Les changements climatiques transforment le monde en océans de manière à dépasser le niveau de la mer et le blanchiment des coraux. Parmi les transformations moins visibles mais moins critiques sur le plan opérationnel, on peut citer l'altération de la propagation sonore sous-marine.Les systèmes de sonar de la marine, les sonoristes commerciaux et les hydrophones de recherche reposent tous sur la transmission précise et prévisible des signaux acoustiques à travers la colonne d'eau.

La physique du sonar et de la propagation sonore sous l'eau

Sonar, acronyme de SO[und NA[vigation et Rangage—fonctionne en émettant des impulsions acoustiques et en analysant leurs échos pour détecter et localiser des objets.La performance de tout système sonar est régie par le comportement du son dans l'eau de mer, qui dépend de trois variables primaires : température, salinité et pression (profondeur).Ces facteurs déterminent le profil de vitesse sonore (SSP), un gradient vertical de vitesse sonore qui dicte la façon dont les rayons acoustiques se plient et se déplacent.

Le son se déplace plus rapidement dans l'eau plus chaude, plus salée et plus haute pression. Généralement, la vitesse du son augmente avec la profondeur en raison de la pression croissante, mais la température et la salinité peuvent créer des couches où la vitesse du son augmente ou diminue. Ces couches peuvent former des canaux sonores – des régions où l'énergie acoustique est piégée et peut se propager sur des centaines, voire des milliers de kilomètres.

Toute perturbation de l'équilibre température-salinité-pression naturelle modifiera le profil de vitesse sonore, pourrait affaiblir ou déplacer ces canaux naturels. Comprendre ces changements est essentiel pour prédire la performance du sonar dans un océan qui se réchauffe.

Comment le changement climatique modifie les conditions océaniques en ce qui concerne la propagation sonore

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) signale que l'océan mondial a absorbé plus de 90 % de l'excès de chaleur résultant du réchauffement anthropique depuis les années 70.

  • Les températures de surface de la mer qui augmentent: Les couches supérieures de l'océan se réchauffent plus rapidement que les strates plus profondes, ce qui abaisse le gradient de température dans de nombreuses régions.
  • La fonte de la glace :[ L'augmentation de l'eau de fonte des glaciers et des calottes polaires réduit la salinité de surface, particulièrement dans l'Arctique et autour du Groenland.
  • Changements dans la stratification :[ Les eaux de surface plus chaudes et plus fraîches créent un océan supérieur plus stable et stratifié, affectant le mélange et la distribution verticale de la température et de la salinité.
  • Affectation de l'océan: Les niveaux croissants de CO2 diminuent le pH, ce qui peut influencer l'absorption du son à basse fréquence dans l'eau de mer, bien que l'effet soit secondaire à la température et à la salinité.

Ces changements ne sont pas uniformes : certaines régions, comme l'Arctique, connaissent des changements spectaculaires, tandis que d'autres, comme les tropiques, connaissent un réchauffement plus progressif mais persistant. Le résultat net est une réévaluation globale des profils de vitesse acoustique, avec des variations locales importantes.

L'océan chaud et son effet direct sur la vitesse sonore

Depuis le début du XXe siècle, les températures de surface de la mer ont augmenté d'environ 0,13°C par décennie, avec des décennies récentes qui ont montré un réchauffement accéléré. Depuis que la vitesse du bruit dans l'eau de mer augmente d'environ 4,0 à 4,5 m/s pour chaque élévation de 1°C (à des températures océaniques typiques), un réchauffement de surface soutenu de 1 à 2°C peut entraîner une augmentation notable de la vitesse du son dans les couches supérieures.

Dans les régions où la couche mixte est peu profonde, un gradient proche de la surface plus fort peut provoquer une réfraction plus descendante des faisceaux sonar, réduisant ainsi la plage efficace de propagation à la surface. Inversement, dans les régions où se forment des couches de température inversion, le son peut être piégé dans un conduit de surface, allongeant les distances de transmission.

Changements de salinité par suite de la fonte des glaces et des précipitations modifiées

Les modèles climatiques prévoient que les océans à haute latitude deviendront plus frais en raison de l'augmentation des ruissellements dus à la fonte des glaciers et des calottes glaciaires, ainsi que des changements dans les modèles de précipitations. Par exemple, le Gyre de Beaufort dans l'Arctique a accumulé un grand volume d'eau douce provenant de la fonte des glaces de mer et de l'afflux de rivières.

Ce rafraîchissement crée souvent une forte halocline, forte pente de salinité avec profondeur, qui peut servir de barrière à la transmission du son. Les ondes acoustiques qui traversent une telle halocline peuvent subir une réflexion partielle et une réfraction, entraînant une perte de signal ou une interférence multipathale.

Impact sur les profils de vitesse sonore et la propagation acoustique

Dans l'Atlantique Nord, par exemple, les modèles montrent que l'axe du canal sonore est moins profond dans certaines régions, alors que le haut de l'océan se réchauffe plus rapidement que l'océan profond. Un axe moins profond signifie que l'énergie acoustique est piégée à une profondeur plus élevée, ce qui peut réduire la portée de détection des sous-marins plongeurs profonds ou augmenter la portée des navires de surface, selon la profondeur de la source et du récepteur.

Dans un monde de réchauffement, la profondeur critique peut devenir plus variable, affectant la communication acoustique et la navigation à longue distance. Des recherches publiées dans Rapports scientifiques ont démontré que le gradient de vitesse sonore dans les 500 mètres supérieurs du Pacifique oriental s'est renforcé au cours des 30 dernières années, ce qui a entraîné une réfraction plus prononcée vers le bas des faisceaux sonar (Dushaw et Worcester, 2020.

De plus, la présence d'ondes internes, qui se propagent le long des interfaces de densité, peut être intensifiée par une stratification accrue, qui entraîne des fluctuations rapides de la température et de la salinité, créant une variabilité à grande échelle de la vitesse sonore.

Amplification de l'Arctique : le cas le plus dramatique

Aucune région n'illustre plus l'impact acoustique des changements climatiques que l'Arctique. L'Arctique se réchauffe à près de quatre fois la moyenne mondiale, un phénomène connu sous le nom Amplification arctique.L'étendue de la glace de mer a diminué d'environ 13 % par décennie depuis les années 1970, et la glace restante est plus mince et plus jeune.

  1. Nuisance ambiante accrue:[ L'eau libre permet aux vagues et aux tempêtes générées par le vent de créer des niveaux de bruit de fond plus élevés, masquant les signaux sonar dans la gamme de fréquences de 100 Hz à 10 kHz.
  2. Modifications de la propagation :[ L'enlèvement de la verrière élimine le gradient de vitesse acoustique à réfraction ascendante que l'on retrouve habituellement sous la glace. En hiver, l'eau de surface froide (souvent sous le gel) crée une forte condition de réfraction descendante qui peut améliorer les plages de détection pour le son à basse fréquence.

Des études récentes utilisant la tomographie acoustique océanique ont montré que les caractéristiques de transmission du son sous la glace de recul changent plus rapidement que les modèles prévus. La mer de Beaufort, par exemple, a connu une augmentation de 30% de la perte de transmission pour les signaux de 1 kHz au cours des deux dernières décennies, principalement en raison de la modification des profils de vitesse acoustique dans les 100 mètres supérieurs (Ballard et al., 2022].

Incidences sur la détection des sonars et sous-marins de la marine

Les systèmes sonar militaires, qu'ils soient montés sur la coque, remorqués ou sonoboulés, dépendent de connaissances environnementales précises pour estimer les plages de détection et les taux de fausses alarmes.

  • La réduction des plages de détection dans les conduits de surface: La chaleur de la couche mixte peut augmenter la vitesse du son à la surface, réduisant la profondeur du conduit de surface.
  • Les zones de convergence – zones où le son réfracté revient à la surface – peuvent changer de portée et de largeur au fur et à mesure que le canal sonore change. Par exemple, la première zone de convergence peut passer de sa plage typique de 30 à 35 km à 25 à 40 km, ce qui complique la localisation des cibles.
  • La difficulté accrue du sonar passif :[ Les changements du bruit ambiant (dus à la navigation, au vent et aux sources biologiques) et les chemins de propagation modifiés rendent plus difficile la classification des signatures acoustiques.

Ces défis ne sont pas hypothétiques.Le U.S. Navy , Bureau of Naval Research, a financé plusieurs expériences sur le terrain, comme le , pour recueillir des données en temps réel sur l'évolution des profils de vitesse acoustique et les intégrer dans les aides à la décision tactique.

Applications commerciales et de recherche : Sondes d'écho et Acoustique de la pêche

Au-delà des opérations navales, la pêche commerciale et la recherche océanographique reposent sur des sondes d'écho et des sonars multifaisceaux pour l'évaluation des stocks, la cartographie des fonds marins et les relevés des colonnes d'eau. Les changements de vitesse acoustique influent directement sur la précision des mesures de profondeur et des estimations de biomasse des poissons.

Pour l'acoustique des pêches, la force cible du poisson, dont la plus grande partie du bruit incident est reflétée, dépend également de la température. Des études sur la morue atlantique ont montré que la force cible peut varier de 1 à 2 dB par °C en fonction de la température de l'eau ( Simmmonds et MacLennan, 2005.

Stratégies d'adaptation et réponses technologiques

La communauté sonar élabore activement des méthodes pour maintenir la performance dans un océan en évolution, qui se divisent en trois catégories : surveillance environnementale, traitement adaptatif des signaux et conception robuste des systèmes.

Caractérisation en temps réel de l'environnement

La prévision précise des performances du sonar exige une connaissance à jour du profil de vitesse sonore. L'intégration des capteurs océanographiques – profileurs de température, de salinité et de pression (CTD) – avec des plates-formes sonar devient standard. Les véhicules sous-marins autonomes (AUV) et les planeurs équipés de modems acoustiques peuvent fournir des profils verticaux fréquents sur une zone d'opération.

La télédétection par satellite de la température de surface de la mer et de l'altimétrie peut également déduire la structure de la subsurface par des relations statistiques. Par exemple, le projet NASA ECCO (Estimation de la circulation et du climat de l'océan) produit des estimations de l'état global de l'océan qui peuvent être utilisées pour conduire des modèles de propagation acoustique.

Traitement adaptatif des signaux

Si le système détecte un gradient abrupt causant une réfraction descendante excessive, il peut diriger le faisceau vers le haut ou passer à une autre fréquence qui pénètre plus efficacement la couche. Les algorithmes d'apprentissage de la machine sont formés pour reconnaître les changements de patrons dans la réverbération et les arrivées multipathes, permettant au système de classer si une cible apparaît améliorée ou diminuée par le nouveau SSP.

Une autre approche prometteuse est le traitement en champ apparié (MFP), qui utilise un modèle de l'environnement acoustique pour faire correspondre les signaux reçus aux arrivées prévues. Au fur et à mesure que l'environnement change, le MFP exige une mise à jour régulière du modèle de propagation. L'assimilation des données en temps réel rend possible cette application, et les systèmes expérimentaux ont démontré une localisation robuste même dans des conditions arctiques très variables (Bukhari et Gerstoft, 2021.

Conception robuste du système

Pour les installations à long terme, comme les capteurs de fond, les systèmes de guidage de torpilles ou les planeurs océaniques à ondes, les appareils doivent être conçus pour fonctionner dans des conditions de propagation plus variées, notamment en sélectionnant des matériaux transducteurs à réponse plus étendue en fréquence, en intégrant plusieurs réseaux pour les opérations de plongée et de surfaçage et en utilisant des modems acoustiques de faible puissance qui adaptent leur débit de données en fonction de la capacité du canal.

Priorités futures de recherche

Bien que la communauté scientifique ait fait des progrès considérables dans la compréhension des impacts climatiques sur la propagation de la maladie, d'importantes lacunes subsistent.

  • Observations de latitude élevée:[ L'océan Arctique demeure sous-échantillonné pour les mesures acoustiques à long terme.
  • Feedback biologique: L'acidification des océans modifiant les caractéristiques d'absorption acoustique de l'eau de mer (en particulier pour les sons à basse fréquence), et à mesure que les mammifères marins changent leurs gammes et leurs vocalisations, l'environnement acoustique global devient de plus en plus complexe.
  • Effets combinés: La plupart des modèles traitent séparément la température, la salinité et le pH. Des modèles intégrés qui simulent les trois simultanément, ainsi que des modèles océaniques dynamiques, amélioreront la fidélité de la prédiction.
  • Prévisions océaniques en double : Des centres opérationnels comme les Marines américaines Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center se déplacent vers des systèmes de prévision océanique en couple qui fournissent des cartes quotidiennes des contours de performance sonar pour les commandants de flotte.

Une revue récente dans Frontiers in Marine Science souligne que le besoin le plus critique n'est pas seulement plus de données, mais de meilleures méthodes d'assimilation des données qui peuvent mettre à jour rapidement les modèles dans les régions où les données sont transmises.

Conclusion

La hausse des températures de la mer, l'adoucissement des latitudes, l'augmentation de la stratification et le recul des glaces modifient systématiquement les profils de vitesse acoustique qui définissent les performances du sonar. Les forces navales, les expéditeurs commerciaux et les instituts de recherche doivent s'adapter en déployant des capteurs environnementaux en temps réel, en développant le traitement adaptatif des signaux et en investissant dans des modèles océan-acoustiques intégrés. Les océans du 21e siècle sonneront différents de ceux du 20e siècle. La compréhension et l'anticipation de ces changements sont essentielles pour maintenir des opérations sous-marines sûres et efficaces dans un monde qui se réchauffe rapidement.