Effets des microplastiques et des tensioactifs sur la rugosité de la surface des vagues

Jul 04, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1978 (2023) Citer cet article

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Nous étudions la physique des écoulements qui sous-tend la capacité de télédétection récemment développée pour détecter les microplastiques océaniques, basée sur la réduction mesurable de la rugosité de la surface induite par la présence de microplastiques à la surface de l'océan. En particulier, nous cherchons à savoir si cette réduction de rugosité est causée par les microplastiques sous forme de particules flottantes, ou par des tensioactifs qui suivent des chemins de transport similaires à ceux des microplastiques. Pour cela, nous testons expérimentalement les effets des particules flottantes et des tensioactifs sur la rugosité de surface, quantifiés par la pente carrée moyenne (MSS), avec des ondes générées par un générateur d'ondes mécanique ou par le vent. Pour les microplastiques, nous constatons que leur effet sur les MSS dépend essentiellement de la fraction de surface couverte. L’amortissement par les particules n’est observé que pour les fractions supérieures à O (5 à 10 %), bien supérieures aux conditions réalistes de l’océan. Pour les tensioactifs, leurs effets amortisseurs sur les vagues générées mécaniquement et les vagues de vent sont quantifiés, qui se révèlent beaucoup plus importants que ceux des microplastiques. Plusieurs nouveaux mécanismes/relations pour l'amortissement de la rugosité par les tensioactifs sont également identifiés. Les implications de ces résultats expérimentaux pour la télédétection sont discutées.

La pollution plastique des océans est un problème urgent et mondial. On estime que huit millions de tonnes de déchets plastiques pénètrent dans l’océan chaque année, et la plupart d’entre eux sont transformés en microplastiques par le soleil et les vagues. Les informations sur la répartition et le volume des microplastiques sont essentielles pour lutter contre la pollution plastique de l’environnement océanique. Récemment, le développement de systèmes d'observation mondiaux pour les microplastiques a fait l'objet de discussions actives au sein des communautés interdisciplinaires1,2,3. Dans cette direction, il a été suggéré4,5 que des techniques de télédétection pourraient être appliquées pour suivre les concentrations de microplastiques dans l’océan, grâce à la suppression détectable de la rugosité de la surface grâce à la présence de microplastiques. Cette idée de télédétection a été mise en œuvre pour la première fois pour l'océan mondial en6,7 avec des résultats positifs identifiés. Le principe de cette mise en œuvre est de déduire la concentration de microplastiques à travers l'anomalie de rugosité de la surface de l'océan (c'est-à-dire une rugosité plus faible que prévu) induite par les microplastiques, qui peut être expliquée par la différence entre la mesure en temps réel d'un radar spatial et un modèle standard de rugosité de surface.

La nouvelle technique a été appliquée aux données du CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System) de la NASA8,9. Plus précisément, CYGNSS mesure via le signal GPS L1 la section efficace radar bistatique normalisée (NBRCS), dont l'inverse fournit la pente carrée moyenne (MSS) de la surface de l'océan, définie comme

où k est le nombre d'onde, S(k) est le spectre omnidirectionnel et \(k_c\) est le nombre d'onde de coupure en fonction de l'angle incident et de la fréquence de l'onde porteuse en télédétection. Pour CYGNSS, \(k_c\) prend une valeur moyenne de 7,5 rad m\(^{-1}\)10. Tel que défini par (1), \(\text {MSS}\rightarrow \overline{\nabla \eta \cdot \nabla \eta }\) (variance du gradient d'élévation de la surface) pour \(k_c\rightarrow \infty\), et sinon MSS quantifie la rugosité de la surface jusqu'à une échelle finie \(k_c\). En plus des mesures CYGNSS, une autre source de MSS peut être obtenue par le modèle Katzberg standard11 qui prend comme entrées les vitesses du vent d'un modèle de réanalyse de la NOAA12. L'anomalie MSS, définie comme la différence relative entre les mesures CYGNSS et les résultats du modèle Katzberg (normalisés par ce dernier), devrait expliquer l'effet des microplastiques sur la rugosité de la surface, entre autres facteurs (tels que l'erreur des mesures CYGNSS et la influence d'autres processus physiques). Il s'avère que l'anomalie MSS présente une corrélation favorable avec la concentration de microplastiques océaniques calculée à partir d'un modèle de transport global, comme le montre la figure 1.