

er c

amer

as, e

ither

ope

rate

d by

div

ers o

r de

ploy

ed fr

om sh

ips,

can

also

be

used

to lo

cate

subm

erge

d oi

l (N

atio

nal R

esea

rch

Cou

ncil,

199

9).

• D

ETE

CTI

ON

OF

OIL

AG

GLO

ME

RA

TED

IN T

HE

WA

TER

CO

LUM

N C

LOSE

TO

TH

E S

EA

SU

RF

AC

E

The

dete

ctio

n of

subs

urfa

ce o

il sl

icks

may

be

usef

ully

mad

e by

air

plan

es e

quip

ped

with

lase

r sys

tem

s. Th

ese

are

able

to in

vest

igat

e th

e fir

st m

eter

s of t

he w

ater

col

umn

as

mos

t of t

he o

rgan

ic c

ompo

unds

usu

ally

foun

d in

com

mer

cial

hyd

roca

rbon

s, on

ce h

it by

lase

r, em

it flu

ores

cenc

e w

hich

is re

adily

det

ecte

d by

a fl

uoro

sens

or. F

luor

omet

ers

posi

tione

d on

tow

ed v

ehic

les c

an b

e em

ploy

ed a

s wel

l.

Obv

ious

ly th

e ai

rpla

ne h

as th

e ad

vant

age

of b

eing

abl

e to

inve

stig

ate

a w

ider

are

a, e

ven

thou

gh it

has

bee

n de

mon

stra

ted

that

fluo

rom

eter

s on

boar

d to

w-fi

shes

giv

e m

ore

prec

ise

info

rmat

ion.

The

se sy

stem

s are

exp

lain

ed in

det

ail i

n th

e pa

ragr

aph

on la

ser f

luor

osen

sors

. Th

e us

e of

mor

e tr

aditi

onal

met

hods

may

be

poss

ible

as w

ell:

dive

rs, t

owed

veh

icle

s or R

OVs

equ

ippe

d w

ith u

nder

wat

er c

amer

as, w

ater

sam

pler

s dep

loye

d fr

om v

esse

ls o

r pos

ition

ed o

n un

derw

ater

veh

icle

s, ne

ts a

ble

to b

e to

wed

at m

id

wat

er w

ith a

pro

per m

esh

size

or c

over

ed w

ith a

bsor

bent

mat

eria

l may

repr

esen

t a p

rope

r sol

utio

n (B

row

n an

d G

oodm

an, 1

987)

.

In g

ener

al, v

isua

l and

pho

toba

thym

etri

c te

chni

ques

are

rest

rict

ed to

wat

er d

epth

s of 2

0 m

eter

s or l

ess a

nd d

iver

bas

ed v

isua

l obs

erva

tions

can

onl

y be

use

d in

low

cur

rent

and

sm

all w

ave

area

s.

Sam

plin

g is

typi

cally

lim

ited

in sc

ope

and

may

not

pro

vide

repr

esen

tativ

e ob

serv

atio

ns o

f the

impa

ct a

rea.

Wat

er c

olum

n tr

awls

may

be

usef

ul fo

r sel

ecte

d sp

ills b

ecau

se th

ey

can

cove

r lar

ger a

reas

. The

effe

ctiv

enes

s of s

ampl

ing

met

hods

is st

rong

ly d

epen

dent

on

the

com

posi

tion

of th

e oi

l and

env

iron

men

tal f

acto

rs, s

uch

as c

urre

nt sp

eed,

wat

er

dept

h, a

nd su

bstr

ate

type

(Nat

iona

l Res

earc

h C

ounc

il, 1

999)

.

Thes

e m

etho

ds a

re g

ener

ally

take

n in

to c

onsi

dera

tion

only

whe

n de

alin

g w

ith a

cir

cum

scri

bed

area

• D

ETE

CTI

ON

OF

OIL

DIS

PER

SED

WIT

HIN

TH

E W

ATE

R C

OLU

MN

Oil

in th

e w

ater

col

umn

can

be q

ualit

ativ

ely

map

ped

by c

omm

erci

al fi

sh fi

ndin

g an

d ec

hoso

unde

rs o

r by

prec

isio

n su

rvey

equ

ipm

ent.

A to

wed

fish

equ

ippe

d w

ith a

fluo

rom

eter

can

be

used

. Fur

ther

mor

e, a

mon

g la

ser s

yste

ms,

a pa

rtic

le si

ze a

naly

ser i

s cur

rent

ly in

use

; it t

akes

into

acc

ount

the

devi

atio

n of

a

lase

r ray

whi

le p

assi

ng th

roug

h a

smal

l lay

er o

f wat

er. T

his d

evia

tion

is d

irec

tly p

ropo

rtio

nal t

o th

e gr

anul

omet

ry o

f par

ticle

s sus

pend

ed in

the

anal

ysed

wat

er. I

n th

is c

ase

mor

e tr

aditi

onal

met

hods

can

be

appl

ied

as w

ell,

alth

ough

hav

ing

the

sam

e lim

its a

s abo

ve.

Acou

stic

tech

niqu

es h

ave

prov

ided

inte

rest

ing

info

rmat

ion

sinc

e th

ey h

ave

prov

ed to

be

able

to d

etec

t kno

wn

amou

nts o

f hyd

roca

rbon

plu

mes

spill

ed in

con

tain

ers.

Rece

ntly

the

use

of p

artic

ular

mas

s spe

ctro

met

ers h

as b

een

test

ed. T

hese

inst

rum

ents

, onc

e in

sert

ed in

wat

erpr

oof r

ecip

ient

s, ar

e ab

le to

ope

rate

up

to 3

0 m

eter

s of d

epth

.

• D

ETE

CTI

ON

OF

OIL

SU

NK

EN

TO

TH

E S

EA

BO

TTO

M

Det

ectio

n m

etho

ds o

f oil

on th

e se

abed

dep

end

on th

e de

pth

of th

e se

a bo

ttom

and

on

the

wat

er tu

rbid

ity.

In sh

allo

w a

nd c

lean

wat

ers t

radi

tiona

l met

hods

can

be

appl

ied:

div

ers,

traw

ling

fishi

ng n

ets,

tow

fish

es o

r rem

otel

y op

erat

ed v

ehic

les e

quip

ped

with

und

erw

ater

cam

eras

. It

coul

d be

use

ful a

lso

to w

ork

with

inst

rum

ents

abl

e to

det

ect h

ydro

carb

ons p

rese

nt in

wat

er, m

ount

ed o

n ve

hicl

es th

at o

pera

te c

lose

to th

e se

a bo

ttom

.

Con

cern

ing

the

use

of d

iver

s in

orde

r to

dete

ct a

nd m

ap h

ydro

carb

ons o

n th

e se

aflo

or, i

t is i

nter

estin

g to

poi

nt o

ut th

e po

ssib

ility

of u

sing

a g

eore

fere

nced

und

erw

ater

po

sitio

ning

syst

em b

y w

hich

the

oper

ator

is a

ble

to re

cord

latit

ude,

long

itude

and

dep

th o

f the

are

as o

f the

sea

botto

m c

over

ed b

y hy

droc

arbo

ns. O

bvio

usly

this

tech

niqu

e m

ay

be a

pplie

d on

ly w

ithin

cer

tain

bat

hym

etri

es.

The

info

rmat

ion

obta

ined

, add

ed to

the

desc

ript

ion

of th

e se

aflo

or c

hara

cter

istic

s (pe

rcen

tage

of c

over

age,

thic

knes

s of t

he h

ydro

carb

on la

yer,

etc.

) can

faci

litat

e th

e fo

llow

ing

rem

edia

tion

phas

e.

This

was

the

case

of t

he u

nder

wat

er o

pera

tions

whi

ch to

ok p

lace

afte

r the

gro

undi

ng o

f the

M/V

Kur

oshi

ma

in S

umm

er B

ay, U

nala

ska

isla

nd (A

lask

a), i

n N

ovem

ber 1

997.

Th

irty

nine

thou

sand

gal

lons

of B

unke

r C fu

el o

il w

ere

spill

ed a

long

the

inte

rtid

al zo

ne. T

he st

rong

wav

e ac

tion

toge

ther

with

the

high

tide

pus

hed

part

of t

he o

il to

the

botto

m

of th

e co

asta

l lak

e of

Sum

mer

Bay

.

The

unde

rwat

er su

rvey

has

bee

n pe

rfor

med

by

mea

ns o

f a D

ive

Trac

ker A

cous

tic N

avig

atio

n Sy

stem

(DTS

) mad

e up

of a

DTS

uni

t, on

the

dive

r's w

rist

, int

erfa

ced

with

thre

e tr

ansp

onde

rs lo

cate

d in

kno

wn

area

s of t

he se

a bo

ttom

as t

heir

pos

ition

is p

rovi

ded

by a

DG

PS. D

iver

s pro

vide

d al

l the

nec

essa

ry d

ata

in o

rder

to m

ap in

det

ail t

he se

a bo

ttom

inve

stig

ated

and

to g

uara

ntee

a p

reci

se a

nd e

ffici

ent r

emed

iatio

n ph

ase

(Mar

tin e

t al.,

200

3).

The

curr

ent u

se o

f aco

ustic

sens

ors,

alth

ough

still

exp

erim

enta

l, se

ems t

o ha

ve p

rom

isin

g fu

ture

per

spec

tives

for t

he d

etec

tion

of su

nken

hyd

roca

rbon

s.

A co

mpu

teri

sed

syst

em, k

now

n as

the

RoxA

nn sy

stem

, has

dem

onst

rate

d su

cces

sful

app

licat

ion

in m

appi

ng o

il at

diff

eren

t dep

ths.

RoxA

nn is

a h

ydro

-aco

ustic

pro

cess

or

whi

ch, w

hen

conn

ecte

d to

a st

anda

rd e

cho-

soun

der,

is a

ble

to d

iscr

imin

ate

betw

een

seab

ed m

ater

ial t

ypes

, to

anal

yse

and

map

diff

eren

ces i

n bo

ttom

text

ure

and

outp

ut th

e da

ta a

cqui

red

in a

qua

ntita

tive

form

at re

ady

for c

ompu

ter a

naly

sis.

The

syst

em c

onsi

sts o

f a F

urun

o D

GPS

(Diff

eren

tial G

eogr

aphi

cal P

ositi

onin

g Sy

stem

) and

a F

urun

o ec

hoso

unde

r with

a p

ole

mou

nted

, ove

r-th

e-si

de tr

ansd

ucer

. Thi

s req

uire

s no

addi

tiona

l wor

k th

roug

h th

e hu

ll of

the

vess

el a

nd m

ay b

e op

erat

ed a

t spe

eds o

f 15

knot

s in

unde

rwat

er su

rvey

ing.

Rox

Ann

com

pare

s the

fron

t and

rear

por

tions

of t

he e

chos

ound

er re

turn

sign

al to

giv

e el

ectr

ical

val

ues t

o te

xtur

e an

d ha

rdne

ss o

f the

seab

ed.

Una

mbi

guou

s num

eric

al R

oxAn

n da

ta a

re o

bjec

tive

and

proc

esse

d di

rect

ly in

to c

olou

r-co

ded

resu

lts a

gain

st g

eogr

aphi

cal p

ositi

on, p

rofil

ed in

eith

er 2

or 3

D (C

astle

et a

l.,

1995

).

Acou

stic

syst

ems,

such

as s

ide

scan

sona

r and

mul

tibea

m, a

re a

ble

to d

eter

min

e th

e m

orph

olog

y of

the

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bed

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som

etim

es it

s com

posi

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Alth

ough

thei

r use

for t

he a

ims

of th

is p

roje

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as b

een

dem

onst

rate

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expe

rim

enta

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el, t

he te

chno

logi

cal d

evel

opm

ent i

s cur

rent

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reat

ing

new

inst

rum

ents

whi

ch p

rovi

de im

ages

of t

he se

abed

w

ith a

reso

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n of

few

cen

timet

res.

If th

e hy

droc

arbo

n la

yer o

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e se

a be

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bur

ied

by th

e se

dim

ent t

hen

a su

b bo

ttom

pro

filer

can

be

used

in o

rder

to d

etec

t it.

This

ac

oust

ic sy

stem

is a

ble

to p

rovi

de in

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atio

n re

gard

ing

the

natu

re a

nd c

onsi

sten

cy o

f the

firs

t met

ers o

f dep

th o

f the

sea

botto

m. T

hese

aco

ustic

inst

rum

ents

hav

e th

e ad

vant

age

of d

etec

ting

hydr

ocar

bons

and

map

ping

at t

he sa

me

time

the

inve

stig

ated

are

as (U

SEPA

Oil

Prog

ram

me

Cen

ter,

2003

).

Dat

a ob

tain

ed b

y m

eans

of e

lect

roni

c in

stru

men

ts m

ust g

ener

ally

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conf

irm

ed b

y vi

sual

obs

erva

tions

and

/or b

y sa

mpl

ing

anal

ysis.

M

ain

met

hodo

logi

es c

hara

cter

istic

s for

the

dete

ctio

n an

d m

onito

ring

of s

ubm

erge

d oi

ls a

re su

mm

aris

ed in

Fig

. 1 a

nd T

ab. 1

.

F

igur

e 1:

ass

essm

ent g

uide

for t

he d

etec

tion

and

mon

itori

ng o

f sub

mer

ged

oils

(Cas

tle e

t al.,

199

5).

Fig

ure

1: a

sses

smen

t gui

de fo

r the

det

ectio

n an

d m

onito

ring

of s

ubm

erge

d oi

ls (C

astle

et a

l., 1

995)

.

Met

hodo

logy

Po

ssib

le u

se

Posi

tive

aspe

cts

Neg

ativ

e as

pect

s

Vis

ual o

bser

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ns

(shi

p, d

iver

, cam

eras

) D

etec

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of su

bmer

ged

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- wid

ely

avai

labl

e

- les

s exp

ensi

ve

met

hodo

logi

es

- lim

ited

cove

rage

- req

uire

s gro

undt

ruth

ing

Vis

ual o

bser

vatio

ns (a

ircra

ft)

Det

ectio

n of

subm

erge

d oi

l - h

igh

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- r

equi

res g

roun

dtru

thin

g

- dep

th re

stric

tions

Vis

ual o

bser

vatio

ns (R

OV

eq

uipp

ed w

ith u

nder

wat

er c

amer

as

) D

etec

tion

of su

bmer

ged

oil

- no

dept

h re

stric

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- req

uire

s gro

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ruth

ing

- lim

ited

cove

rage

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ited

by w

ave

heig

ht

and

curr

ent s

peed

Wat

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olum

n an

d bo

ttom

sa

mpl

ing

Det

ectio

n of

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with

in th

e w

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co

lum

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d on

the

seab

ed

- var

iety

of t

echn

ique

s av

aila

ble

- no

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h re

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- Rep

rese

ntat

ive

obse

rvat

ions

of t

he

impa

cted

are

a ar

e no

t pr

ovid

ed

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ited

by w

ave

heig

ht

and

curr

ent s

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Fluo

rom

eter

s D

etec

tion

of o

il w

ithin

the

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er

colu

mn

- pro

vide

mor

e pr

ecis

e in

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atio

n co

mpa

red

to a

ircra

fts e

quip

ped

with

lase

r sys

tem

s

- ope

ratio

nal e

ven

with

out s

unlig

th

- no

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h re

stric

tions

- lim

ited

cove

rage

- low

det

ectio

n ra

nge

LID

AR

fluo

rose

nsor

s D

etec

tion

of o

il w

ithin

the

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colu

mn

- pro

vide

mor

e pr

ecis

e in

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atio

n co

mpa

red

to a

ircra

fts e

quip

ped

with

lase

r sys

tem

s

- ope

ratio

nal 2

4 ho

urs a

da

y

- no

dept

h re

stric

tions

- low

det

ectio

n ra

nge

- lim

ited

cove

rage

Parti

cle

size

ana

lyse

r D

etec

tion

of o

il w

ithin

the

wat

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colu

mn

- giv

es in

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atio

n co

ncer

ning

den

sity

and

gr

anul

omet

ry o

f the

su

spen

ded

parti

cles

- nee

ds to

be

coup

led

with

an

othe

r sen

sor a

ble

to

asse

ss th

e pr

esen

ce o

f oil

- low

det

ectio

n ra

nge

- lim

ited

cove

rage

Aco

ustic

tech

niqu

es

Det

ectio

n an

d m

appp

ing

hydr

ocar

bons

on

the

seab

ed

- Cov

ers a

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e ar

ea o

f th

e se

a bo

ttom

- Pro

vide

s a

geor

efer

ence

d m

ap o

f th

e se

a bo

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- req

uire

s ext

ensi

ve g

roun

d tru

thin

g

- lim

ited

by w

ave

heig

ht

and

curr

ent s

peed

Tabl

e 1:

Mai

n m

etho

dolo

gies

for t

he d

etec

tion

and

mon

itori

ng o

f sub

mer

ged

oils

.

Ced

re -

715

rue

Alai

n C

olas

- C

S 41

836

- 292

18 B

RES

T C

EDEX

1 -

FRAN

CE

- Tιl

: 33

(0)2

98

33 1

0 10

- Fa

x : 3

3 (0

)2 9

8 44

91

38

Asso

ciat

ion

rιgie

par

la lo

i de

1901

à m

issi

on d

e se

rvic

e pu

blic

- co

ntac

t@le

-ced

re.fr

LID

AR

par

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resc

ence

/

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AR

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rose

nsor

s

PRIN

CIP

E

La fl

uore

scen

ce e

st la

pro

prié

té q

u'on

t cer

tain

es m

oléc

ules

de

ré-é

met

tre d

e la

lum

ière

, lor

squ'

elle

s son

t écl

airé

es à

des

dom

aine

s de

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ueur

d'o

nde

qui

leur

sont

pro

pres

. Lor

squ'

une

mol

écul

e es

t exc

itée

par u

n ph

oton

d'én

ergi

e , e

lle p

asse

, sel

on le

dia

gram

me

de JA

BLO

NSK

I de

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t fon

dam

enta

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à u

n ét

at e

xcité

S1

en a

bsor

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de

l'éne

rgie

. Ce

nive

au é

nerg

étiq

ue p

lus é

levé

est

inst

able

et l

a m

oléc

ule

exci

tée

reto

urne

à so

n ét

at fo

ndam

enta

l sui

vant

tro

is é

tape

s :

Fi

gure

1 :

Dia

gram

me

de Ja

blon

ski

Etap

e 1

: Un

phot

on d

'éner

gie

, iss

u d'

une

sour

ce lu

min

euse

ext

erne

(las

er o

u la

mpe

), es

t abs

orbé

par

la m

oléc

ule

qu'il

por

te d

ans l

'état

exc

ité (S

'1).

Etap

e 2

: Cet

éta

t exc

ité a

une

dur

ée d

e vi

e lim

itée.

La

mol

écul

e su

bit d

es c

hang

emen

ts d

e co

nfor

mat

ion

cont

rôlé

s en

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e pa

r son

env

ironn

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t. L'

éner

gie

de (S

'1) s

e di

ssip

e pa

rtiel

lem

ent s

oit s

ous f

orm

e de

cha

leur

soit

par d

es m

odifi

catio

ns d

e st

ruct

ure

élec

troni

que

vers

un

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(S1)

fluo

roch

rom

e d'

éner

gie

plus

faib

le q

ue l'

éner

gie

(S'1

) ini

tiale

.

Etap

e 3

: L'ém

issi

on d

'un

phot

on lu

min

eux

d'én

ergi

e re

stau

re la

mol

écul

e da

ns so

n ét

at in

itial

. Bie

n en

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u, l'

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gie

du p

hoto

n ré

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is e

st

plus

faib

le e

t sa

long

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d'o

nde

plus

gra

nde.

La lo

ngue

ur d

'ond

e d'

exci

tatio

n es

t aju

stée

à la

nat

ure

de la

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écul

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udié

e. C

e ch

oix

est f

ait à

par

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u m

axim

um d

u sp

ectre

d'ab

sorp

tion

de la

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e.

L'in

tens

ité d

u si

gnal

de

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esce

nce

se m

esur

e en

sorti

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un sp

ectro

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omèt

re a

ccor

dé su

r la

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d'o

nde

de ré

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issi

on. E

n l'a

bsen

ce d

'inte

rfér

ence

de

sign

al, o

n id

entif

ie le

s mol

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es ;

la h

aute

ur d

u pi

c do

nne

une

info

rmat

ion

quan

titat

ive.

La

fluor

omét

rie e

st u

ne m

étho

de tr

ès se

nsib

le p

our a

naly

ser d

es

com

posé

s flu

ores

cent

s ; e

lle p

erm

et d

e dé

tect

er c

es c

ompo

sés à

des

con

cent

ratio

ns tr

ès fa

ible

s et d

e m

aniè

re tr

ès sé

lect

ive.

Tou

t com

me

le sp

ectre

d'

abso

rban

ce, l

e sp

ectre

de

fluor

esce

nce

d'un

com

posé

lui e

st to

ut à

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cara

ctér

istiq

ue.

Les s

ystè

mes

de

déte

ctio

n pa

r flu

ores

cenc

e po

ssèd

ent q

uatre

élé

men

ts e

ssen

tiels

: (1

) une

sour

ce d

'exci

tatio

n, (2

) une

mol

écul

e flu

ores

cent

e, (3

) des

filtr

es

de lo

ngue

ur d

'ond

e po

ur is

oler

l'ém

issi

on e

t l'ex

cita

tion

et (4

) un

enre

gist

reur

qui

renv

oie

en so

rtie

un si

gnal

éle

ctriq

ue o

u un

e im

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ogra

phiq

ue.

La

tech

niqu

e de

LID

AR

(Lig

ht D

etec

tion

And

Ran

ging

syst

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ar fl

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scen

ce p

our dιte

cter

les h

ydro

carb

ures

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s la

colo

nne

d'ea

u a ιtι

trθs

peu

expιri

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tιe d

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mai

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us-m

arin

. Deu

x sy

stθm

es L

IDA

R o

nt ιtι dιv

elop

pι e

t tes

tι pa

r l'E

NEA

et p

ar l'

Uni

vers

itι d

'Old

enbu

rg.

• D

evel

opm

ent o

f a L

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R fl

uoro

sens

or fo

r su

bmar

ine

oper

atio

ns (E

NE

A(h

ttp:

//ww

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nea.

it/) -

ICR

AM

) •

Det

ectio

n of

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erge

d po

lluta

nts (

Uni

vers

ity o

f Old

enbu

rg -

Phys

ics D

epar

tmen

t - M

arin

e Ph

ysic

s Gro

up)

Cep

enda

nt, c

ette

mιth

ode

utili

sant

la fl

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scen

ce, l

e G

PS (G

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l Pos

ition

Sys

tem

) et l

'INS

(Ine

rtial

Nav

igat

ion

Syst

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erm

et d

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tect

er le

s hyd

roca

rbur

es e

t ceu

x-ci

aya

nt

des s

pect

res d

iffιre

nts,

il es

t pos

sibl

e d'

iden

tifie

r le

cont

amin

ant.

De

plus

, le

prin

cipe

de

diff

usio

n de

Ram

an d

onne

une

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rmat

ion

sur l

'ιpai

sseu

r de

la n

appe

. Les

systθm

es

LID

AR

peu

vent

κtre

pos

ition

nιs ΰ

bor

d d'

avio

ns o

u de

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eaux

et ι

gale

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t sur

des

RO

V, c

e qu

i per

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de

palli

er a

ux li

mita

tions

de

la tr

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issi

on d

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ux c

arac

tιris

tique

s op

tique

s sou

s-m

arin

es. S

ubm

ersi

ble

jusq

u'ΰ

300m

de

prof

onde

ur, l

eur g

amm

e de

dιte

ctio

n se

situ

e en

tre 2

0 et

30m

. Cet

te te

chni

que

dem

ande

enc

ore

des e

ffor

ts si

gnifi

catif

s de

dιve

lopp

emen

t pou

r atte

indr

e un

e in

terp

rιtat

ion

fiabl

e de

s sig

naux

obt

enus

ava

nt d

e pa

sser

ΰ u

n m

ode

opιra

tionn

el.

Mét

hodo

logi

e: L

imita

tions

et b

ruits

de

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Met

hodo

logy

: Lim

itatio

ns a

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ackg

roun

d le

vels

Vers

ion

fran

çais

e un

ique

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t

Les c

ompo

sant

s les

plu

s sol

uble

s pré

sent

s dan

s les

hyd

roca

rbur

es so

nt le

s aro

mat

ique

s lég

ers r

egro

upés

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s la

fam

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des B

TEX

(Ben

zène

, Tol

uène

, Et

hylb

enzè

ne e

t Xyl

ène)

. Cep

enda

nt, c

es m

oléc

ules

sont

aus

si le

s plu

s vol

atile

s et s

ont c

apab

les d

'être

dét

ecté

s en

cas d

e vi

eilli

ssem

enta

vant

la c

oulé

e du

pé

trole

.

Lors

du

proc

essu

s de

viei

lliss

emen

t d'u

n pé

trole

, les

com

posé

s les

plu

s sol

uble

s d'u

n pé

trole

, mai

s éga

lem

ent l

es p

lus l

éger

s, di

spar

aiss

ent r

apid

emen

t. Il

rest

e al

ors d

es c

ompo

sés a

rom

atiq

ues q

ui so

nt le

s com

posé

s pot

entie

llem

ent l

es p

lus t

oxiq

ues (

toxi

cité

aïg

ue, e

ffet

mut

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es h

ydro

carb

ures

ar

omat

ique

s pol

ycyc

lique

s (H

AP)

sont

des

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posé

s for

tem

ent h

ydro

phob

es e

t, da

ns la

col

onne

d'ea

u de

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viro

nnem

ent m

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, ils

se tr

ouve

nt a

ssoc

iés

maj

orita

irem

ent a

ux m

atiè

res e

n su

spen

sion

(MES

) et l

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trole

peu

t alo

rs to

mbe

r au

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. Il e

st d

onc

néce

ssai

re d

e po

uvoi

r dét

ecte

r ces

HA

P.

Des

con

cent

ratio

ns d

e ré

fére

nce

pour

les H

AP

dans

l'ea

u de

mer

en

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s hau

turiè

res (

pris

tines

) ont

été

pro

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es e

t ado

ptée

s par

la C

onve

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n O

SPA

R

(Con

vent

ion

d'O

slo

et d

e Pa

ris p

our l

a pr

éven

tion

de la

pol

lutio

n m

arin

e).

�

Tab

leau

1: F

ourc

hette

s des

tene

urs a

mbi

ante

s de

HA

P sé

lect

ionn

és d

ans l

es e

aux

supe

rfic

ielle

s (en

ng/

L) à

util

iser

dan

s les

régi

ons s

péci

fique

s de

la

Tab

leau

1: F

ourc

hette

s des

tene

urs a

mbi

ante

s de

HA

P sé

lect

ionn

és d

ans l

es e

aux

supe

rfic

ielle

s (en

ng/

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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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