Les capteurs de matière organique dissoute colorée (CDOM) mesurent les propriétés optiques de la matière organique dissoute dans les milieux marins, côtiers, estuariens et d'eau douce. Les capteurs de matière organique dissoute fluorescente (FDOM) utilisent des mesures de fluorescence, tandis que les instruments basés sur l'absorption caractérisent la CDOM de manière plus directe.
Cette catégorie présente les fournisseurs de capteurs FDOM et CDOM destinés à la surveillance de la qualité de l’eau, à la recherche sur le cycle du carbone, à l’évaluation de la pollution, aux études sur les panaches fluviaux et à la validation de la couleur de l’océan.
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Solutions avancées de surveillance de la qualité de l'eau et de détection environnementale
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Les capteurs CDOM et FDOM permettent de mesurer par voie optique la matière organique dissoute dans les milieux marins, côtiers, estuariens et d’eau douce. Ces instruments facilitent la surveillance de la qualité de l’eau, la recherche biogéochimique, les études sur le cycle du carbone, l’évaluation de la pollution et les relevés océanographiques en détectant les signatures optiques associées à la matière organique dissoute.
La matière organique dissoute colorée (CDOM), également appelée matière organique dissoute chromophore, correspond à la fraction de la matière organique dissoute qui absorbe la lumière ; elle peut influencer de manière significative la couleur de l’eau et le champ lumineux sous-marin. La matière organique dissoute fluorescente (FDOM) correspond à la fraction fluorescente de la matière organique dissoute. Bien que les termes CDOM et FDOM soient parfois utilisés de manière interchangeable dans la terminologie des instruments, ils désignent des propriétés optiques apparentées mais distinctes.
Capteur CDOM d’AML Oceanographic.
La CDOM est fondamentalement caractérisée par l’absorption de la lumière, tandis que la FDOM est mesurée par fluorescence. Dans la pratique, de nombreux instruments désignés sous les noms de « capteur CDOM », « sonde CDOM » ou « fluorimètre CDOM » mesurent la fluorescence, car cela permet des observations in situ compactes et sensibles. Ces instruments mesurent donc le FDOM et peuvent utiliser le signal de fluorescence comme indicateur des variations du CDOM ou de la matière organique dissoute lorsqu’une relation appropriée a été établie pour le plan d’eau et l’objectif de mesure.
| Mesure | Principe optique | Résultats de mesure types | Principaux avantages | Limites |
| CDOM | Absorption de la lumière ultraviolette et visible | Absorbance, coefficient d’absorption ou mesure spectrale associée | Caractérise directement la composante de la matière organique dissoute qui absorbe la lumière | Nécessite une sélection spectrale appropriée et un contrôle des effets liés à l’instrument, aux particules et à l’échantillon |
| FDOM | Fluorescence résultant d’une excitation optique | Intensité de fluorescence, unités de fluorescence relatives (RFU), unités de sulfate de quinine (QSU) ou autres unités équivalentes étalonnées | Méthode sensible et adaptée à la surveillance rapide in situ | La réponse dépend de la composition du fluorophore et peut être influencée par la température, la turbidité, l’absorption optique et d’autres interférences |
Les fluorimètres monocanaux utilisent une bande d’excitation et une bande de détection d’émission définies pour cibler une région fluorescente sélectionnée de la matière organique dissoute. Leur configuration optique relativement simple les rend adaptés aux stations fixes, aux ensembles de profilage, aux plateformes autonomes et à d’autres applications où la compacité des instruments et la simplicité de la sortie des données sont importantes. Lors de la comparaison des capteurs, il convient de prendre en compte les longueurs d’onde d’excitation et d’émission, la plage de mesure, la limite de détection, le temps de réponse, la méthode d’étalonnage et la profondeur nominale.
Les instruments multicanaux combinent plusieurs canaux de fluorescence au sein d’un même capteur. Ils peuvent mesurer la matière organique dissoute fluorescente (FDOM) parallèlement à la chlorophylle ou à d’autres cibles fluorescentes, ou utiliser plusieurs combinaisons de longueurs d’onde pour fournir des informations supplémentaires sur la matière organique dissoute. Les configurations de longueurs d’onde et les méthodes d’étalonnage doivent être prises en compte lors de la comparaison des données, car la conception des capteurs peut entraîner des réponses différentes face à une même eau naturelle.
Les capteurs à absorption optique mesurent les variations de la lumière transmise sur une ou plusieurs longueurs d’onde afin de caractériser plus directement la matière organique dissoute colorée (CDOM). Selon l’instrument, les mesures peuvent être effectuées sur des bandes optiques sélectionnées ou sur un spectre plus large. Ces capteurs sont adaptés lorsque c’est l’absorption de la CDOM elle-même, plutôt que la fluorescence en tant qu’indicateur indirect, qui constitue la principale grandeur d’intérêt. La longueur du trajet optique, la diffusion et l’encrassement peuvent influencer les mesures et doivent être pris en compte lors du déploiement et du traitement des données.
Les systèmes spectraux et hyperspectraux permettent de déterminer les propriétés optiques sur de nombreuses longueurs d’onde très proches les unes des autres. Selon la conception du capteur, ces informations spectrales supplémentaires peuvent faciliter l’analyse de la forme de l’absorption, des pentes spectrales et des eaux présentant une complexité optique. Ces mesures s’avèrent particulièrement utiles lorsqu’il s’agit de mettre en relation des observations in situ avec la spectroscopie en laboratoire, la radiométrie ou la télédétection de la couleur de l’océan.
Un capteur de matière organique dissoute peut être intégré à une sonde multiparamétrique aux côtés de mesures de conductivité, de température, de profondeur, de turbidité, d’oxygène dissous, de chlorophylle et d’autres paramètres. La collecte conjointe de ces paramètres fournit un contexte environnemental permettant d’interpréter les variations de la CDOM ou de la FDOM. Les configurations multiparamétriques sont largement utilisées sur les systèmes océanographiques de mesure de la conductivité, de la température et de la profondeur (CTD) ainsi que sur d’autres plateformes de surveillance de la qualité de l’eau.
Fluorimètre CDOM « UviLux » de Chelsea Technologies.
Les mesures de CDOM et de FDOM fournissent des indicateurs à haute fréquence des variations de la matière organique dissoute optiquement active. Elles permettent de mettre en évidence les gradients spatiaux, les cycles saisonniers, les phénomènes de mélange et la variabilité à court terme, qui peuvent être difficiles à caractériser à partir de simples échantillons d’eau ponctuels. Les mesures des capteurs doivent toutefois être interprétées comme des observations optiques plutôt que comme des mesures directes universelles de la concentration en carbone organique dissous.
Les milieux côtiers et estuariens présentent généralement de forts gradients de salinité, de matières en suspension, de phytoplancton et de matière organique dissoute d’origine terrestre. Une sonde CDOM ou FDOM peut aider à identifier les changements liés aux marées, aux apports d’eau douce, aux épisodes de tempête et au mélange des masses d’eau lorsque les mesures sont interprétées conjointement avec les données physiques et optiques pertinentes.
Le CDOM peut occuper une place prépondérante dans les eaux douces pénétrant dans les milieux côtiers, ce qui rend les mesures optiques utiles pour étudier les panaches fluviaux et les échanges entre la terre et l’océan. Des mesures en continu peuvent aider les chercheurs à suivre la distribution et le mélange de la matière organique dissoute depuis les embouchures des fleuves jusqu’aux estuaires et aux eaux du plateau continental. La combinaison d’observations de CDOM ou de FDOM avec des mesures de salinité fournit des informations supplémentaires sur l’influence de l’eau douce.
La matière organique dissoute est un composant chimiquement diversifié du cycle du carbone aquatique. Les capteurs de CDOM et de FDOM permettent aux chercheurs d’étudier comment les fractions optiquement actives varient au cours de la production biologique, du traitement microbien, de l’altération photochimique et du transport physique. Les relations entre la fluorescence et le carbone organique dissous peuvent s’avérer utiles, mais elles dépendent des conditions environnementales et doivent être établies avec certitude plutôt que supposées.
La matière organique dissoute fluorescente peut fournir des indicateurs utiles dans les études sur l’influence des eaux usées et le transport des contaminants. Des capteurs de fluorescence déployables sur le terrain sont utilisés pour des applications telles que le suivi des eaux usées et la surveillance des variations de la qualité de l’eau. Cependant, un capteur de FDOM n’identifie pas en soi un contaminant spécifique ; des mesures complémentaires sont donc importantes lorsque l’attribution de la source ou l’identification chimique est requise.
La CDOM présente une forte absorption aux longueurs d’onde courtes et peut influencer considérablement le champ spectral de lumière mesuré par les instruments de couleur de l’océan. Les mesures in situ de la CDOM facilitent donc la caractérisation optique et l’interprétation des observations par télédétection, en particulier dans les eaux côtières où le phytoplancton, les particules en suspension et la couleur dissoute peuvent varier indépendamment les uns des autres.
Les mesures du CDOM et du FDOM deviennent plus informatives lorsqu’elles sont synchronisées avec des capteurs décrivant l’environnement physique, particulaire, biologique et chimique environnant.
En ce qui concerne plus particulièrement les mesures de FDOM, la température, la turbidité, l’encrassement, l’atténuation optique et les effets liés au filtre interne peuvent influencer le signal observé. Les procédures de correction peuvent être spécifiques à un capteur ou à un site, ce qui rend indispensables un étalonnage, un contrôle qualité, un nettoyage et des mesures d’appui appropriés pour une interprétation défendable des données.
Le développement des technologies de détection du CDOM et du FDOM vise de plus en plus à obtenir des informations optiques plus riches tout en réduisant la taille, la consommation d’énergie et la charge de maintenance associées aux observations de longue durée.
À mesure que ces systèmes d’observation deviennent de plus en plus intégrés, l’étalonnage cohérent, la documentation des longueurs d’onde d’excitation et d’émission, les méthodes de correction et les métadonnées restent essentiels pour comparer les mesures entre les instruments, les environnements et les périodes.
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