Les images satellites montrent que la couleur de l'eau du lagon de la Côte Est de la Nouvelle-Calédonie est susceptible d'être impactée par d'importants apports des importants bassins versants miniers, ce qui différencie ce lagon de celui de la côte Ouest, à dominance corallienne et oligotrophe. Sur cette côte, la turbidité et également la MODC (Matière Organique Dissoute Colorée), interfèrent avec l'estimation de la chlorophylle satellite. Par ailleurs, ces apports terrestres sont susceptibles de perturber l'équilibre lagonaire, et d'altérer la santé et la productivité primaire des eaux de la Côte Est. L'objectif des campagnes CALIOPE (CALedonian OPtical properties of the East coast of New Caledonia) était de mesurer les propriétés optiques des eaux du lagon Est, de valider les algorithmes de correction des images de chlorophylle de surface du lagon, et au final, d'estimer les flux de matière terre-lagon-océan. Cette deuxième campagne CALIOPE 02 en mars 2014 complétait les mesures optiques effectuées sur la Côte Ouest au cours de précédents projets VALHYBIO/VALHYSAT/TREMOLO ainsi qu'une première campagne CALIOPE 01 en période de calmes et oligotrophe en octobre 2011.
La campagne CALIOPE 2 (07/03/2014 - 22/03/2014) nous a permis de collecter des mesures de couleur de l'eau, dans le Lagon Est de la Nouvelle-Calédonie, dans des zones impactées par les activités d'extraction minières en amont des rivières et embouchures. Une série de 13 transects de quatre stations partant des baies vers l'océan à travers les principales passes coralliennes, a permis de couvrir l'ensemble du lagon en partant du sud (Yaté, 22.15°, 166.95'°E) vers le nord (Ouaième, 20.65°S, 164.85°E). Ont été mesurés les coefficients d'absorption et de rétrodiffusion des particules minières et phytoplanctoniques in situ (AC9, HYDROSCAT-6) et par spectrophotométrie des particules (PSICAM, QFT-ICAM, BECKMAN DU-600), ainsi que les coefficients d'absorption de la CDOM (matière organique dissoute chromophorique) (QFT-ICAM, et LWCC), et de sa fluorescence (spectres excitation/émission HITACHI-5000). Etaient également mesurés le DOC et DON (carbone et azote organique dissous après filtration 0.2 µm), les concentrations en pigments (fluorimétrie, phycoérythrine et pigments HPLC), la composition du picoplancton (cytométrie en flux), et le contenu en carbone/azote particulaire (POC/PON) et les sels nutritifs (résumé des paramètres Tableau 1).
Les différents instruments optiques furent utilisés successivement à chaque station (http://nouvelle-caledonie.ird.fr/toute-l-actualite/actualites/la-couleur-de-l-eau-indicateur-de-sante-des-lagons, et http://nouvelle-caledonie.ird.fr/toute-l-actualite/sciences-en-direct. Les mesures ont été faites avec un profileur (SATLANTIC HYPERPRO-II), un spectroradiomètre en dérive (TRIOS-RAMSES) avec références "Pont" (Figure 1).
Des mesures de transmittance de l'atmosphère ont été faites par le SIMBADA 12 canaux. La campagne a réuni une dizaine de scientifiques du M.I.O.-IRD, avec 5 chercheurs embarqués, dont un professeur de la SCRIPPS Institution of Oceanography, un chercheur du CNRS (Laboratoire Optique de Villefranche sur Mer), et un chercheur du HZE de Hambourg (Institut allemand de recherche côtière). A terre, CALIOPE 02 a bénéficié de la collaboration du responsable développement couleur de l'eau de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) et du responsable de la spectrofluorimétrie du M.I.O. Une étudiante de master 2 de l'équipe de télédétection de l'Institut National des Pêches du Bresil réalisait la campagne, en formation.
Principaux résultats obtenus (avec quelques illustrations)
Les résultats marquants de la série de 13 transects du sud (Yaté) au nord du lagon Est (Hienghène), selon un schéma identique à celui de CALIOPE 01, i.e. de l'embouchure des rivières ou des baies vers l'océan du large, en traversant les principales passes coralliennes ont été les augmentations d'un facteur 2 de la turbidité et de la chlorophylle dans la zone centrale du lagon Est correspondant à des dessalures le long des 11 sites d'extraction minière et agricole (Figure 2a). Ces augmentations sont une réponse à une action de remise en suspension suite aux vents forts (alizés soutenus de 25 noeuds) et apports lagonaires accrus causés par les pluies intermittentes (Dupouy et al., 2014 ; Favareto et al., 2018, pour la turbidité Figure 2b).
Les réflectances de surface mesurées par le TRIOS indiquent le changement graduel des spectres d'eau turbides et riches dans les baies (Figure 3a) vers les spectres d'eaux oligotrophes du large, avec une augmentation nette de la réflectance Rrs555 (Figure 3b) dans la partie centrale du lagon, indicatrice d'une forte rétrodiffusion (phytoplanctonique et détritique).
Au niveau méthodologique, la campagne a permis de tester une sphère intégrante prototype (le QFT-ICAM) permettant de mesurer sucessivement sur la même sphère l'absorption de la CDOM et celle de particules sur filtres (par comparaison avec les mesures classiques de laboratoire sur filtres ou par LWCC (Röttgers et al., 2016, Optics Express). Ces propriétés optiques des eaux de mer (coefficients d'absorption, rétrodiffusion) ont été utilisées pour tester les algorithmes empiriques pour la chlorophylle MODIS (« OC4, CO3, algorithmes NASA Ocean Colour 4 et 3 pour MODIS » et semi-analytiques (GSM, QAA, GIOP, LMI) utilisés couramment par la NASA pour produire les produits de niveau L2 (chlorophylle, turbidité, CDOM) en utilisant les réflectances marines du TRIOS et du SATLANTIC. Les résultats s'écartent assez fortement des droites de régression attendues pour la chlorophylle, qui apparaît fortement surestimée dans les baies et sous-estimée au large (Favareto et al., 2018 ; Remote sensing, numéro spécial Couleur de l'eau, Figure 4).
Par ailleurs, le coefficient d'absorption (détritus+ CDOM) (Figure 5), et le coefficient de rétrodiffusion (bien relié à la turbidité) sont correctement estimés dans le lagon Est (Favareto et al., 2018, Figure 6).
La turbidité est aussi correctement estimée dans le lagon Est (Favareto et al., 2018, Figure 7).
Enfin, les chlorophylles de surface de CALIOPE 02 ont permis (ajoutées à la base optique Nouvelle-Calédonie 2000-2014) de développer un algorithme spécifique destiné à estimer la chlorophylle quelle que soit la profondeur ou la couleur des fonds, minimisant les effets perturbateurs de la forte turbidité côtière et destiné à l'ensemble du lagon calédonien. Pour ce faire, une méthode innovante a été utilisée de type SVR (Support Vecteur Machine) (Wattelez et al., 2016, Remote Sensing, Figure 8). La fonction SVR choisie est une combinaison idéale de canaux et rapports de canaux permettant de réduire de 30% l'erreur sur la concentration en chlorophylle, en comparaison du polynôme couramment utilisé OC4 ou OC3.
Concernant la matière organique dissoute colorée, les analyses effectuées par spectrofluorimétrie et traitées par la méthode PARAFAC (Progmeef, U. Toulon) sur les eaux de la Côte Est ont permis d'identifier quatre fluorophores avec deux tyrosine-like, un humic-like marin possédant des distributions différentes dans le lagon, et un tryptophane-like identifié à proximité des zones coralliennes (Martias et al., 2018 ; Dupouy et al., en révision).
Une troisième campagne CALIOPE 03 a été ensuite réalisée en période de forte pluie. Ces trois situations contrastées nous ont permis de rédiger un article de synthèse de toutes les données récoltées pendant les trois campagnes CALIOPE (chimie, biogéochimie, spectrofluorimétrie, cytométrie en flux et réflectances), actuellement en révision pour le numéro spécial Frontiers Biogeochemical Responses of Tropical Ecosystems to Environmental Changes).
