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3.2 : Océans bruyants - Biologie

3.2 : Océans bruyants - Biologie



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Le bruit humain dans l'océan devient une préoccupation majeure. Ce bruit est lié à la modification des modes d'appel, de recherche de nourriture et de migration de nombreuses espèces. Dans des situations extrêmes, les scientifiques pensent également que c'est la raison pour laquelle il y a eu autant de baleines échouées.

Voici une vidéo qui montre à quoi ressemblent certains bruits différents dans les océans et à quel point ils sont vraiment forts.

"Sous-marin de classe Virginia" par Owly K sous le gouvernement fédéral américain

EFFETS DU SON SUR LES BALEINES

Il semble que les baleines et les dauphins soient les animaux marins les plus touchés par les océans bruyants. Bien que le bruit naturel dans l'océan provenant du vent, des vagues ou d'autres animaux marins soit un phénomène courant, il n'est pas aussi intense que le bruit des humains. Ce bruit plus intense et plus fréquent peut causer du stress aux baleines et contribuer à leur échouage. Un scientifique a déclaré avoir vu des baleines abandonner un emplacement à cause du bruit. Ces emplacements contiennent parfois une source de nourriture nécessaire à la survie des baleines.

Les ondes sonores des systèmes sonars de sous-marins militaires peuvent atteindre 235 décibels. Ils sont capables de parcourir des centaines de kilomètres et peuvent maintenir l'intensité de 140 décibels jusqu'à 300 milles de la source.

Les cargos créent ce qu'on appelle le bruit ambiant. Ceci est particulièrement préoccupant pour les grandes baleines à basse fréquence. Les baleines franches sont menacées et il a été prouvé que le bruit des cargos qui traversent constamment l'océan leur cause du stress.

« Cargo Ship » de Peter Griffin dans le domaine public

Voici une vidéo sur le processus de gréement pétrolier en eau profonde. Il serait difficile de croire que ces plates-formes ne font pas beaucoup de bruit. Il est compréhensible qu'entendre constamment du bruit provenant de ces plates-formes puisse causer du stress à une baleine ou la confondre, étant donné qu'elle dépend fortement de l'acoustique pour sa survie.

HISTOIRES RÉCENTES DE BALEINES ÉCHAPPÉES

Le 10 février 2017, plus de 600 globicéphales s'échouaient en Nouvelle-Zélande. Les bénévoles ont pu sauver environ 80 baleines, qui ont ensuite rejoint un groupe voisin. Après avoir été sauvés, plus tard dans la nuit, le groupe qu'ils ont rejoint s'est échoué sur Farewell Spit. Bien que la cause de l'échouage et de l'échouage de ces baleines soit inconnue, une théorie est le bruit sous-marin. Les ondes sonores fortes créées par les humains peuvent effrayer les baleines et les pousser à faire surface trop rapidement ou à nager dans les bas-fonds.

"Baleines sur la plage, Farewell Split, île du Sud de la Nouvelle-Zélande" par Chagai Under Public Domain

En mai 2016, plus de 20 baleines se sont échouées près de San Felipe, au Mexique. Selon une déclaration, il n'y avait aucun signe de blessures sur les baleines, mais elles semblaient désorientées. Étant donné que les baleines ne présentaient aucun signe de blessure, il est très raisonnable de croire que le sonar et le bruit intense de l'océan les ont poussés hors des eaux profondes vers la plage.

Moins d'un an après que 330 baleines se sont échouées sur le rivage de Patagonian Inlet, 70 baleines ont été trouvées sur une plage du sud du Chili. Bien qu'il ne s'agisse pas de la même espèce, c'est une terrible tendance qui se produit. Les baleines étaient plus petites cette fois et elles étaient mortes depuis environ 2 mois avant d'être retrouvées.

Les informations contenues dans ce chapitre proviennent des contributions d'Alana Olendorf


Océan

Les océan (également mer ou la océan du monde) est la masse d'eau salée qui couvre environ 71 % de la surface de la Terre. [1] C'est aussi "l'une des grandes étendues d'eau dans lesquelles le grand océan est divisé". [1] Une définition commune énumère cinq océans, par ordre décroissant par zone, les océans Pacifique, Atlantique, Indien, Austral (Antarctique) et Arctique. [2] [3]

L'eau de mer couvre environ 361 000 000 km 2 (139 000 000 milles carrés) et est habituellement divisée en plusieurs océans principaux et mers plus petites, l'océan dans son ensemble couvrant environ 71 % de la surface de la Terre et 90 % de la biosphère terrestre. [4] L'océan mondial contient 97% de l'eau de la Terre et les océanographes ont déclaré que moins de 20% des océans ont été cartographiés. [4] Le volume total est d'environ 1,35 milliard de kilomètres cubes (320 millions de milles cubes) avec une profondeur moyenne de près de 3 700 mètres (12 100 pieds). [5] [6] [7]

Étant donné que l'océan mondial est la principale composante de l'hydrosphère terrestre, il fait partie intégrante de la vie, fait partie du cycle du carbone et influence les régimes climatiques et météorologiques. L'océan est l'habitat de 230 000 espèces connues, mais comme une grande partie est inexplorée, le nombre d'espèces dans l'océan est beaucoup plus important, peut-être plus de deux millions. [8] L'origine des océans de la Terre est inconnue, une quantité considérable d'eau aurait été dans le matériau qui a formé la Terre. [9] Les molécules d'eau auraient échappé plus facilement à la gravité terrestre lorsqu'elle était moins massive lors de sa formation en raison de la fuite atmosphérique. On pense que les océans se sont formés au cours de l'éon Hadéen et ont peut-être été à l'origine de l'émergence de la vie.

Il existe de nombreux problèmes environnementaux pour les océans, notamment la pollution marine, la surpêche, l'acidification des océans et d'autres effets du changement climatique sur les océans.


1 réponse 1

Réponse courte

Je ne crois pas que CO2 deviendra moins disponible pour le phytoplancton à l'échelle mondiale dans un avenir prévisible. Au lieu de cela, je crois que les taux des concentrations croissantes de CO2 (et les produits chimiques qui en résultent) ne resteront pas soutenus à leurs niveaux actuels.

Il y a deux phénomènes de changement global qui se produisent qui sont pertinents :

En tant que CO2 concentration augmente dans l'atmosphère, la diffusion entraînera également des concentrations plus élevées dans les eaux océaniques. Le taux de diffusion est lié aux concentrations relatives de CO2 dans l'air et dans l'eau.

L'augmentation des températures peut également avoir un impact sur ce taux de diffusion de deux manières :

L'augmentation des températures atmosphériques entraîne des températures plus élevées de l'eau de surface, ce qui réduit le mélange de l'eau (c'est-à-dire la stratification de l'océan). Cela réduit fonctionnellement le volume dans lequel le CO2 peut diffuser et ralentira donc la vitesse de diffusion. (mais non diminuer la quantité de CO dissous2).

L'augmentation des températures diminue souvent la solubilité des gaz dans l'eau, et cette solubilité réduite peut entraîner un dégagement gazeux de CO2. Cependant, une diminution du mélange des strates peut entraîner moins d'upwelling et donc moins de dégagement gazeux.

Tant que les températures mondiales des océans ne deviennent pas trop chaudes et que le CO atmosphérique2 ne descend pas trop bas, il semble que ce qui précède entraînera un net ralentissement mondial du CO2 l'absorption dans les océans mais pas une inversion (c'est-à-dire une perte de CO2). En d'autres termes, je ne crois pas que le CO absolu2 disponibilité pour le phytoplancton va diminuer, mais que seul le taux d'une disponibilité encore accrue diminuera.

Longue réponse

Je ne comprends pas tout de suite à quoi vous faites référence. Je vais essayer de réagir avec certaines choses qui me viennent à l'esprit. Ma réponse est principalement de nature biogéochimique, j'invite donc les autres à aborder ce problème physiologiquement, le cas échéant.

Êtes-vous sûr de ne pas avoir mal lu quelque chose et c'est vraiment le CO en baisse3 2- que vous avez lu? (vois ici). En supposant que ce ne soit pas le cas, lisez la suite.

Augmentation des températures peut diminuer l'absorption taux de CO2

Alternativement, peut-être avez-vous lu qu'à mesure que les océans se réchauffent, l'eau peut absorber moins de CO2 (comme dans le le taux d'absorption diminuera).

Cela est dû au fait que l'eau chaude ne se mélange pas aussi bien avec l'eau inférieure plus froide, vous vous retrouvez donc avec des couches non mélangées (appelées stratification). Finalement, la couche de surface sature en CO2 et ne peut pas absorber Suite de l'atmosphère. Ce n'est pas que cette couche supérieure d'eau a moins CO2, mais plutôt qu'il devient tellement saturé qu'il ne peut plus absorber (causant le taux d'absorption à diminuer).

  • Dans des conditions moins chaudes, les "couches" d'eau ne sont pas si différentes en température, et donc plus de mélange de couches peut se produire. En conséquence, tout ce CO2 qui est absorbé au niveau de la surface peut être échangé contre des couches d'eau inférieures où il sera stocké plus longtemps. En d'autres termes, avec des températures de surface plus froides (et donc un plus grand mélange des couches), le volume d'eau pouvant contenir du CO2 n'est plus seulement la surface, mais une couche d'eau beaucoup plus "plus épaisse". Résultat : plus de CO2 absorbé.

Donc. l'augmentation des températures peut entraîner moins de mélange d'eau en raison d'une plus grande stratification (superposition), ce qui entraîne moins d'eau dans l'océan disponible pour absorber et retenir le CO2. Cela signifie que le CO atmosphérique2 continue d'augmenter, la couche superficielle d'eau océanique qui ne se mélange pas (qui deviendra saturée de CO2 à un moment donné) ne pourra pas suivre de plus en plus de CO2 dans l'air. En conséquence, l'océan déclinera (et finira potentiellement par échouer) dans sa capacité à "tamponner" le CO sans cesse croissant2 dans l'air. Cela signifierait que le taux de CO2 dans l'air commencera à augmenter plus rapidement (puisque de moins en moins est absorbé par les océans).

Quant au phytoplancton (qui se trouve dans cette couche supérieure d'eau), cette stratification n'entraînera pas directement moins de CO2 disponibilité pour eux. Sous forme de CO atmosphérique2 augmente, de même que la quantité dans cette couche supérieure d'eau. Le taux d'augmentation du CO2 la concentration ralentira simplement jusqu'à ce qu'un point de saturation soit atteint, mais les niveaux absolus ne diminueront pas.

  • Cependant, notez que le phytoplancton a tendance à prospérer dans les zones riches en nutriments (c'est-à-dire les zones d'upwelling). Un mélange moindre des eaux réduira la remontée d'eaux souterraines plus froides et riches en nutriments. Donc, moins de mélange (c'est-à-dire plus de stratification) entraînerait probablement une baisse de l'abondance du phytoplancton en raison d'une diminution de la disponibilité des nutriments. (Vois ici). Peut-être que cette diminution de la disponibilité des nutriments (qui inclurait la perte de sources de carbone) est liée à ce à quoi vous faites référence ?

Augmentation des températures peut diminuer le CO2 solubilité

Cependant, compte tenu de tout cela, le solubilité de CO2 dans l'eau Est-ce que diminue avec l'augmentation de la température (voir ici pour les données brutes). Cela suggère qu'une certaine augmentation des températures mondiales pourrait avoir un impact sur le CO2 concentration dans les eaux océaniques.

La cause de cette solubilité réduite avec l'augmentation de la température est due au déséquilibre d'un état d'équilibre d'énergie libre requis pour dissoudre/dégazer les gaz dans/hors de l'eau. Depuis la dissolution du CO2 dans l'eau est une réaction exothermique (c'est-à-dire qui libère de la chaleur), tout ajout de chaleur entraînera une plus grande contraire réaction endothermique (libération de gaz dissous dans ce cas). En termes plus chimiques, la chaleur ajoutée à la solution fournit de l'énergie pour surmonter les forces d'attraction entre le CO2 et les molécules de solvant (c'est-à-dire d'eau). Le résultat est une solubilité réduite. Voir ici et ici pour plus d'explications. (La pression partielle des gaz est également affectée par l'augmentation des températures, donc l'étude de la loi d'Henry pourrait également être pertinente pour votre recherche. (Ce lien que j'ai trouvé explique rapidement un peu de la physique/chimie).)

  • Cependant, pour compliquer davantage tout cela, tous les CO2 absorbé par l'eau de l'océan reste sous forme de dioxyde de carbone. Une grande partie subit des réactions pour devenir de l'acide carbonique, du carbonate, etc. (voir ici). Cela signifie que l'état d'équilibre est plus complexe à modéliser ou à comprendre que simplement examiner ces effets sur le CO2 dans l'eau dans un laboratoire contrôlé.

Ce fait de solubilité, en combinaison avec le mélange des couches ci-dessus, est la raison pour laquelle les eaux polaires ont tendance à absorber plus de CO2 et les eaux équatoriales ont tendance à dégager plus de CO2

Dans les océans du monde, l'Atlantique Nord et les Océans Austral sont les principaux puits de CO2 car ils sont plus froids. De plus, l'eau froide est plus dense que l'eau chaude, ce qui la fait couler. Le dioxyde de carbone absorbé à la surface peut être efficacement transporté vers les eaux plus profondes par convection d'où le CO2 est stocké dans les couches inférieures de l'océan.

D'autre part, les eaux équatoriales chaudes ont tendance à libérer du CO2 dans l'atmosphère. Dans ces régions, la remontée de CO2-des eaux profondes riches se produisent. Lorsque l'eau atteint la surface, elle est réchauffée en diminuant la solubilité du gaz conduisant au dégazage du CO2 .

Cependant, notez que s'il y a une plus grande stratification de l'eau (c'est-à-dire moins mélange) comme décrit ci-dessus, une telle remontée d'eau pourrait en fait déclin. Cela aurait pour effet de piéger plus de CO2 dans des eaux plus froides au lieu de réchauffer ces eaux à mesure qu'elles remontent à la surface et de dégager ce CO2 de nouveau dans l'atmosphère. (Nous ne commencerons même pas à discuter de la façon dont les courants océaniques en général seront affectés par les changements de température. ).

Ajouter encore plus de complications, à mesure que les eaux se réchauffent, la glace fondra, entraînant (au moins temporairement) augmenté mélange des eaux océaniques !! (vois ici). Si la baisse de température due à la fonte des glaces est suffisamment importante pour lutter contre l'augmentation de la température de surface, alors peut-être que pendant une certaine période, un mélange et un dégagement gazeux plus importants pourraient se produire.

Résultats finaux

Qu'est-ce que tout cela signifie pour le changement climatique? Eh bien, comme le CO atmosphérique2 augmente, cela va rendre les océans plus acides (à cause de l'acide carbonique). En d'autres termes, si nous maintenions la température constante, plus de CO atmosphérique2 signifie plus de CO océanique2. (Vous pouvez le voir à partir de mes deux liens précédents - encore une fois, ici (montrant la concentration de CO2 dans l'océan sur l'axe Y) et ici).

Cependant, à mesure que la terre se réchauffe, la température de l'eau se réchauffera. Cela signifie moins de mélange et donc moins de CO net2 absorption. Cela signifie également que les eaux de surface les plus chaudes ne retiendront pas autant de CO2 en raison de sa solubilité réduite, ce qui entraînera un "dégazage" plus important de certains CO2. La combinaison de ces deux choses signifie essentiellement que le taux de CO2 l'augmentation de l'atmosphère va probablement s'accélérer.

Mais quel est l'impact net sur les océans ? (et donc sur plancton)

Eh bien, en ce qui concerne les océans eux-mêmes, il existe probablement un "point de basculement" calculable dans lequel la concentration plus élevée de CO2 dans l'atmosphère (et donc une plus grande pression de diffusion) ne l'emporte pas sur la solubilité réduite du CO2 (en raison des températures plus élevées et moins de mélange). Quelle que soit la température de ce point de basculement, alors je suppose que le CO2 dans les océans peut/va diminuer au lieu d'augmenter. En réalité, cependant, les gaz se déplacent constamment entre l'atmosphère et l'océan, il est donc peu probable que l'eau de l'océan devienne si chaude qu'il y ait un mouvement net hors de l'eau, mais probablement juste une diminution du taux d'absorption supplémentaire.

À un niveau plus local, si le phytoplancton vit dans une région océanique particulièrement chaude, il est possible que le dégazage de CO2 augmentations dans ces régions en raison de la solubilité réduite comme décrit précédemment. Cependant, encore une fois, si la concentration de CO2 dans l'atmosphère et la température de l'atmosphère continuent d'augmenter, alors ces effets annuleraient (au moins partiellement) l'augmentation du dégagement gazeux du CO réduit2 solubilité. Encore une fois, modéliser le moment où cela se produirait est beaucoup trop compliqué pour moi pour ce post, mais je suis sûr que nous avons des experts qui travaillent sur le calcul de ce "point de basculement" au moment où nous parlons.

  • Encore une fois, le plus gros problème pour le phytoplancton est probablement la diminution de la remontée d'eau riche en nutriments en raison d'une plus grande stratification de la colonne océanique due au climat.

Dernières pensées

Étant donné tous de cette explication, les recherches sur les carottes de glace de Pedro, Rasmussen et van Ommen (2012) (résumées ici) suggèrent qu'après seulement quelques centaines d'années de réchauffement, le CO2 les concentrations semblent diminuer dans les carottes de glace. Cela peut suggérer qu'un rejet net de CO2 est possible d'ici une centaine d'années. Encore une fois, ce "point de basculement" est probablement calculable, mais c'est trop compliqué pour moi de comprendre pour un post de stackexchange p.


Température

À l'exception des sources hydrothermales (sources naturelles qui évacuent de l'eau chaude ou chaude sur le fond marin) dans l'océan profond, la plage de températures dans l'océan est beaucoup plus étroite que celle trouvée sur terre. Les températures terrestres varient de plus de 120°F (49°C) à bien en dessous de zéro. L'eau de mer est rarement au-dessus de 80 °F (27 °C) dans les eaux tropicales et jamais en dessous de 30 °F (–1,9 °C), car l'eau de mer gèle à cette température. Les températures courantes de l'eau dans les eaux tempérées (eaux qui ne sont pas exposées à des climats extrêmement froids ou chauds) sont d'environ 60 ° F (16 ° C).

La plupart des animaux, y compris la plupart des poissons, qui vivent dans l'océan sont ectothermes, ce qui signifie que la température de leur corps est proche de celle de l'eau dans laquelle ils vivent. Le mot racine ecto signifie "à l'extérieur" et la racine du mot thermie signifie "température". Pour ces animaux, leur taux métabolique (le taux auquel les processus biochimiques se produisent dans un organisme) est lié à la température de l'eau dans laquelle vit l'animal. Par exemple, si deux poissons exactement de la même espèce et de la même taille sont placés dans deux aquariums, mais que l'un est trois degrés plus chaud que l'autre, les poissons de l'aquarium le plus chaud mangeront plus, auront un rythme cardiaque plus rapide et nageront plus vite.


Contenu

Le son sous-marin est probablement utilisé par les animaux marins depuis des millions d'années. La science de l'acoustique sous-marine a commencé en 1490, lorsque Léonard de Vinci a écrit ce qui suit, [1]

"Si vous faites arrêter votre navire et placez la tête d'un long tube dans l'eau et placez l'extrémité extérieure à votre oreille, vous entendrez les navires à une grande distance de vous."

En 1687, Isaac Newton écrivit son Principes mathématiques de la philosophie naturelle qui comprenait le premier traitement mathématique du son. La prochaine étape majeure dans le développement de l'acoustique sous-marine a été franchie par Daniel Colladon, un physicien suisse, et Charles Sturm, un mathématicien français. En 1826, sur le lac Léman, ils ont mesuré le temps écoulé entre un éclair de lumière et le son de la cloche d'un navire immergé entendu à l'aide d'une corne d'écoute sous-marine. [2] Ils ont mesuré une vitesse du son de 1435 mètres par seconde sur une distance de 17 kilomètres (Km), fournissant la première mesure quantitative de la vitesse du son dans l'eau. [3] Le résultat qu'ils ont obtenu était à environ 2% des valeurs actuellement acceptées. En 1877, Lord Rayleigh écrivit le Théorie du son et établi la théorie acoustique moderne.

Le naufrage de Titanesque en 1912 et le début de la Première Guerre mondiale ont donné l'impulsion à la prochaine vague de progrès en acoustique sous-marine. Des systèmes de détection d'icebergs et de sous-marins ont été développés. Entre 1912 et 1914, un certain nombre de brevets d'écholocation ont été accordés en Europe et aux États-Unis, aboutissant à l'écho-ranger de Reginald A. Fessenden en 1914. Des travaux pionniers ont été menés pendant cette période en France par Paul Langevin et en Grande-Bretagne par AB Wood et associés. [4] Le développement à la fois de l'ASDIC actif et du sonar passif (Sound Navigation And Ranging) a progressé rapidement pendant la guerre, entraîné par les premiers déploiements à grande échelle de sous-marins. Parmi les autres progrès de l'acoustique sous-marine, citons le développement de mines acoustiques.

En 1919, le premier article scientifique sur l'acoustique sous-marine a été publié, [5] décrivant théoriquement la réfraction des ondes sonores produites par les gradients de température et de salinité dans l'océan. Les prédictions de portée de l'article ont été validées expérimentalement par des mesures de perte de propagation.

Les deux décennies suivantes ont vu le développement de plusieurs applications de l'acoustique sous-marine. Le sondeur, ou sondeur, a été développé commercialement au cours des années 1920. À l'origine, des matériaux naturels étaient utilisés pour les transducteurs, mais dans les années 1930, des systèmes de sonar incorporant des transducteurs piézoélectriques fabriqués à partir de matériaux synthétiques étaient utilisés pour les systèmes d'écoute passive et pour les systèmes de télémétrie d'écho actifs. Ces systèmes ont été utilisés à bon escient pendant la Seconde Guerre mondiale par les sous-marins et les navires anti-sous-marins. De nombreux progrès dans l'acoustique sous-marine ont été réalisés qui ont été résumés plus tard dans la série Physique du son dans la mer, publié en 1946.

Après la Seconde Guerre mondiale, le développement des systèmes de sonar a été largement motivé par la guerre froide, ce qui a permis des progrès dans la compréhension théorique et pratique de l'acoustique sous-marine, aidés par des techniques informatiques.

Ondes sonores dans l'eau, fond de mer Modifier

Une onde sonore se propageant sous l'eau consiste en une alternance de compressions et de raréfactions de l'eau. Ces compressions et raréfactions sont détectées par un récepteur, tel que l'oreille humaine ou un hydrophone, comme des changements de pression. Ces ondes peuvent être artificielles ou générées naturellement.

Vitesse du son, densité et impédance Modifier

Le produit de c et de la formule ci-dessus est connu comme l'impédance acoustique caractéristique. La puissance acoustique (énergie par seconde) traversant la surface unitaire est appelée intensité de l'onde et pour une onde plane l'intensité moyenne est donnée par I = q 2 / ( ρ c ) / ( ho c),> , où q est la moyenne quadratique de la pression acoustique.

A 1 kHz, la longueur d'onde dans l'eau est d'environ 1,5 m. Parfois, le terme « vitesse du son » est utilisé, mais cela est incorrect car la quantité est un scalaire.

Le grand contraste d'impédance entre l'air et l'eau (le rapport est d'environ 3600) et l'échelle de rugosité de surface signifie que la surface de la mer se comporte comme un réflecteur presque parfait du son à des fréquences inférieures à 1 kHz. La vitesse du son dans l'eau dépasse d'un facteur 4,4 celle dans l'air et le rapport de densité est d'environ 820.

Absorption du son Modifier

L'absorption des sons à basse fréquence est faible. [6] (voir Guides Techniques – Calcul de l'absorption du son dans l'eau de mer pour un calculateur en ligne). La principale cause d'atténuation acoustique en eau douce et à haute fréquence en eau de mer (au-dessus de 100 kHz) est la viscosité. Des contributions supplémentaires importantes à plus basse fréquence dans l'eau de mer sont associées à la relaxation ionique de l'acide borique (jusqu'à environ 10 kHz) [6] et du sulfate de magnésium (environ 10 kHz-100 kHz). [7]

Le son peut être absorbé par des pertes aux limites des fluides. Près de la surface de la mer, des pertes peuvent se produire dans une couche de bulles ou dans la glace, tandis qu'au fond, le son peut pénétrer dans les sédiments et être absorbé.

Réflexion et diffusion du son Modifier

Interactions aux limites Modifier

La surface et le fond de l'eau sont des limites réfléchissantes et diffusantes.

Modifier la surface

À de nombreuses fins, la surface de l'air marin peut être considérée comme un réflecteur parfait. Le contraste d'impédance est si grand que peu d'énergie est capable de traverser cette limite. Les ondes de pression acoustique réfléchies par la surface de la mer subissent une inversion de phase, souvent décrite comme un "changement de phase pi" ou un "changement de phase à 180 degrés". Ceci est représenté mathématiquement en attribuant un coefficient de réflexion de moins 1 au lieu de plus un à la surface de la mer. [8]

A haute fréquence (supérieure à environ 1 kHz) ou lorsque la mer est agitée, une partie du son incident est diffusée, et cela est pris en compte en attribuant un coefficient de réflexion dont l'amplitude est inférieure à un. Par exemple, proche de l'incidence normale, le coefficient de réflexion devient R = − e − 2 k 2 h 2 sin 2 A h^<2>sin^<2> A>> , où h est la hauteur d'onde efficace. [9]

Une autre complication est la présence de bulles générées par le vent ou de poissons près de la surface de la mer. [10] Les bulles peuvent également former des panaches qui absorbent une partie du son incident et diffusé, et diffusent une partie du son eux-mêmes. [11]

Fond marin Modifier

La désadaptation d'impédance acoustique entre l'eau et le fond est généralement bien moindre qu'en surface et est plus complexe. Cela dépend des types de matériaux du fond et de la profondeur des couches. Des théories ont été développées pour prédire la propagation du son dans le fond dans ce cas, par exemple par Biot [12] et par Buckingham. [13]

À la cible Modifier

La réflexion du son sur une cible dont les dimensions sont grandes par rapport à la longueur d'onde acoustique dépend de sa taille et de sa forme ainsi que de l'impédance de la cible par rapport à celle de l'eau. Des formules ont été développées pour la force cible de diverses formes simples en fonction de l'angle d'incidence du son. Des formes plus complexes peuvent être approximées en combinant ces formes simples. [1]

Propagation du son Modifier

La propagation acoustique sous-marine dépend de nombreux facteurs. La direction de propagation du son est déterminée par les gradients de vitesse du son dans l'eau. Ces gradients de vitesse transforment l'onde sonore par réfraction, réflexion et dispersion. En mer, les gradients verticaux sont généralement beaucoup plus importants que les gradients horizontaux. La combinaison de cela avec une tendance à l'augmentation de la vitesse du son à des profondeurs croissantes, en raison de l'augmentation de la pression en haute mer, provoque une inversion du gradient de vitesse du son dans la thermocline, créant un guide d'ondes efficace à la profondeur, correspondant à la vitesse minimale du son. Le profil de vitesse du son peut provoquer des régions de faible intensité sonore appelées « zones d'ombre » et des régions de haute intensité appelées « caustiques ». Ceux-ci peuvent être trouvés par des méthodes de lancer de rayons.

À l'équateur et aux latitudes tempérées de l'océan, la température de surface est suffisamment élevée pour inverser l'effet de pression, de sorte qu'un minimum de vitesse du son se produit à quelques centaines de mètres de profondeur. La présence de ce minimum crée un canal spécial appelé Deep Sound Channel, anciennement connu sous le nom de canal SOFAR (Sound Fixing and Range), permettant la propagation guidée du son sous-marin sur des milliers de kilomètres sans interaction avec la surface de la mer ou les fonds marins. Un autre phénomène en haute mer est la formation de zones de focalisation du son, appelées zones de convergence. Dans ce cas, le son est réfracté vers le bas à partir d'une source proche de la surface, puis de nouveau vers le haut. La distance horizontale de la source à laquelle cela se produit dépend des gradients de vitesse du son positifs et négatifs. Un conduit de surface peut également se produire dans les eaux profondes et modérément peu profondes lorsqu'il y a une réfraction vers le haut, par exemple en raison de températures de surface froides. La propagation se fait par des rebonds sonores répétés sur la surface.

En général, à mesure que le son se propage sous l'eau, il y a une réduction de l'intensité sonore sur des plages croissantes, bien que dans certaines circonstances, un gain puisse être obtenu grâce à la focalisation. Perte de propagation (parfois appelé perte de transmission) est une mesure quantitative de la réduction de l'intensité sonore entre deux points, normalement la source sonore et un récepteur distant. Si je suis > est l'intensité de champ lointain de la source rapportée à un point situé à 1 m de son centre acoustique et I r > est l'intensité au niveau du récepteur, alors la perte de propagation est donnée par [1] P L = 10 log ⁡ ( I ​​s / I r ) /JE_)> . Dans cette équation I r > n'est pas la véritable intensité acoustique au niveau du récepteur, qui est une quantité vectorielle, mais un scalaire égal à l'intensité d'onde plane équivalente (EPWI) du champ sonore. L'EPWI est défini comme l'amplitude de l'intensité d'une onde plane de la même pression RMS que le vrai champ acoustique. A courte distance, l'affaiblissement de propagation est dominé par l'étalement tandis qu'à longue distance, il est dominé par les pertes d'absorption et/ou de diffusion.

Ces deux définitions ne sont pas exactement équivalentes car l'impédance caractéristique au récepteur peut être différente de celle à la source. De ce fait, l'utilisation de la définition de l'intensité conduit à une équation sonar différente de la définition basée sur un rapport de pression. [15] Si la source et le récepteur sont tous deux dans l'eau, la différence est faible.

Modélisation de la propagation Modifier

La propagation du son dans l'eau est décrite par l'équation des ondes, avec des conditions aux limites appropriées. Un certain nombre de modèles ont été développés pour simplifier les calculs de propagation. Ces modèles incluent la théorie des rayons, les solutions de mode normal et les simplifications d'équation parabolique de l'équation d'onde. [16] Chaque ensemble de solutions est généralement valide et efficace du point de vue informatique dans un régime de fréquence et de portée limité, et peut également impliquer d'autres limites. La théorie des rayons est plus appropriée à courte portée et à haute fréquence, tandis que les autres solutions fonctionnent mieux à longue portée et à basse fréquence. [17] [18] [19] Diverses formules empiriques et analytiques ont également été dérivées de mesures qui sont des approximations utiles. [20]

Réverbération Modifier

Les sons transitoires produisent un arrière-plan décroissant qui peut être d'une durée beaucoup plus longue que le signal transitoire d'origine. La cause de ce bruit de fond, connu sous le nom de réverbération, est en partie due à la diffusion à partir de limites approximatives et en partie à la diffusion à partir de poissons et d'autres biotes. Pour qu'un signal acoustique soit détecté facilement, il doit dépasser le niveau de réverbération ainsi que le niveau de bruit de fond.

Décalage Doppler Modifier

Si un objet sous-marin se déplace par rapport à un récepteur sous-marin, la fréquence du son reçu est différente de celle du son rayonné (ou réfléchi) par l'objet. Ce changement de fréquence est connu sous le nom de décalage Doppler. Le décalage peut être facilement observé dans les systèmes de sonar actifs, en particulier ceux à bande étroite, car la fréquence de l'émetteur est connue et le mouvement relatif entre le sonar et l'objet peut être calculé. Parfois, la fréquence du bruit rayonné (un tonal) peut également être connue, auquel cas le même calcul peut être effectué pour le sonar passif. Pour les systèmes actifs, le changement de fréquence est de 0,69 Hz par nœud par kHz et de moitié pour les systèmes passifs car la propagation n'est qu'à sens unique. Le décalage correspond à une augmentation de fréquence pour une cible en approche.

Fluctuations d'intensité Modifier

Bien que la modélisation de la propagation acoustique prédise généralement un niveau sonore reçu constant, en pratique, il existe des fluctuations à la fois temporelles et spatiales. Ceux-ci peuvent être dus à des phénomènes environnementaux à petite et à grande échelle. Ceux-ci peuvent inclure une structure fine du profil de vitesse du son et des zones frontales ainsi que des ondes internes. Comme il existe en général plusieurs chemins de propagation entre une source et un récepteur, de petits changements de phase dans le schéma d'interférence entre ces chemins peuvent entraîner de grandes fluctuations de l'intensité sonore.

Non-linéarité Modifier

Dans l'eau, en particulier avec des bulles d'air, le changement de densité dû à un changement de pression n'est pas exactement linéairement proportionnel. En conséquence, pour une entrée d'onde sinusoïdale, des fréquences harmoniques et sous-harmoniques supplémentaires sont générées. Lorsque deux ondes sinusoïdales sont entrées, des fréquences de somme et de différence sont générées. Le processus de conversion est plus important aux niveaux de source élevés qu'aux petits. En raison de la non-linéarité, la vitesse du son dépend de l'amplitude de la pression, de sorte que les grands changements se déplacent plus rapidement que les petits. Ainsi, une forme d'onde sinusoïdale devient progressivement une forme en dents de scie avec une montée abrupte et une queue graduelle. Ce phénomène est utilisé dans le sonar paramétrique et des théories ont été développées pour en tenir compte, par ex. par Westerfield.

Le son dans l'eau est mesuré à l'aide d'un hydrophone, qui est l'équivalent sous-marin d'un microphone. Un hydrophone mesure les fluctuations de pression, et celles-ci sont généralement converties en niveau de pression acoustique (SPL), qui est une mesure logarithmique de la pression acoustique quadratique moyenne.

Les mesures sont généralement rapportées sous l'une des trois formes suivantes : -

    pression acoustique en micropascals (ou dB re 1 Pa)
  • Pression acoustique efficace dans une bande passante spécifiée, généralement octaves ou tiers d'octave (dB re 1 Pa) (pression quadratique moyenne par unité de bande passante) en micropascals-carré par Hertz (dB ​​re 1 Pa 2 /Hz)

L'échelle de pression acoustique dans l'eau diffère de celle utilisée pour le son dans l'air. Dans l'air, la pression de référence est de 20 Pa au lieu de 1 Pa. Pour la même valeur numérique de SPL, l'intensité d'une onde plane (puissance par unité de surface, proportionnelle à la pression acoustique quadratique moyenne divisée par l'impédance acoustique) dans l'air est environ 20 2 × 3600 = 1 440 000 fois plus élevée que dans l'eau. Similarly, the intensity is about the same if the SPL is 61.6 dB higher in the water.

Sound speed Edit

Approximate values for fresh water and seawater, respectively, at atmospheric pressure are 1450 and 1500 m/s for the sound speed, and 1000 and 1030 kg/m 3 for the density. [21] The speed of sound in water increases with increasing pressure, temperature and salinity. [22] [23] The maximum speed in pure water under atmospheric pressure is attained at about 74 °C sound travels slower in hotter water after that point the maximum increases with pressure. [24] On-line calculators can be found at Technical Guides – Speed of Sound in Sea-Water and Technical Guides – Speed of Sound in Pure Water.

Absorption Edit

Many measurements have been made of sound absorption in lakes and the ocean [6] [7] (see Technical Guides – Calculation of absorption of sound in seawater for an on-line calculator).

Ambient noise Edit

Measurement of acoustic signals are possible if their amplitude exceeds a minimum threshold, determined partly by the signal processing used and partly by the level of background noise. Ambient noise is that part of the received noise that is independent of the source, receiver and platform characteristics. Thus it excludes reverberation and towing noise for example.

The background noise present in the ocean, or ambient noise, has many different sources and varies with location and frequency. [25] At the lowest frequencies, from about 0.1 Hz to 10 Hz, ocean turbulence and microseisms are the primary contributors to the noise background. [26] Typical noise spectrum levels decrease with increasing frequency from about 140 dB re 1 μPa 2 /Hz at 1 Hz to about 30 dB re 1 μPa 2 /Hz at 100 kHz. Distant ship traffic is one of the dominant noise sources [27] in most areas for frequencies of around 100 Hz, while wind-induced surface noise is the main source between 1 kHz and 30 kHz. At very high frequencies, above 100 kHz, thermal noise of water molecules begins to dominate. The thermal noise spectral level at 100 kHz is 25 dB re 1 μPa 2 /Hz. The spectral density of thermal noise increases by 20 dB per decade (approximately 6 dB per octave). [28]

Transient sound sources also contribute to ambient noise. These can include intermittent geological activity, such as earthquakes and underwater volcanoes, [29] rainfall on the surface, and biological activity. Biological sources include cetaceans (especially blue, fin and sperm whales), [30] [31] certain types of fish, and snapping shrimp.

Rain can produce high levels of ambient noise. However the numerical relationship between rain rate and ambient noise level is difficult to determine because measurement of rain rate is problematic at sea.

Reverberation Edit

Many measurements have been made of sea surface, bottom and volume reverberation. Empirical models have sometimes been derived from these. A commonly used expression for the band 0.4 to 6.4 kHz is that by Chapman and Harris. [32] It is found that a sinusoidal waveform is spread in frequency due to the surface motion. For bottom reverberation a Lambert's Law is found often to apply approximately, for example see Mackenzie. [33] Volume reverberation is usually found to occur mainly in layers, which change depth with the time of day, e.g., see Marshall and Chapman. [34] The under-surface of ice can produce strong reverberation when it is rough, see for example Milne. [35]

Bottom loss Edit

Bottom loss has been measured as a function of grazing angle for many frequencies in various locations, for example those by the US Marine Geophysical Survey. [36] The loss depends on the sound speed in the bottom (which is affected by gradients and layering) and by roughness. Graphs have been produced for the loss to be expected in particular circumstances. In shallow water bottom loss often has the dominant impact on long range propagation. At low frequencies sound can propagate through the sediment then back into the water.

Comparison with airborne sound levels Edit

As with airborne sound, sound pressure level underwater is usually reported in units of decibels, but there are some important differences that make it difficult (and often inappropriate) to compare SPL in water with SPL in air. These differences include: [37]

  • difference in reference pressure: 1 μPa (one micropascal, or one millionth of a pascal) instead of 20 μPa. [14]
  • difference in interpretation: there are two schools of thought, one maintaining that pressures should be compared directly, and the other that one should first convert to the intensity of an equivalent plane wave.
  • difference in hearing sensitivity: any comparison with (A-weighted) sound in air needs to take into account the differences in hearing sensitivity, either of a human diver or other animal. [38]

Human hearing Edit

Hearing sensitivity Edit

The lowest audible SPL for a human diver with normal hearing is about 67 dB re 1 μPa, with greatest sensitivity occurring at frequencies around 1 kHz. [39] This corresponds to a sound intensity 5.4 dB, or 3.5 times, higher than the threshold in air (see Measurements above).

Safety thresholds Edit

High levels of underwater sound create a potential hazard to human divers. [40] Guidelines for exposure of human divers to underwater sound are reported by the SOLMAR project of the NATO Undersea Research Centre. [41] Human divers exposed to SPL above 154 dB re 1 μPa in the frequency range 0.6 to 2.5 kHz are reported to experience changes in their heart rate or breathing frequency. Diver aversion to low frequency sound is dependent upon sound pressure level and center frequency. [42]

Other species Edit

Aquatic mammals Edit

Dolphins and other toothed whales are known for their acute hearing sensitivity, especially in the frequency range 5 to 50 kHz. [38] [43] Several species have hearing thresholds between 30 and 50 dB re 1 μPa in this frequency range. For example, the hearing threshold of the killer whale occurs at an RMS acoustic pressure of 0.02 mPa (and frequency 15 kHz), corresponding to an SPL threshold of 26 dB re 1 μPa. [44]

High levels of underwater sound create a potential hazard to marine and amphibious animals. [38] The effects of exposure to underwater noise are reviewed by Southall et al. [45]

Poisson Modifier

The hearing sensitivity of fish is reviewed by Ladich and Fay. [46] The hearing threshold of the soldier fish, is 0.32 mPa (50 dB re 1 μPa) at 1.3 kHz, whereas the lobster has a hearing threshold of 1.3 Pa at 70 Hz (122 dB re 1 μPa). [44] The effects of exposure to underwater noise are reviewed by Popper et al. [47]

Sonar Edit

Sonar is the name given to the acoustic equivalent of radar. Pulses of sound are used to probe the sea, and the echoes are then processed to extract information about the sea, its boundaries and submerged objects. An alternative use, known as passive sonar, attempts to do the same by listening to the sounds radiated by underwater objects.

Underwater communication Edit

The need for underwater acoustic telemetry exists in applications such as data harvesting for environmental monitoring, communication with and between manned and unmanned underwater vehicles, transmission of diver speech, etc. A related application is underwater remote control, in which acoustic telemetry is used to remotely actuate a switch or trigger an event. A prominent example of underwater remote control are acoustic releases, devices that are used to return sea floor deployed instrument packages or other payloads to the surface per remote command at the end of a deployment. Acoustic communications form an active field of research [48] [49] with significant challenges to overcome, especially in horizontal, shallow-water channels. Compared with radio telecommunications, the available bandwidth is reduced by several orders of magnitude. Moreover, the low speed of sound causes multipath propagation to stretch over time delay intervals of tens or hundreds of milliseconds, as well as significant Doppler shifts and spreading. Often acoustic communication systems are not limited by noise, but by reverberation and time variability beyond the capability of receiver algorithms. The fidelity of underwater communication links can be greatly improved by the use of hydrophone arrays, which allow processing techniques such as adaptive beamforming and diversity combining.

Underwater navigation and tracking Edit

Underwater navigation and tracking is a common requirement for exploration and work by divers, ROV, autonomous underwater vehicles (AUV), manned submersibles and submarines alike. Unlike most radio signals which are quickly absorbed, sound propagates far underwater and at a rate that can be precisely measured or estimated. [50] It can thus be used to measure distances between a tracked target and one or multiple reference of baseline stations precisely, and triangulate the position of the target, sometimes with centimeter accuracy. Starting in the 1960s, this has given rise to underwater acoustic positioning systems which are now widely used.

Seismic exploration Edit

Seismic exploration involves the use of low frequency sound (< 100 Hz) to probe deep into the seabed. Despite the relatively poor resolution due to their long wavelength, low frequency sounds are preferred because high frequencies are heavily attenuated when they travel through the seabed. Sound sources used include airguns, vibroseis and explosives.

Weather and climate observation Edit

Acoustic sensors can be used to monitor the sound made by wind and precipitation. For example, an acoustic rain gauge is described by Nystuen. [51] Lightning strikes can also be detected. [52] Acoustic thermometry of ocean climate (ATOC) uses low frequency sound to measure the global ocean temperature.

Oceanography Edit

Large scale ocean features can be detected by acoustic tomography. Bottom characteristics can be measured by side-scan sonar and sub-bottom profiling.

Marine biology Edit

Due to its excellent propagation properties, underwater sound is used as a tool to aid the study of marine life, from microplankton to the blue whale. Echo sounders are often used to provide data on marine life abundance, distribution, and behavior information. Echo sounders, also referred to as hydroacoustics is also used for fish location, quantity, size, and biomass.

Acoustic telemetry is also used for monitoring fish and marine wildlife. An acoustic transmitter is attached to the fish (sometimes internally) while an array of receivers listen to the information conveyed by the sound wave. This enables the researchers to track the movements of individuals in a small-medium scale. [53]

Pistol shrimp create sonoluminescent cavitation bubbles that reach up to 5,000 K (4,700 °C) [54]

Particle physics Edit

A neutrino is a fundamental particle that interacts very weakly with other matter. For this reason, it requires detection apparatus on a very large scale, and the ocean is sometimes used for this purpose. In particular, it is thought that ultra-high energy neutrinos in seawater can be detected acoustically. [55]


3.2. Standing Waves and Musical Instruments *

Musical tones are produced by musical instruments, or by the voice, which, from a physics perspective, is a very complex wind instrument. So the physics of music is the physics of the kinds of sounds these instruments can make. What kinds of sounds are these? They are tones caused by standing waves produced in or on the instrument. So the properties of these standing waves, which are always produced in very specific groups, or series, have far-reaching effects on music theory.

Most sound waves, including the musical sounds that actually reach our ears, are not standing waves. Normally, when something makes a wave, the wave travels outward, gradually spreading out and losing strength, like the waves moving away from a pebble dropped into a pond.

But when the wave encounters something, it can bounce (reflection) or be bent (refraction). In fact, you can "trap" waves by making them bounce back and forth between two or more surfaces. Musical instruments take advantage of this they produce pitches by trapping sound waves.

Why are trapped waves useful for music? Any bunch of sound waves will produce some sort of noise. But to be a Ton - a sound with a particular pitch - a group of sound waves has to be very regular, all exactly the same distance apart. That's why we can talk about the frequency and wavelength of tones.

So how can you produce a tone? Let's say you have a sound wave trap (for now, don't worry about what it looks like), and you keep sending more sound waves into it. Picture a lot of pebbles being dropped into a very small pool. As the waves start reflecting off the edges of the pond, they interfere with the new waves, making a jumble of waves that partly cancel each other out and mostly just roils the pond - noise.

But what if you could arrange the waves so that reflecting waves, instead of cancelling out the new waves, would reinforce them? The high parts of the reflected waves would meet the high parts of the oncoming waves and make them even higher. The low parts of the reflected waves would meet the low parts of the oncoming waves and make them even lower. Instead of a roiled mess of waves cancelling each other out, you would have a pond of perfectly ordered waves, with high points and low points appearing regularly at the same spots again and again. To help you imagine this, here are animations of a single wave reflecting back and forth and standing waves.

This sort of orderliness is actually hard to get from water waves, but relatively easy to get in sound waves, so that several completely different types of sound wave "containers" have been developed into musical instruments. The two most common - strings and hollow tubes - will be discussed below, but first let's finish discussing what makes a good standing wave container, and how this affects music theory.

In order to get the necessary constant reinforcement, the container has to be the perfect size (length) for a certain wavelength, so that waves bouncing back or being produced at each end reinforce each other, instead of interfering with each other and cancelling each other out. And it really helps to keep the container very narrow, so that you don't have to worry about waves bouncing off the sides and complicating things. So you have a bunch of regularly-spaced waves that are trapped, bouncing back and forth in a container that fits their wavelength perfectly. If you could watch these waves, it would not even look as if they are traveling back and forth. Instead, waves would seem to be appearing and disappearing regularly at exactly the same spots, so these trapped waves are called standing waves.

Although standing waves are harder to get in water, the phenomenon does apparently happen very rarely in lakes, resulting in freak disasters. You can sometimes get the same effect by pushing a tub of water back and forth, but this is a messy experiment you'll know you are getting a standing wave when the water suddenly starts sloshing much higher - right out of the tub!

For any narrow "container" of a particular length, there are plenty of possible standing waves that don't fit. But there are also many standing waves that do fit. The longest wave that fits it is called the fondamental. On l'appelle aussi le first harmonic. The next longest wave that fits is the second harmonic, ou la first overtone. The next longest wave is the third harmonic, ou second overtone, etc.

Figure 3.7. Standing Wave Harmonics

Notice that it doesn't matter what the length of the fundamental is the waves in the second harmonic must be half the length of the first harmonic that's the only way they'll both "fit". The waves of the third harmonic must be a third the length of the first harmonic, and so on. This has a direct effect on the frequency and pitch of harmonics, and so it affects the basics of music tremendously. To find out more about these subjects, please see Frequency, Wavelength, and Pitch, Harmonic Series, or Musical Intervals, Frequency, and Ratio.

Standing Waves on Strings

You may have noticed an interesting thing in the animation of standing waves: there are spots where the "water" goes up and down a great deal, and other spots where the "water level" doesn't seem to move at all. All standing waves have places, called nœuds, where there is no wave motion, and antinodes, where the wave is largest. It is the placement of the nodes that determines which wavelengths "fit" into a musical instrument "container".

Graphique 3.8. Nodes and Antinodes

One "container" that works very well to produce standing waves is a thin, very taut string that is held tightly in place at both ends. (There were some nice animations of waves on strings available as of this writing at Musemath.) Since the string is taut, it vibrates quickly, producing sound waves, if you pluck it, or rub it with a bow. Since it is held tightly at both ends, that means there has to be a node at each end of the string. Instruments that produce sound using strings are called chordophones, or simply strings.

Graphique 3.9. Standing Waves on a String

The fundamental wave is the one that gives a string its pitch. But the string is making all those other possible vibrations, too, all at the same time, so that the actual vibration of the string is pretty complex. The other vibrations (the ones that basically divide the string into halves, thirds and so on) produce a whole series of harmonics. We don't hear the harmonics as separate notes, but we do hear them. They are what gives the string its rich, musical, string-like sound - its timbre. (The sound of a single frequency alone is a much more mechanical, uninteresting, and unmusical sound.) To find out more about harmonics and how they affect a musical sound, see Harmonic Series.

When the string player puts a finger down tightly on the string,


5. Ocean Dead Zones Are Everywhere, and Growing

Dead zones are swaths of ocean that don't support life due to hypoxia, or a lack of oxygen. Global warming is a prime suspect for what's behind the shifts in ocean behavior that cause dead zones. The number of dead zones is growing at an alarming rate, with over 500 known to exist, and the number is expected to grow. ??

Dead zone research underscores the interconnectedness of our planet. It appears that crop biodiversity on land could help prevent dead zones in the ocean by reducing or eliminating the use of fertilizers and pesticides that run off into the open ocean and are part of the cause of dead zones.   Knowing what we dump into the oceans is important in being aware of our role in creating areas of lifelessness in an ecosystem upon which we depend.


Towards an ‘Oceans Systems Biology'

The twentieth century has largely been a ‘reductionist century' in biological sciences. With the successes of physics and chemistry, molecular biology was dominated by the idea that Nature could be understood by reducing its complexity to that of molecular interactions, if not to the fundamental principles of quantum mechanics. However, complex systems, and living organisms in particular, emerge from dynamical processes occurring simultaneously at various spatio-temporal scales. This requires a conceptual framework capable of bridging scales to explain the emergence of complexity. Although the analysis of individual interactions between a small number of molecules is useful to explain simple causal relationships, understanding what is life requires a more holistic approach. This has been progressing slowly over the past 20 years with the rise of systems biology. Operationally, systems biology is by essence interdisciplinary and aims to understand how interactions between populations of molecules, cells and organisms give rise to complex biological processes such as cell division, developmental, behavioral and ecological patterns.

To apply such approaches to the study of biological systems, a series of conceptual and technological ‘toolboxes' has been developed (Box 1). Fascinatingly, these various approaches can be applied at any organization level of living organisms, from molecular interactions to the patterning of ecosystems and evolution.

Technological and conceptual tools in systems biology

Systems biology requires methods for the acquisition and organization of complex quantitative data sets. Such data are then used to build integrative models explaining how complex behaviors emerge from interactions between large sets of components. The Systems Biology toolbox includes the following four broad categories of approaches:

High-throughput quantitative methods: imaging, ‘omics', phenotyping, associated with high information content data processing and storage.

Biochemical and physical data acquisition methods to determine quantitative parameters associated with molecules, cells, groups of cells, organisms and populations.

Network theory and bioinformatics to analyze large-scale computational representations of complex systems.

Physics models involving a combination of statistical and soft matter physics.

Before metazoans appeared, life evolved in the oceans for more than 2.5 billion years as a world of unicellular organisms composed of viruses, bacteria and protists. The massive number of these microorganisms still represents today more than 98% of life in the oceans. These organisms are a key actor of our planet's ecology. Not only do we originate from them through cellular and developmental evolution, but we also owe our existence to their impact on the chemistry of our atmosphere. Without them, there would be no O2, no oil and no twenty first century scientists to think about it. Yet we know virtually nothing of these microscopic ecosystems. Quantitative data on the relative composition in viruses, bacteria, protists and metazoans of the oceanic drifting organisms collectively named ‘plankton' are missing. It remains largely unknown how the various species in these kingdoms are distributed and interact as a function of environmental parameters. Such biogeographical data have been difficult to obtain because of technical limitations associated with oceanic sampling and because the required high-throughput methods were lacking. Until 5 years ago, sequencing methods were too expensive, too slow and not sensitive enough. Quantitative, automated imaging methods to identify protists and metazoans were still in their infancy. Data storage, informatics and bioinformatics were limiting and tools borrowed from physics for the analysis of complex dynamical systems were just being applied to the fields of cell and developmental biology. Since a couple of years these approaches have considerably matured and can now be applied to ocean biology.

One of the great challenges in ocean biology is to understand how populations of organisms are structured by their interaction with the environment and how such complex systems have evolved. Oceans are not homogeneous they are structured by rotating currents or gyres, generated by temperature gradients, the rotation of the earth and the position of the continents. There are great variations, both in time and in space, of temperature, oxygen content, pH, nutrients, light and so on. The degree of mixing between surface layers and the deep ocean also varies dramatically. This great diversity of environments and, at the same time, the transport of species from one environment to the next is reminiscent of the great changes that occurred during evolutionary times. This is a typical systems biology problem that requires the integration of quantitative systematic data obtained from imaging and large-scale metagenomics and metatranscriptomics efforts with high-content environmental data.


Pollution marine

Marine pollution is a combination of chemicals and trash, most of which comes from land sources and is washed or blown into the ocean. This pollution results in damage to the environment, to the health of all organisms, and to economic structures worldwide.

Biologie, Ecologie, Sciences de la Terre, Océanographie

Water Pollution

Pollutants are dumped into the ocean. This waste affects the daily life of fish and other marine creatures.

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Marine pollution is a growing problem in today&rsquos world. Our ocean is being flooded with two main types of pollution: chemicals and trash.

Chemical contamination, or nutrient pollution, is concerning for health, environmental, and economic reasons. This type of pollution occurs when human activities, notably the use of fertilizer on farms, lead to the runoff of chemicals into waterways that ultimately flow into the ocean. The increased concentration of chemicals, such as nitrogen and phosphorus, in the coastal ocean promotes the growth of algal blooms, which can be toxic to wildlife and harmful to humans. The negative effects on health and the environment caused by algal blooms hurt local fishing and tourism industries.

Marine trash encompasses all manufactured products&mdashmost of them plastic&mdashthat end up in the ocean. Littering, storm winds, and poor waste management all contribute to the accumulation of this debris, 80 percent of which comes from sources on land. Common types of marine debris include various plastic items like shopping bags and beverage bottles, along with cigarette butts, bottle caps, food wrappers, and fishing gear. Plastic waste is particularly problematic as a pollutant because it is so long-lasting. Plastic items can take hundreds of years to decompose.

This trash poses dangers to both humans and animals. Fish become tangled and injured in the debris, and some animals mistake items like plastic bags for food and eat them. Small organisms feed on tiny bits of broken-down plastic, called microplastic, and absorb the chemicals from the plastic into their tissues. Microplastics are less than five millimeters (0.2 inches) in diameter and have been detected in a range of marine species, including plankton and whales. When small organisms that consume microplastics are eaten by larger animals, the toxic chemicals then become part of their tissues. In this way, the microplastic pollution migrates up the food chain, eventually becoming part of the food that humans eat.

Solutions for marine pollution include prevention and cleanup. Disposable and single-use plastic is abundantly used in today&rsquos society, from shopping bags to shipping packaging to plastic bottles. Changing society&rsquos approach to plastic use will be a long and economically challenging process. Cleanup, in contrast, may be impossible for some items. Many types of debris (including some plastics) do not float, so they are lost deep in the ocean. Plastics that do float tend to collect in large &ldquopatches&rdquo in ocean gyres. The Pacific Garbage Patch is one example of such a collection, with plastics and microplastics floating on and below the surface of swirling ocean currents between California and Hawaii in an area of about 1.6 million square kilometers (617,763 square miles), although its size is not fixed. These patches are less like islands of trash and, as the National Oceanic and Atmospheric Administration says, more like flecks of microplastic pepper swirling around an ocean soup. Even some promising solutions are inadequate for combating marine pollution. So-called &ldquobiodegradable&rdquo plastics often break down only at temperatures higher than will ever be reached in the ocean.

Nonetheless, many countries are taking action. According to a 2018 report from the United Nations, more than sixty countries have enacted regulations to limit or ban the use of disposable plastic items.

Pollutants are dumped into the ocean. This waste affects the daily life of fish and other marine creatures.


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