Concepts fondamentaux en optique hydrologique

Liste des tableaux
liste des figures
Chapitre 1 Introduction générale
1.1 Introduction
1.2 Concepts fondamentaux en optique hydrologique
1.2.1 Le rayonnement solaire et rayonnement photosynthétiquement actif (PAR)
1.2.2 Les propriétés optiques apparentes et inhérentes (AOP etIOP)
1.2.3 Les composantes optiquement actives
1.3 Sujets spécifiques d’optique hydrologique
1.3.1 La transmission de la lumière sous l’eau
1.3.2 La couleur de l’eau (le rayonnement qui sort de l’eau)
1.3.3 Les modèles de transfert radiatif.
1.4 Description des sites d’étude
1.4.1 Les mares thermokarstiques
1.4.2 Le lac Saint-Charles
1.4.3 Le lac Saint-Augustin
1.5 Organisation de la thèse
Chapitre 2 Optical diversity of thaw ponds in discontinuous permafrost: a model system for water color analysis
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 Materials and methods
2.4.1 Study site and field sampling
2.4.2 Limnological variables
2.4.3 Apparent optical properties (AOPs)
2.4.3.1 Within water AOPs
2.4.3.2 Above-water AOPs
2.4.3.3 CIE L*a*b* color coordinates
2.4.4 Inherent optical properties (IOPs)
2.4.4.1 Absorption coefficient of colored dissolved organic matter
2.4.4.2 Absorption coefficients of suspended particulate matter
2.4.4.3 AC-S measurements
2.4.4.4 Absorption coefficient of fine particles
2.4.4.5 Validation of AC-S related measurements
2.4.5 Remote sensing analysis
2.4.6 Statistical analyses
2.5 Results
2.5.1 Ambient conditions
2.5.2 AOPs
2.5.3 IOPs
2.5.3.1 Absorption coefficient of colored dissolved organic matter
2.5.3.2 Absorption coefficient of non-algal particles
2.5.3.3 Absorption coefficient of algal particles
2.5.3.4 Absorption coefficient of fine particles
2.5.3.5 Total absorption
2.5.3.6 Scattering
2.5.4 Remote sensing analysis
2.6 Discussion
2.6.1 Limnological conditions
2.6.2 Above-water AOPs and color coordinates
2.6.3 IOPs
2.6.3.1 Absorption coefficient of colored dissolved organic matter
2.6.3.2 Absorption coefficient of non-algal particles
2.6.3.3 Absorption coefficient of algal particles
2.6.3.4 Absorption coefficient of fine particles
2.6.3.5 Total absorption
2.6.3.6 Scattering
2.6.4 Remote sensing analysis
2.7 Conclusions
2.8 Acknowledgements
Chapitre 3 Light attenuation in a drinking water reservoir: photon budget estimation and the importance of abiotic factors
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Methods
3.4.1 Study site and limnological conditions
3.4.2 Apparent optical properties (AOPs)
3.4.3 Laboratory analyses of limnological variables
3.4.4 Inherent optical properties (IOPs)
3.4.4.1 Absorption coefficient of colored dissolved organic matter
3.4.4.2 Absorption coefficients of suspended particulate matter
3.4.4.3 AC-S measurements
3.4.5 Photon budget calculation
3.5 Results
3.5.1 Limnological variables
3.5.2 AOPs
3.5.3 IOPs
3.5.3.1 Absorption coefficients of colored dissolved organic matter
3.5.3.2 Absorption coefficients of suspended particulate matter
3.5.3.3 Scattering coefficients
3.5.4 Photon budget calculations
3.6 Discussion
3.6.1 IOPs and specific characteristics of optically active components
3.6.1.1 Colored dissolved organic matter
3.6.1.2 Non-algal particles
3.6.1.3 Algal particles
3.6.1.4 Fine particles
3.6.1.5 Scattering coefficients
3.6.2 Photon budget calculation
3.6.2.1 Vertical attenuation of PAR
3.6.2.2 Contributions to PAR attenuation
3.6.2.3 Seasonal dynamics of PAR attenuation
3.6.2.4 Attenuation by water
3.6.2.5 Application of the photon budget approach
3.6.2.6 Estimation of average cosine and back scattering ratio
3.7 Conclusions
3.8 Summary of the notation used in this article
Chapitre 4 Optical closure in a shallow urban lake: steps toward modeling of remote sensing reflectance in optically complex inland waters
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Materials and Methods
4.4.1 Study site and field sampling
4.4.2 Apparent optical properties (AOPs)
4.4.3 Limnological variables
4.4.4 Inherent optical properties (IOPs)
4.4.4.1 Absorption coefficient of colored dissolved organic matter
4.4.4.2 Absorption coefficients of suspended particulate matter
4.4.4.3 AC-S measurements
4.4.5 Radiative transfer modeling (RTM)
4.5 Results
4.5.1 Ambient conditions and IOPs
4.5.2 Optical closure
4.6 Discussion
4.6.1 Limnological conditions
4.6.2 IOPs for optically active components
4.6.3 Optical closure
4.6.4 Uncertainties in IOP measurements
4.6.4.1 Near-infrared absorption
4.6.4.2 Null point correction of quantitative filter technique (QFT)
4.6.4.3 The path length amplification factor
4.6.4.4 The absorption coefficient of fine particles
4.6.4.5 Future improvement opportunities of particulate absorption easurements
4.6.5 Importance of fluorescence estimations on the RTM
4.7 Conclusions
Chapitre 5 Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe 1 Error analyses for optical measurements
Al.l Introduction
A1.2 Methods
Al.2.1 Varian Cary 100 bench-top spectrophotometer
Al.2.2 WET Labs AC-S in situ spectrophotometer
Al.2.3 Satlantic radiometer system
Al.3 Results and discussion
AI.3.1 Varian Cary 100 bench-top spectrophotometer
Al.3.2 WET Labs AC-S in situ spectrophotometer
Al.3.3 Satlantic radiometer system
Annexe 2 Particle size distribution analysis of thaw ponds
A2.1 Introduction
A2.2 Methods
A2.3 Results and discussion
A2.4 References
Annexe 3 The pathlength amplification factor (beta factor) for the quantitative filter technique
A3.1 Introduction
A3.2 Methods
A3.2.1 The quantitative filter technique
A3.2.2 WET Labs AC-S analysis
A3.3 Results and discussion
A3.4 References

Le rayonnement solaire et le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR)

Le rayonnement solaire est la première source d’énergie des écosystèmes aquatiques (Falkowski et Raven 2007; Kirk 1994); les propriétés de la lumière dans l’eau sont donc essentielles à une bonne compréhension de leur structure et de leur fonction. Le rayonnement solaire à la surface de la Terre s’étend sur une large gamme spectrale (Fig. 1.1). Le pic de rayonnement solaire se produit dans la zone allant de 400 à 700 nm et constitue 45 % de l’éclairement total atteignant la surface de la Terre (Falkowski et Raven 2007; Kirk 1994; Mobley 1994). Cette zone, correspondant à la gamme des longueurs d’onde perçues par l’œil humain, a des implications particulièrement importantes pour l’optique hydrologique. En effet, les organismes photosynthétiques utilisent cette portion de longueurs d’onde pour la production primaire, c’est pourquoi elle est appelée le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR). Cette gamme a également été utilisée par de nombreux systèmes de télédétection satellitaire (IOCCG 1998). Ainsi, la majorité des recherches en optique hydrologique se concentrent sur la distribution temporelle, verticale et spectrale du PAR dans les écosystèmes aquatiques.

Les propriétés optiques apparentes et inhérentes (AOP et IOP)

Deux grandes classes de variables optiques sont utilisées pour caractériser la lumière dans l’eau: les propriétés optiques apparentes (AOP) et les propriétés optiques inhérentes (IOP). Les AOP sont dépendantes à la fois des caractéristiques du milieu et des conditions de lumière ambiantes (par ex. de la distribution angulaire des photons incidents, ce qui est le cas de la lumière solaire). Il s’agit notamment de variables telles que la réflectance spectrale détectée à distance (Rrs(X)). En revanche, les IOP sont ainsi nommées puisqu’elles sont inhérentes au milieu et indépendantes de la lumière ambiante. Elles sont mesurées pour un faisceau de photons parallèles généré instrumentalement (collimated beam). Elles comprennent les coefficients d’absorption spectrale (a(X)), les coefficients de diffusion spectrale (b(X)), et les coefficients d’atténuation spectrale d’un faisceau (c(X)).

Définir les variations verticales et spectrales de ces paramètres est nécessaire pour la modélisation du transfert radiatif et pour caractériser les composantes optiquement actives dans la colonne d’eau (Kirk 1994; Mobley 1994).

La transmission de la lumière sous l’eau

La transparence de l’eau et ses facteurs de contrôle sont une partie importante des études en eaux douces depuis les débuts de la limnologie (Kalff 2002; Wetzel 2001). Les progrès technologiques récents ont permis de mesurer l’éclairement de façon plus détaillée en fonction de la longueur d’onde et de la profondeur de la colonne d’eau (Lewis 2008; Roesler and Boss 2008). L’éclairement descendant (Ed(X)) est la variable la plus couramment mesurée et son extinction verticale est quantifiée comme le coefficient d’atténuation diffuse (Kd(X); Lewis 2008). Cette valeur pour le PAR (Kd(PAR)) est particulièrement importante dans les études d’écologie aquatique, car le coefficient décrivant la lumière disponible pour la photosynthèse à chaque profondeur de la colonne d’eau est utilisé pour définir la limite verticale de la production primaire (Kalff 2002; Kirk 1994). Il peut également être utilisé pour calculer le budget calorifique des plans d’eau (Caplanne et Laurion 2008; Morel et Antoine 1994; Patterson et Hamblin 1988). Le coefficient Kd(PAR) peut être subdivisé en composantes optiquement significatives dans la colonne d’eau (Kirk 1994; Mobley 1994), afin de connaître la contribution proportionnelle de chacune des composantes et déterminer les principaux facteurs contrôlant l’atténuation spectrale.

La couleur de l’eau (le rayonnement qui sort de l’eau)

Une fraction du rayonnement entrant dans la colonne d’eau est réfléchie vers l’atmosphère. Cette portion de la lumière visible (PAR) réfléchie est perçue comme étant la couleur de l’eau par l’œil humain, et elle peut être quantifiée par des capteurs optiques comme la réflectance détectée à distance (Rrs(X)). Cette dernière est de plus en plus utilisée pour estimer les caractéristiques biologiques et biogéochimiques des eaux naturelles (IOCCG 1998). Dans les systèmes océaniques, la relation entre Rrs(X) et les caractéristiques biologiques de la colonne d’eau a été largement étudiée, et des modèles robustes ont été développés (IOCCG 1998). Cependant, ces modèles ont surtout été utilisés pour estimer les concentrations en Chi a dans les systèmes océaniques, et ils ont été appliqués pour des estimations biogéochimiques à l’échelle mondiale (par ex., Arrigo et al. 2008; Morel 1991).

Dans les eaux continentales optiquement complexes et les plans d’eau côtiers, ces relations sont encore mal comprises, et le développement d’un modèle robuste universellement applicable est difficile en raison de la diversité des conditions optiques (Bukata et al. 1995; IOCCG 2000). Les modèles développés et adaptés localement se révèlent cependant être des outils de plus en plus utiles pour les zones côtières et pour la gestion des ressources en eaux continentales, où ils ont été appliqués avec succès pour estimer les concentrations en Chi a (Oyama et al. 2009; Tyler et al. 2006), la phycocyanine (Simis et al. 2005), et l’abondance en matières particulates en suspension (Li et al. 2003). Ces études sont à leurs débuts, et l’extension à un plus large éventail de conditions est encore nécessaire.

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