Clarifier le rôle de la clarté de l’eau dans la gestion côtière

La clarté de l’eau est essentielle à la santé et à la restauration des plantes et des animaux marins dans le monde entier, en particulier dans les systèmes côtiers peu profonds tels que la baie de Chesapeake. Mais il s’avère que mesurer la clarté de l’eau n’est pas aussi clair qu’il y paraît.

Des recherches au Virginia Institute of Marine Science dirigées par le Dr Jessie Turner révèlent que la « clarté » d’une parcelle d’eau dépend de la méthode utilisée pour la mesurer, et que différentes questions de recherche et décisions de gestion méritent différents outils et techniques de mesure de la clarté. Turner et ses co-auteurs, les Drs. Kelsey Fall et Carl Friedrichs, exposent leurs recommandations dans un récent article de Lettres de limnologie et d’océanographie.

« Dans les eaux côtières et intérieures », explique Turner, « les méthodes que nous utilisons pour mesurer la clarté de l’eau peuvent déformer le climat lumineux sous-marin utilisé pour déterminer les objectifs de restauration, tels que l’habitat potentiel disponible pour les herbes sous-marines. Il est donc très important de choisir le plus méthode de mesure appropriée et de communiquer clairement la méthode utilisée. Tous les paramètres de clarté de l’eau ne sont pas créés égaux.

Les graminées sous-marines remplissent de nombreuses fonctions écologiques clés et font partie des habitats les plus étroitement surveillés de la baie. Ils fournissent de la nourriture et un abri à de nombreuses espèces marines, aident à oxygéner l’eau et peuvent atténuer le réchauffement climatique en éliminant le dioxyde de carbone de l’air. Pour ce faire, ils ont besoin d’eau claire pour la photosynthèse et la croissance. Leur dépendance à l’eau claire en fait un « canari dans la mine de charbon » pour la clarté de l’eau dans les systèmes côtiers peu profonds.

Eau et bière

Pour expliquer les complexités de la clarté de l’eau et de sa mesure, Turner se tourne vers une analogie avec la bière, un autre liquide dont la « clarté » est d’un intérêt général. Ironiquement, le principe scientifique utilisé pour définir la clarté de la bière et d’autres liquides est connu sous le nom de loi de la bière (ironique car le principe a d’abord été appliqué au vin, pas à la bière, et doublement car la loi porte le nom du chimiste allemand August Beer, pas le boisson houblonnée).

« La loi de Beer nous dit que la quantité de lumière qui traverse un liquide dépend de la concentration de matière dans le liquide et de la distance sur laquelle vous mesurez », explique Turner.

Alors, quel est le « truc ? »

« Dans la bière », dit Turner, « il s’agit soit de particules comme la levure et le houblon, soit de choses dissoutes comme le sucre ou les tanins du processus de brassage. Dans la baie de Chesapeake, les ‘trucs’ peuvent être des particules telles que de minuscules morceaux de terre et des plantes microscopiques, ou de matière organique dissoute et d’autres solutés. » La matière organique dissoute est un thé terreux imprégné de litière de feuilles, de résidus de récolte, de sol et d’autres matériaux à base de carbone de la baie et de son bassin versant.

Fondamentalement, les particules et les substances dissoutes entravent la lumière de différentes manières. « Lorsque la lumière frappe l’eau ou la bière, elle peut soit être dispersée, soit être absorbée », explique Turner. « Les particules diffusent la lumière, les substances dissoutes absorbent la lumière. »

Les abondances relatives de matières particulaires et dissoutes se combinent pour produire différents environnements lumineux. Dans les zones de la baie de Chesapeake avec des niveaux élevés de particules diffusant la lumière et de solutés absorbant la lumière, l’eau est sombre comme une grosse. Dans les zones avec beaucoup de particules diffusant la lumière mais peu de solutés absorbant la lumière, l’eau est trouble mais brillante, comme une bière brumeuse. Les zones avec peu de particules ou de solutés sont les plus claires, comme un cidre.

Disques de Secchi et capteurs de lumière

Ces différences ont des ramifications importantes lorsqu’elles sont considérées à la lumière des multiples outils et techniques utilisés par les scientifiques pour mesurer la clarté de l’eau. Deux outils optiques courants sont les disques de Secchi et les capteurs de lumière. Les scientifiques mesurent également directement la concentration de particules en suspension, de matières dissoutes et de chlorophylle (le pigment que les plantes et le plancton utilisent pour capter la lumière du soleil pour la photosynthèse).

« Un disque de Secchi est un simple disque noir et blanc que vous abaissez horizontalement dans l’eau », explique Turner. « La profondeur à laquelle il disparaît de la vue est connue sous le nom de profondeur de Secchi. » Cet outil bon marché, facile à déployer et utilisé depuis longtemps mesure la transparence de l’eau et la profondeur de visibilité des objets.

Les capteurs de lumière mesurent la perte ou l’atténuation de la lumière solaire lorsqu’elle pénètre plus profondément dans l’eau, en se concentrant sur les longueurs d’onde que les plantes utilisent pour la photosynthèse. Les valeurs enregistrées sont comparées à celles recueillies par un capteur de surface pour tenir compte des différences de lumière entrante dues aux nuages ​​et à l’heure de la journée.

Bien que les progrès de l’électronique et des matériaux aient réduit le coût et augmenté l’utilisation des capteurs de lumière, les disques de Secchi restent le cheval de bataille quotidien de nombreuses études sur la clarté de l’eau, à la fois par des chercheurs professionnels et un cadre croissant de scientifiques communautaires.

Selon Turner et ses co-auteurs, des problèmes surviennent lorsque les praticiens appliquent une équation traditionnelle à taille unique pour estimer l’atténuation de la lumière à partir des valeurs de profondeur de Secchi. En effet, la relation entre ces deux mesures peut varier considérablement en fonction du climat lumineux local, qu’un site d’étude sous-marin soit sombre comme un gros, brillant mais nuageux comme une bière ou clair comme un cidre.

« La relation entre ces deux mesures peut varier considérablement entre et au sein des estuaires et d’autres environnements aquatiques en fonction de la latitude, de l’hydrologie et du climat », explique Turner. « L’utilisation d’un seul facteur de conversion pour estimer l’atténuation de la lumière en fonction de la profondeur de Secchi peut donc sous-estimer ou surestimer le climat lumineux sous-marin. »

Par exemple, dans les eaux troubles de la rivière York, un affluent majeur de la baie de Chesapeake, l’utilisation du facteur de conversion traditionnel sous-estimerait la lumière disponible pour les herbiers marins, et donc vendrait à découvert les cibles potentielles de restauration.

Recommandations

Pour contrer cela et les difficultés connexes, Turner et ses collègues recommandent plusieurs changements dans la façon dont la clarté de l’eau est mesurée et signalée. Le plus important est de communiquer clairement la méthode utilisée, qu’il s’agisse d’une profondeur de Secchi à partir d’un disque de Secchi, d’une atténuation de la lumière ou d’une autre méthode.

Pour les études liées aux graminées sous-marines et à d’autres organismes qui aiment la lumière, les auteurs conseillent à leurs collègues de collecter directement les valeurs d’atténuation de la lumière.

« Les mesures d’atténuation de la lumière avec la profondeur sont les plus pertinentes pour la plupart des recherches sur les écosystèmes aquatiques », explique Turner. « Ils sont bien adaptés à la recherche impliquant des herbes sous-marines, du varech et des coraux, car ces organismes et d’autres organismes similaires sont adaptés pour récolter la lumière descendante. » Les auteurs recommandent l’utilisation d’une mesure « scalaire » distincte de l’atténuation de la lumière lors de l’étude du phytoplancton, qui, en tant qu’organismes flottants, peut récolter la lumière de toutes les directions, à la fois descendante et dispersée sur le côté et en dessous.

Si des problèmes de coût ou d’autres facteurs encouragent l’utilisation des disques de Secchi, les auteurs conseillent aux chercheurs de renoncer à l’utilisation de l’équation traditionnelle à taille unique, leur recommandant plutôt de calibrer la profondeur de Secchi à la formule d’atténuation de la lumière à l’aide de mesures localisées. « L’équation doit être calibrée localement car les caractéristiques des matières dissoutes et particulaires de l’eau varient considérablement, parfois sur de très courtes distances », explique Turner. « Ces caractéristiques peuvent également varier selon les saisons. »

Étant donné que les valeurs de profondeur de Secchi mesurent la visibilité et la transparence, les auteurs affirment que leur application directe est la plus appropriée pour les études sur les poissons et autres prédateurs visuels. Ils notent qu’ils sont également utiles dans un contexte humain, dans des domaines tels que les loisirs aquatiques et la valeur des propriétés et des paysages côtiers.

Quelles que soient les méthodes qu’une équipe de recherche pourrait utiliser, les auteurs les exhortent à sélectionner la ou les mesures les plus utiles en fonction de la question de recherche ou de l’objectif de gestion spécifique.

« Lorsqu’elles sont pertinentes pour l’objectif », déclare Turner, « même les mesures les plus simples de la clarté de l’eau sont précieuses pour la surveillance et la restauration de l’environnement, qu’elles soient collectées par des programmes d’échantillonnage scientifique, des organisations à but non lucratif ou des scientifiques communautaires ».