Modèle expérimental

Conception

Modèle de colonne d'eau avec gradient de température

La conception et la fabrication de deux réservoirs (un avec thermocline et CIF et un sans gradient de température pour fin de contrôle) a débuté en 2002 à l’Institut Maurice-Lamontagne (IML).

Conception

Modèle expérimental de colonne d'eau Vitres à isolation thermique

La colonne (A) est une structure verticale d’environ 1.6 m de haut avec un section interne horizontale de 20.3 x 30.4 cm fabriquée de Plexiglas® clair d’une épaisseur de 1.9 cm.

La colonne est faite de deux parties : une partie moulée, courbée à haute température, formant les côtés et l'arrière et une partie plate collée à la partie moulée pour former l'avant. Un panneau de vitres à isolation thermique fixé à l'avant (B) permet d'éviter la condensation et facilite l'observation des organismes à l'intérieur de la colonne.

Une ouverture de 11.5 cm de diamètre à la basse de la colonne donne accès à l’intérieur pour le nettoyage du fond et, éventuellement, servira pour attacher un mécanisme permettant l’introduction des organismes à la base de la colonne.

Échangeur thermique

Échangeur thermique

Un élément clé pour la formation d’une thermocline et d’une CIF stable a été la conception, la fabrication et l’installation dans la section centrale de la colonne d’un échangeur thermique. L’échangeur est fabriqué d’un tuyau en acier inoxydable de 9.5 mm de diamètre. Le refroidissement de l’eau à ce niveau est obtenu en faisant circuler en continu dans l’échangeur, à l’aide d’un bain-marie circulateur thermostaté, un liquide antigel non toxique refroidi à -1.2 °C.

Une plaque chauffante de 400 watts (réglé pour une température d'environ 92 °C) placée à quelques centimètres du fond dans un espace aménagé sous la colonne permet le réchauffement de l’eau à la base et de créer une « couche profonde chaude » sous la CIF.

Éclairage

Système d'éclairage

La plupart des organismes planctoniques, incluant les jeunes stades de crustacés décapodes comme la crevette nordique, réagissent à la lumière visible (entre environ 450 et 600 nm). Il s’agit du phénomène de phototaxie. Cette réaction est une complication pour étudier leur réaction face à d’autres conditions environnementales tel un gradient de température. Afin de permettre l’observation des organismes sans affecter leur comportement, une source lumineuse rouge (maximum d’émission à 665 nm, puissance de 6.3 µW cm-2 à la source) est placée à l’arrière de la colonne.

 

Spectre d'émission lumineuse

Spectre d'émission de la source lumineuse située à l'arrière de la face dorsale de la colonne. Il a été démontré que les larves de crustacés décapodes ne sont pas sensibles à des longueurs d'onde supérieures à 600 nm (Cronin et Jinks, 2001; Johnson et al. 2002).

Température

A des intervalles d’environ 18 cm sur toute la hauteur de la colonne, 8 sondes digitales (1-Wire Dallas Semiconductors DS18B20) ont été installées au centre de la section horizontale pour la lecture de la température. Les 8 sondes forment un réseau parallèle et sont reliées par des connecteurs de type téléphone à un système de lecture (précision de 0.1 °C sur une plage de -50 à 150 °C), d’affichage et d’enregistrement sur un ordinateur personnel. Le système moniteur/enregistreur gère la lecture des sondes et l’affichage des températures via l’interface usager ZOC pour Windows™ de BMT Micro Inc. (Wilmington, NC. USA).

Performance

Pour les expériences menées au printemps 2004, le système a été installé à une température ambiante de 6 °C dans une unité à atmosphère contrôlée (UAC) de l’Institut Maurice-Lamontagne (IML). La préparation d’un profil de température commence en fin de journée, la veille d’une expérience, par le nettoyage, le remplissage (eau de mer filtrée à 30 µm) et l’aération de l’eau dans la colonne. Le matin du jour d’une expérience, le travail commence par faire circuler dans l’échangeur thermique l’antigel refroidi à -5.5 °C jusqu’à ce que la température de l’eau à ce niveau atteigne 0 °C ou moins. La température dans l’échangeur thermique est alors ramenée à -1.2 °C.

La température dans le UAC donne la température de la couche de surface (environ 6 °C), le système d’échangeur thermique donne une thermocline et une CIF où le minimum de température se maintient à environs 0.5 °C, et la source de chaleur, sous la colonne, produit une couche profonde chaude variant entre 3 et 4 °C.

Une fois établies, les températures au niveau de chaque couche demeurent très stables pour la durée de l’expérience.

 

Températures enregistrées dans la colonne

Températures enregistrées par chacune des 8 sondes positionnées à intervalle d'environ 18 cm sur la hauteur de la colonne. Le graphique montre la grande stabilité des températures à chaque niveau au cours d'une expérience. Des fluctuations plus importantes sont notées pour les températures au fond en raison du fonctionnement intermittent de l'élément chauffant.


Le profil de température possède également toutes les caractéristiques d’un profil naturel tel qu’observé au printemps dans le nord-ouest du golfe du Saint-Laurent.

 

Comparaison des profils moyens des températures

Comparaison des profils moyens des températures. À gauche : moyenne et écart-type pour toutes les simulations réalisées au printemps 2004 en laboratoire à l'aide du modèle expérimental (nombre d'observations = 20). À droite : profil de température enregistré à une station dans le nord-ouest du golfe du Saint-Laurent au printemps 2002. Proportionnellement, la couche de surface est plus importante dans la colonne en laboratoire mais les trois couches typiques du profil de température observé en mer y sont bien représentées.