Variabilité optique des masses d'eau du fleuve Saint-Laurent

RÉSUMÉ: Cette recherche traite de la variabilité des propriétés optiques des masses d'eau du fleuve Saint-Laurent de la sortie des Grands Lacs (Cornwall) jusqu'à l'embouchure de la rivière Chaudière près de la ville de Québec. L'objectif général est d'étudier la variabilité de la couleur de l'eau en fonction des propriétés optiques des substances optiquement actives (SOA) et leur impact sur la composition pigmentaire du phytoplancton. Pour ce faire, des mesures radiométriques multispectrales ont été réalisées à 44 stations dans le Saint-Laurent lors d'une campagne d'échantillonnage en juillet 2013 afin de déterminer les propriétés optiques apparentes des masses d'eau, soit la réflectance et le coefficient d'atténuation diffus de l'éclairement descendant dans la colonne d'eau. En parallèle, les spectres d'absorption de la lumière par le phytoplancton (aph(?)), les particules non algales (anap(?)) et la matière organique dissoute colorée (aMODC(?)) ainsi que les concentrations pigmentaires ont été mesurés sur des échantillons de surface. Deux méthodes de classifications appliquées aux mesures de réflectance ont été testées. La première se base sur l'échelle de couleur de Forel-Ule (FU) et la deuxième sur une analyse en composantes principales des spectres de réflectance. Les deux méthodes ont révélées une importante variabilité spatiale de la couleur de l'eau le long de l'axe fluvial du Saint-Laurent. La méthode FU a permis d'identifier neuf classes optiques d'eau allant du vert au brun et s'est révélée un excellent indicateur du coefficient d'atténuation diffus spectral de la lumière dans la colonne d'eau. Les mesures d'absorption des SOA ont permis de mettre évidence la dominance de la MODC et les NAP dans les courtes et les longues longueurs d'onde respectivement dans le bilan d'absorption. De plus, l'aMODC (443) et l'anap (443) ont tendance à augmenter en fonction de la classe FU. La contribution du phytoplancton à l'absorption totale de la lumière reste marginale dans tous les types d'eau et il n'y a pas de relation avec les classes FU. Cependant, on observe une forte absorption spécifique du phytoplancton (aph*(?)) - en comparaison avec les eaux océaniques - qui diminue en fonction de la concentration de chlorophylle a. Les fortes valeurs de aph*(?) suggèrent que les populations de phytoplancton dans le Saint-Laurent sont de petite taille et qu'il y a une augmentation rapide de l'empilement des pigments (en anglais sous le terme de «?packaging effect?») avec l'augmentation de la biomasse. Pour finir, les analyses pigmentaires ont permis d'identifier 16 pigments dont trois groupes de pigments qui se distinguent. On remarque l'importance des pigments caroténoïdes ainsi qu'un certain regroupement pigmentaire selon la classe FU, suggérant une relation faible mais significative entre la couleur de l'eau et la composition pigmentaire. Ces résultats permettront d'améliorer les modèles bio-optiques utilisés en télédétection dans le but de suivre la qualité optique des eaux du Saint-Laurent. -- Mot(s) clé(s) en français : Mots clés : absorption spectrale, substances optiquement actives, pigments, phytoplancton, couleur de l'eau, propriétés optiques, eaux intérieures, télédétection. -- ABSTRACT: This research deals with the variability of the optical properties of water bodies in the St. Lawrence River from the Great Lakes (Cornwall) to the mouth of the Chaudière River near Quebec City. The general objective is to study the variability of watercolor as a function of the absorption properties of optically active constituents (OAC) and their impact on the pigment composition of phytoplankton. To achieve this, multispectral radiometric measurements were taken at 44 stations in the St. Lawrence River during a sampling campaign in July 2013 to determine the apparent optical properties (AOPs) of water bodies, namely the reflectance and the diffuse attenuation of downward irradiance in the water column. In parallel, light absorption spectra by phytoplankton (aph(?)), non-algal particles (anap(?)) and colored dissolved organic matter (aCDOM(?)) as well as pigment concentrations have been measured on discrete surface water samples. Two methods of classifications applied to reflectance measurements have been tested. The first is based on the Forel-Ule color scale (FU) and the second on a principal component analysis on the reflectance spectra. Both methods revealed significant spatial variability in the watercolor along the river axis of the St. Lawrence River. The FU method allowed identifying nine optical classes of water ranging from green to brown and proved to be an excellent indicator of the spectral diffuse attenuation coefficient of downward irradiance in the water column. The absorption spectra of the OACs have demonstrated the dominance of the CDOM and the NAP in the short and long wavelengths, respectively, in the absorption budget. In addition, the aMODC (443) and the anap (443) tend to increase depending on the FU class. The contribution of phytoplankton to the total light absorption remains marginal in all types of water and there is no relationship with the FU classes. However, we found a high phytoplankton specific absorption coefficient (aph*(?)) - in comparison with oceanic waters - which decreases with the concentration of chlorophyll a. The large values of aph*(?) suggest that the phytoplankton populations in the St. Lawrence are small increasing their efficiency to absorbs light and that there is a rapid increase of the pigment packing with increasing biomass. Finally, the pigment analyzes identified 16 pigments including three groups of pigments that stand out. We note the importance of carotenoïd pigments and a certain pigment grouping according to the FU class, suggesting a weak but significant relationship between the color of the water and the pigment composition. These results will improve the bio-optical models used in remote sensing in order to monitor the optical quality of the St. Lawrence waters. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Keywords : spectral absorption, optically active constituents, pigments, phytoplankton, watercolor, optical properties, inland waters, remote sensing