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l'exploration sous-marine

Plongée sous-marine
Plongée sous-marine

La mer recouvre un peu plus de 70 % de la surface du globe, soit environ 360 millions de kilomètres carrés (140 millions de milles carrés). Depuis l'Antiquité jusqu'à nos jours, elle est un trait d'union entre les peuples et les continents. Longtemps l'homme s'est attaché à ne parcourir que la surface des océans, sans pour autant se risquer à franchir le « miroir » et pénétrer dans ce que Jacques-Yves Cousteau appelle « le monde du silence ».

Un univers différent

Le monde sous-marin, trois fois plus grand que les terres émergées, est démesuré, titanesque, à l'image de ses canyons, de ses plaines abyssales ou bien encore de la fosse des Mariannes, située dans le Pacifique Sud et dont la profondeur atteint quelque 11 000 m. Les grands fonds ont toujours éveillé la curiosité de l'homme et ont donné lieu à autant de mythes et de légendes qu'il est possible d'en imaginer. Des sirènes et des poulpes géants jusqu'au bathyscaphe de Jules Verne dans Vingt Mille Lieues sous les mers (1870), l'homme a rêvé ce que des connaissances techniques et scientifiques ne lui permettaient pas d'atteindre.

Ce qui n'était que curiosité est aujourd'hui d'un intérêt économique et stratégique majeur. L'augmentation de la population mondiale et les besoins qu'elle génère présentent le milieu marin sous un angle différent. Il apparaît comme un formidable potentiel de ressources biologiques et minérales. Une meilleure connaissance des océans a d'une part des répercussions sur des domaines d'activités tels que la pêche (gestion des stocks et extension de la pêche à des espèces des grands fonds), mais aussi sur l'exploitation des gisements pétrolifères, puisque l'on estime que les réserves terrestres n'excèdent pas trente années. D'autre part, l'un des enjeux majeurs de la conquête des grands fonds réside dans l'exploitation des champs de nodules polymétalliques.

Mais l'exploration sous-marine, c'est aussi la plongée subaquatique. Qu'elle se pratique comme activité sportive ou comme un auxiliaire de l'archéologie, elle est un témoin des progrès menés en la matière.

L'homme face aux contraintes de la plongée

Lorsque l'océanaute pénètre dans l'eau, il subit les lois physiques propres aux fluides. S'il est vrai que le principe d'Archimède s'applique à tout corps plongé dans un liquide, des conséquences physiologiques sur le plongeur sont inexistantes. Mais il n'en est pas de même si l'on considère l'augmentation de la pression et ses répercussions sur l'organisme humain. Le plongeur subaquatique s'expose à des troubles physiologiques graves, pouvant entraîner la mort.

Dans un premier temps, le plongeur doit s'équiper pour pouvoir s'adapter au milieu aquatique. Cette première étape impose la correction des déformations visuelles. Elles sont la conséquence d'une mauvaise convergence des images sur la rétine. Pour y remédier, l'homme doit se doter d'un masque de verre, à l'image de quelqu'un qui observerait un aquarium. La seconde étape consiste à pallier la déperdition de chaleur du corps humain. Elle est d'autant plus rapide que le plongeur limite ses mouvements afin d'économiser ses réserves en air. Aussi, se dote-il d'un équipement composé d'une combinaison intégrale étanche ou semi-étanche, en mousse de Néoprène, et d'éléments destinés à isoler les extrémités du corps. L'eau pénètre entre la peau et le vêtement sans pour autant y circuler, assurant ainsi une protection thermique efficace.

Les effets de l'augmentation de pression

Au niveau de la mer, l'homme évolue sous une pression constante de 1 kg/cm2 (14,3 livres par pouce carré). Lorsque le plongeur s'immerge, la pression auquel il est soumis augmente. Ainsi, lorsqu'il atteint 10 m, la pression est de 2 kg/cm2. À une profondeur de 40 m, la pression est de 5 kg/cm2, soit cinq fois supérieure à la normale. À 1 m de profondeur, la pression exercée sur la poitrine humaine ne permet pas une activité normale des muscles respiratoires. Pour compenser ce handicap, le plongeur inspire de l'air comprimé selon la profondeur de l'immersion. À 10 m, il est comprimé à 2 kg/cm2 (28,6 livres par pouce carré) et à 6 kg/cm2 (85,8 livres par pouce carré) pour une profondeur de 50 m. Toutes ces variations de pression entraînent une modification au niveau des cavités contenant de l'air. Dès lors, la compression des poumons, de l'estomac mais aussi des sinus et des tympans, constitue un risque majeur pour le plongeur.

Les accidents de décompression

La solubilité d'un gaz contenu dans un liquide est d'autant plus grande que la pression est grande. Selon ce principe, l'air ou les mélanges gazeux inspirés lors de la descente sont dissous dans le sang après leur passage au travers des alvéoles pulmonaires, et cela jusqu'au seuil de saturation correspondant à la pression.

Description

Les risques interviennent lors de la remontée. À mesure que le plongeur remonte vers la surface, la pression diminue et les gaz dissous se dispersent sous forme de bulles. Ces bulles disparaissent de l'organisme pour autant que l'océanaute respecte une remontée progressive. Si ce dernier progresse vers la surface sans respecter le temps nécessaire à la dissolution totale des gaz, il ne fait aucun doute qu'il sera victime d'une décompression aux conséquences le plus souvent dramatiques (embolie gazeuse entraînant une paralysie, lésions nerveuses, etc.).

Réglementation

Pour permettre aux plongeurs, qu'ils soient professionnels ou occasionnels, de pratiquer leur activité sans aucun risque, des tables de plongée ont été élaborées. Elles définissent avec rigueur le nombre et la durée des paliers à respecter lors de la remontée et cela en fonction de la profondeur d'immersion. La première de ces tables a été mise au point par J.S. Haldane, en 1907, pour le compte de la Royal Navy. En France, les plongeurs utilisent depuis 1965 les tables GERS 65 adaptées aux « travailleurs hyperbares ». À cette époque, il n'existait pas de tables officielles pour la « plongée sportive de loisirs ». En 1990, la MN 90 est la référence officielle. Elle prend en compte de plus en plus de tissus, ce qui impose des paliers de plus en plus longs. En 1992, la MT 92, établie par le ministère du Travail, est étendue officiellement pour la première fois aux loisirs. À titre d'exemple, une plongée à 40 m de profondeur, avec une bouteille d'air de 12 litres de volume, peut durer 15 min, avec un palier de 4 min à 3 m. Les « travailleurs hyperbares » ont résolu ce problème par l'intermédiaire des « maisons sous la mer ». Elles permettent de séjourner au fond, d'y travailler et de se soumettre aux paliers de décompression une seule fois, c'est-à-dire lors de la remontée.

L'ivresse des profondeurs

Les gaz à haute pression ont des effets sur l'organisme que l'homme n'a pu expliquer jusqu'à aujourd'hui. Ils ont des conséquences physiologiques ou psychologiques car ils altèrent le système nerveux. Celle qui vient immédiatement à l'esprit porte le nom de « narcose à l'azote », parfois plus connue sous le nom d'« ivresse des profondeurs ». Elle survient en cas d'utilisation d'un scaphandre à air, uniquement à partir d'une profondeur égale ou supérieure à 40 m. Il semblerait, dans l'état actuel de nos connaissances, qu'elle soit due à la fixation des graisses sur le système nerveux. Le plongeur perd tout contrôle de lui-même : s'il n'est pas accompagné par une personne qualifiée, il peut avoir un comportement euphorique, et aller jusqu'à ôter son masque et son embout, et se donner la mort sans même s'en rendre compte.

La « barrière de la narcose », selon l'expression des techniciens, constitue un handicap majeur dans l'exploration sous-marine. Actuellement, l'utilisation de l'hélium, sept fois plus léger et quatre fois moins soluble dans les graisses que l'azote, permet de déplacer cette limite de profondeur à 300 m.

La connaissance des lois physiques permet à l'homme d'envisager des immersions de plus en plus profondes. Les recherches actuelles portent sur les mélanges gazeux. Grâce aux découvertes récentes, l'océanaute est capable d'atteindre des profondeurs de l'ordre de 500 m, en plongée simulée.

Histoire de l'exploration sous-marine

L'exploration sous-marine, par des moyens autres que la plongée libre, a été pratiquée par les pêcheurs de nacre, de corail et d'éponge et remonte au ive s. avant notre ère. À cette période, Aristote décrit ce qui est la première cloche à plongeurs (des « cuves d'airain descendant dans l'océan, l'ouverture dirigée vers le bas et pouvant abriter un ou plusieurs hommes »). Selon une légende, cet appareil a été utilisé lors du siège de Tyr à la fin du ive s. avant notre ère. Mais, durant des siècles, l'homme va se heurter aux lois de la physique des fluides dont il ignore l'existence.

Après le Siennois Jacopo Mariano, dit le Taccola, en 1440, inventeur du premier scaphandre à cagoule et à tuyau d'air, et les palmes de natation dessinées par Léonard de Vinci, il faut attendre 1679 pour voir une nouvelle étape franchie dans l'exploration sous-marine. À cette date, l'Italien Giovanni Borelli élabore ce qui aurait pu être l'ancêtre du scaphandre. Cependant, son appareil ne sera jamais expérimenté.

Curieusement, alors que les bases de la plongée semblaient acquises, l'évolution vers le scaphandre lourd se fera à partir de la vieille idée grecque de la cloche à plongeurs. En 1716, l'Anglais Edmund Halley immerge dans les eaux de la Tamise, par 18 m de fond, un engin appelé « cloche de Halley ». Les océanautes sont alimentés en air par l'intermédiaire de tonneaux lestés et immergés. Quelques années plus tard, Halley reliera le sommet de la cloche à une pompe et, pour la première fois, les plongeurs peuvent quitter l'engin, munis d'un casque en bois. De cette idée va naître, en 1776, le premier scaphandre lourd.

Le professeur français Fréminet habille le plongeur d'un casque muni d'un hublot, alimenté en air depuis la surface et possédant en son sommet une soupape d'évacuation de l'air vicié. La stabilité du plongeur est assurée par des semelles en plomb. Il faudra attendre 1819 pour que le scaphandre prenne sa forme définitive. Après l'Allemand Klingert, qui pense, en 1797, à protéger l'océanaute du froid, l'ingénieur Auguste Siebe parachève le scaphandre en équipant le casque en cuivre de trois hublots et d'un vêtement intégral imperméable.

Le scaphandre lourd

Aujourd'hui, l'utilisation du scaphandre à casque se limite aux travaux nécessitant un minimum de déplacements sur le fond. Le principe du scaphandre à casque s'est peu modifié depuis 1819. Les améliorations consistent d'une part en une meilleure étanchéité grâce à des manchons de caoutchouc et d'autre part en l'aménagement d'une soupape réglable de l'intérieur. Ce système permet de compenser les variations de pression induites par les changements de profondeur.

Cependant, le scaphandre lourd présente des risques d'accident non négligeables, qui ont endeuillé l'histoire de l'exploration sous-marine. Indépendamment des risques inhérents à toutes les plongées, le « coup de ventouse » ou squeeze, et la « remontée en ballon » constituent des accidents graves, souvent mortels, propres aux « pieds lourds ». Dans le premier cas, il y a dépression par réduction du volume d'air, consécutive à une diminution du débit d'air en surface. Le scaphandrier est alors dans l'incapacité de contrôler sa descente vers les profondeurs. La décompression est telle que le corps humain est irrémédiablement aspiré vers le casque. Dans le second cas, il s'agit d'une remontée par accumulation d'air, souvent causée par un dysfonctionnement de la soupape d'évacuation d'air. La vitesse de la remontée est telle que l'azote dissous présent dans le sang n'a pas le temps de se résorber. Le scaphandrier est victime d'un accident de décompression.

Parce que les risques encourus sont le plus souvent mortels, le scaphandre lourd occupe une place marginale dans les travaux sous-marins ; on lui préfère aujourd'hui le scaphandre autonome.

Vers le scaphandre autonome

Le principe du scaphandre autonome est le suivant : la totalité du gaz expiré est rejetée à l'extérieur par l'intermédiaire de tubulures souples qui permettent aussi l'approvisionnement en air. Le plongeur est muni de bouteilles en acier de cinq à dix litres de volume contenant un gaz comprimé entre 170 et 180 kg/cm2 (2 400 à 2 550 livres par pouce carré) qui lui assure une autonomie d'environ 50 minutes à 10 m de profondeur ou de 25 minutes à 30 m.

Il existe deux types de régulateur de pression, plus communément appelé détendeur, selon qu'il possède un ou deux étages de détente. Le détendeur dorsal à un étage est le plus courant. Lorsque le plongeur inspire, il crée une dépression à l'intérieur d'une chambre basse. Cette dernière est obturée par une membrane souple, laquelle s'enfonce et provoque l'ouverture d'une soupape qui est normalement fermée par la pression de l'air contenue dans la bouteille. Ainsi, le plongeur peut-il aspirer de l'air « frais ». À l'expiration, les gaz sont évacués par une valve d'expiration, ou « bec de canard », située sur l'embout que le scaphandrier tient dans sa bouche. Au fur et à mesure de la descente du plongeur, la pression exercée par l'eau augmente ; la soupape s'ouvre jusqu'à ce que l'équilibre des pressions soit rétabli.

Les autres types de scaphandre

Qu'ils soient autonomes ou non, en circuit ouvert ou fermé, il existe de nombreux systèmes de scaphandres, tous adaptés aux exigences de l'exploration ou du travail sous-marin.

Le scaphandre à circuit ouvert, mais non autonome, appelé « narguilé », est un système utilisé pour des travaux de longue durée ne nécessitant pas de déplacements importants. Ce procédé se substitue à celui du scaphandre lourd. Le plongeur est relié à une batterie de bouteilles d'air, sous une pression de 5 à 7 kg/cm2 (70 à 100 livres par pouce carré), par un détendeur doté d'un étage basse pression.

Le scaphandre autonome à circuit semi-fermé marque une nouvelle étape dans l'exploration sous-marine. Encore au stade expérimental, ce système tente de minimiser les risques d'intoxications et d'ivresse des profondeurs en réduisant le taux d'oxygène. Il repose sur le principe d'un mélange gazeux « héliox » (hélium + oxygène) dont les proportions varient selon la profondeur de la plongée. Le circuit semi-fermé se caractérise par la présence d'un sac respiratoire muni d'une cartouche épuratrice.

Le scaphandre autonome à circuit fermé se compose d'un réservoir à gaz comprimé, d'un détendeur haute pression et d'un sac respiratoire souple servant de chambre basse pression. Les gaz expirés sont filtrés par l'intermédiaire d'une cartouche qui absorbe le gaz carbonique. Ce dispositif permet une plongée indécelable depuis la surface, sans émission de bulles. Son utilisation est strictement réservée au domaine militaire. La toxicité violente de l'oxygène au-delà d'une certaine profondeur limite son application aux dix premiers mètres de la tranche d'eau.

Engins autonomes et maisons sous la mer

Les contraintes physiques et physiologiques inhérentes à la plongée imposent une utilisation restreinte de simples scaphandres pour l'exploration sous-marine. Dès les années 1930, les océanographes ont tenté d'approcher les fonds sous-marins. Il apparaît un demi-siècle plus tard que les données scientifiques en notre possession n'ont pas réellement évolué. En effet, dans les limites actuelles de nos connaissances, l'exploration des grands fonds ne peut se faire que dans une ambiance sous pression atmosphérique, à l'intérieur d'appareils étanches et capables de résister à des pressions considérables.

Les engins d'exploration subaquatique

Le premier engin à atteint une profondeur de 907 m a été réalisé par le biologiste américain William Beebe, en 1934. La bathysphère est un appareil non autonome : elle ne peut contrôler sa descente, et sa remontée se fait au moyen d'un câble qui la maintient en contact avec la surface.

L'autonomie de déplacement des véhicules de plongée sera directement inspirée de la technique issue des dirigeables. En 1946, le physicien suisse Auguste Piccard, spécialiste des ascensions en ballon, va équiper une sphère métallique de réservoirs. Ces derniers contiennent de l'essence, dont la densité est plus faible que celle de l'eau ; ce dispositif permet donc une remontée indépendante de la surface. La profondeur d'immersion est contrôlée au moyen de lests, tout comme un dirigeable. Uniquement destiné à l'observation, le bathyscaphe, muni de hublots, est doté d'un moteur qui lui assure une capacité de déplacements longitudinaux. Grâce à cet appareil, l'exploration sous-marine va progressivement atteindre les grands fonds des océans. Dans un premier temps, en 1954, un bathyscaphe va descendre à la profondeur jamais atteinte de 4 050 m. Cependant, il faudra attendre six longues années pour parvenir à toucher le « plancher » du monde. Cette aventure a été réalisée le 23 janvier 1960 par l'US Navy, à bord d'une version améliorée de bathyscaphe. Don Walsh et Jacques Piccard, fils de l'inventeur, ont atteint à bord du Trieste la profondeur de 10 987 m, au large de l'île de Guam (Pacifique).

Malgré cet exploit technique, l'aventure des grandes profondeurs continue. Il s'agit désormais de parvenir à augmenter l'autonomie et les rayons d'action de ces engins. Leurs applications sont essentiellement scientifiques. Ces « submersibles » d'un genre particulier sont destinés à la recherche et aux prélèvements d'échantillons en pleine eau comme sur le fond.

Parmi les appareils qui se sont succédé, on différencie ceux privilégiant la profondeur d'immersion, ceux privilégiant la durée d'immersion, et ceux prenant en compte les deux facteurs à la fois.

Les soucoupes plongeantes, ou « puces de mer », ont un domaine d'application qui ne se situe qu'aux alentours de quelques centaines de mètres de profondeur. Cet inconvénient est compensé par le fait qu'elles permettent des explorations de longue durée. La première soucoupe de cette catégorie a été mise à l'eau le 25 juillet 1959 ; elle est l'œuvre du commandant Cousteau. Son diamètre de 2 m et sa hauteur de 1,46 m permettaient à deux hommes de s'installer à plat ventre à l'intérieur d'un habitacle pourvu de nombreux hublots. Sa vitesse n'excédait pas un nœud, soit 1,852 km/h. Cette version sera suivi du Deep Star/4000. Cet appareil, baptisé ainsi par les Américains, résulte des travaux effectués sur la SP 1200 par l'Office français de recherches sous-marines et commandée par le commandant Cousteau. De forme sphérique (1,90 m de diamètre), le Deep Star évolue à une vitesse de 3 nœuds au moyen de deux hélices latérales. Sa capacité d'immersion atteint 1 200 m, profondeur à laquelle il peut se déplacer sur un rayon de 40 kilomètres. L'Institut français de la recherche en mer et de l'exploitation des ressources (Ifremer) possède deux soucoupes plongeantes, dont le Nautile, qui a servi à prendre des images lors de l'opération Titanic.

Un autre exemple d'engin limité en profondeur, qui n'est pas à proprement parler une « puce de mer », est le Mésoscaphe de Jacques Piccard. Capable de s'immerger jusqu'à 800 m, d'une capacité de 40 places, il est uniquement destinée au tourisme (lac Léman, Suisse).

Il existe de nombreux submersibles, autres que militaires. Ils présentent parfois des propriétés et des capacités d'exploration sous-marine différentes. L'Aluminaut date de 1963, c'est un engin complet qui associe une immersion à 5 000 m de profondeur et un rayon d'action de 150 km. L'Alvin de l'US Navy plonge quant à lui à 2 000 m. Il est à noter que ces engins d'exploration sous-marine sont essentiellement conçus pour accueillir deux personnes.

Les maisons sous la mer

Les années 1960 sont marquées par les grandes découvertes du cosmos et des fonds sous-marins. Dans la seconde moitié du xxe s., l'homme cherche à prolonger la durée d'immersion pour pouvoir travailler. Pour ce faire, il entreprend une succession d'expérimentations visant à poser sur des fonds de véritables maisons sous la mer. Le but est de permettre un séjour de quelques jours à plusieurs semaines en état de compression et de ne pratiquer les paliers de décompression qu'à l'occasion de la remontée. Les océanautes embarqués pratiquent des sorties régulières au cours de leur séjour.

La première expérience en ce domaine est due à l'océanographe américain Edwin Link, en 1962. Au cours de cette même année, l'opération Précontinent I, dirigée par le commandant Cousteau, immerge deux plongeurs à une profondeur de 10 m pendant 8 jours. Un an plus tard, en juillet 1963, deux maisons sont immergées en mer Rouge : l'expérience, Précontinent II, comprend une habitation à 9,50 m de fond, l'autre reposant à une profondeur de 25 m. Les habitations sont respectivement alimentées en air et avec un mélange d'hélium et d'air, ce dernier posant le problème d'entraîner des pertes calorifiques importantes.

Cette série d'expériences uniques au monde s'achève avec Précontinent III (100 m de fond pendant 20 jours), qui démontre sans équivoque que la vie en saturation n'altère aucunement les facultés des plongeurs. Dès lors, les recherches se succèdent sans répit.