29 notions-clefs : sur les traces des migrateurs

Le suivi animalier par le système Argos
Auteurs : Delphine Picamelot(plus d'infos)
Résumé :
Document de Delphine Picamelot et Sylvie Massemin-Challet issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 16 Mai 2014

Les éléments du système Argos

Le système Argos fonctionne schématiquement à l’inverse du GPS : la balise Argos n’est pas réceptrice mais émettrice. Les messages qu’elle envoie, à une fréquence particulière, sont reconnus par des satellites équipés d’un matériel spécifique. En fonction de différents paramètres liés à l’effet Doppler (voir le schéma ci-dessous), les calculateurs peuvent déterminer, en ayant reçu à peu de temps d’intervalle plusieurs messages de la même balise, à quel endroit du globe elle se trouve. Ces résultats sont transmis via des stations terrestres aux utilisateurs des balises, c’est-à-dire aux scientifiques qui les ont posées sur les animaux. La précision de la localisation finale (appelée « classe ») varie de quelques dizaines de mètres à quelques kilomètres en fonction des conditions d’émission et de réception des messages. Cette balise donne aussi d’autres informations très utiles comme l’altitude et l’on peut, après calcul, obtenir la vitesse de l’oiseau.

Les éléments du système GPS

Les 24 satellites du système GPS en orbite autour de la Terre émettent régulièrement des messages parfaitement synchronisés et reconnus par des récepteurs spécialement équipés de systèmes compatibles. En fonction de leur éloignement par rapport aux satellites, les récepteurs reçoivent avec un léger décalage temporel les messages émis simultanément par ces derniers. Les récepteurs peuvent ainsi calculer les distances qui les séparent des différents satellites et, avec quatre distances, peuvent déterminer très précisément leur localisation dans l’espace.
Tous ces calculs sont réalisés par les récepteurs eux-mêmes. Si un utilisateur (plaisancier, pilote, conducteur, promeneur, etc.) dispose d’un récepteur, il dispose immédiatement de sa position. Dans le cadre de programmes scientifiques de suivi d’animaux, les chercheurs doivent récupérer les récepteurs, et donc souvent recapturer les animaux, pour disposer des informations de localisation enregistrées durant les semaines ou les jours précédents.

Les éléments du système Argos

Les balises Argos émettent régulièrement des messages, reconnus par des satellites spécialement équipés de systèmes de réception.
Les positions sont calculées à partir des mesures de l’effet Doppler. Ce phénomène physique est repérable par chacun d’entre nous lorsque nous entendons différemment le bruit d’une locomotive selon qu’elle se rapproche (son perçu aigu) ou qu’elle s’éloigne (son perçu grave), alors que le bruit réellement émis par la locomotive n’a pas du tout changé. En effet, la fréquence sonore reçue par un observateur fixe diffère de la fréquence sonore émise par un objet en mouvement à cause de la vitesse de déplacement de cet objet.
Pour la localisation Argos, le principe est le même avec la fréquence émise par la balise. Lorsque le satellite se « rapproche » puis s’éloigne de la balise, la fréquence des messages reçus change. Il faut que le satellite reçoive plusieurs messages au cours d’un même passage au-dessus de la balise pour pouvoir comparer les fréquences reçues avec la fréquence théoriquement émise. Cette différence permet de calculer une série de positions possibles pour la source des messages à la surface de la Terre. Des équations permettent enfin de tester la vraisemblance de chacune des positions. Tous ces calculs sont réalisés par les satellites et par des centres de traitement de données répartis partout dans le monde. Les localisations sont ensuite simplement transmises aux utilisateurs.

Deux inconvénients limitent encore l’usage du système Argos : le coût de fabrication et de localisation des balises, et la nécessité de disposer d’une source d’énergie (batterie) pour émettre les messages, ce qui alourdit le matériel et empêche encore son utilisation à long terme sur de petits animaux, surtout s’ils sont volants.

L’adaptation des balises aux animaux

Il est en effet primordial d’adapter les balises aux espèces étudiées. Le chercheur n’a aucun intérêt à poser du matériel gênant pour l’animal qu’il souhaite étudier, car il risquerait d’obtenir des résultats non représentatifs. Il est donc indispensable que les balises perturbent le moins possible les individus équipés.

On pensera d’abord à poser des balises légères, qui ne dépassent si possible pas 3 % de la masse de l’animal (à l’heure actuelle, on peut poser des balises Argos GPS pesant 45 g pour une cigogne de 3,5 kg). Si l’animal doit en effet transporter un lourd fardeau, il sera pénalisé par rapport à ses congénères. La miniaturisation des composés électroniques a permis de construire des balises de 6 g (balise Argos sans GPS). Cela a permis de mettre en évidence la plus longue migration sans arrêt répertoriée jusqu’à présent : la barge rousse a parcouru 11 500 km en 9 jours, allant de l’Alaska jusqu’en Nouvelle-Zélande. Mais toute la difficulté réside dans le choix de la batterie qui permettra à la balise de fonctionner : plus elle sera légère, moins il y aura d’énergie disponible pour émettre les messages vers les satellites. Pour pallier partiellement ce problème, la programmation préalable des balises permet de ne les faire émettre que, par exemple, huit heures toutes les trente heures, en fonction de la fréquence désirée des localisations et de la durée totale du suivi. Ainsi, une balise destinée à une cigogne peut durer théoriquement plus de deux ans si elle est programmée pour ne pas émettre tous les jours, notamment en dehors des périodes de migration. La miniaturisation toujours plus efficace des composés électroniques a permis de résoudre ce problème d’autonomie d’énergie par l’utilisation de batteries solaires, permettant théoriquement un suivi à vie de l’animal équipé.
Une cigogne blanche équipée d’une balise Argos solaire GPS en Alsace.

Le volume et la couleur de la balise sont également importants. L’encombrement doit être minimal et le mode de fixation le moins gênant possible. La couleur doit se fondre avec celle de l’individu afin de ne pas le rendre plus visible pour les prédateurs, ou moins attrayant pour ses partenaires.
Si la balise doit minimiser le plus possible le surcoût énergétique de son transport, et donc être aérodynamique pour un animal aérien ou hydrodynamique pour un animal aquatique, elle doit également résister aux intempéries rencontrées et aux contraintes spécifiques de l’environnement des individus étudiés. Ainsi, pour suivre les déplacements des manchots, des éléphants de mer ou des tortues marines, les balises doivent-elles résister à la salinité et aux pressions rencontrées lors de plongées dépassant parfois 500 m !
Les balises Argos sont de ce fait fabriquées sur mesure et en petites quantités, ce qui les rend extrêmement chères (de l’ordre de 2 000 à 4 000 i pièce). Peu d’animaux peuvent alors être équipés au sein d’une même population, mais les résultats obtenus pour chacun d’entre eux sont extrêmement précis.

Les résultats obtenus, exemples des cigognes blanches et des tortues luths

Une fois résolues toutes ces contraintes, les résultats obtenus pour l’étude du comportement migratoire des espèces peuvent être extraordinaires. Si les données reçues par le chercheur se traduisent par des tableaux a priori rébarbatifs de dates, heures, latitudes et longitudes, la succession de ces localisations, disponibles pratiquement en temps réel, permet de suivre le déplacement des animaux sur une carte, « comme si on y était » (exemple sous forme de « travaux pratiques »).

C’est ainsi que les cigognes blanches peuvent être suivies pendant leur migration automnale vers l’Afrique, puis printanière vers l’Europe. Plusieurs équipes de chercheurs – français, suisses et allemands notamment – posent régulièrement des balises Argos sur des cigognes blanches. En fonction des études, les animaux choisis et les conditions de pose sont différents, mais dans tous les cas, les balises, qui doivent être blanches, légères et résister aux coups de bec et à la chaleur, sont fixées par un harnais de type « bretelles de sac à dos ».
Ainsi, en 1997, six jeunes cigognes alsaciennes, partant pour leur toute première migration vers le sud, ont été équipées de balises Argos par un laboratoire strasbourgeois du CNRS, le Centre d’écologie et physiologie énergétiques. Ces jeunes ont été choisis en fonction du comportement migratoire de leurs parents, afin de déterminer si le fait d’avoir des parents migrateurs était déterminant ou non pour migrer à son tour.
Grâce à cette technique, les déplacements de ces six cigognes ont été suivis tous les deux à quatre jours, pour certaines jusqu’en Espagne (voir Sur la Toile). Mais, à la surprise des chercheurs, les cigognes nées de parents sédentaires sont, pour certaines, allées plus loin que celles nées de parents supposés migrateurs ! Bien entendu, ces quelques trajets ne permettent pas de généraliser ce comportement à toute l’espèce, mais ils ont pu mettre en lumière certaines particularités impossibles à révéler autrement que par un pistage aussi précis.
Dans une autre étude, une trentaine de cigognes adultes ont également été équipées ces dernières années de balises Argos par l’équipe du muséum de Fribourg, en Suisse. Grâce à une balise pourvue d’une batterie solaire, les chercheurs ont pu suivre un même individu plusieurs années de suite et donc comparer les trajets empruntés d’une année sur l’autre. De plus, grâce au nombre de cigognes suivies, la connaissance des routes migratoires est désormais beaucoup plus précise, ce qui permet de confronter celles-ci aux zones dangereuses pour les oiseaux (lignes électriques non protégées par exemple).
Même si tous les animaux équipés n’atteignent pas leur destination ni ne « donnent de nouvelles », ces recherches apportent toujours plus d’informations sur les chemins migratoires, les zones de rassemblement et le comportement individuel d’animaux sélectionnés avec soin. L’équipement de ces animaux permet aussi de savoir si le voyage de migration se fait d’une seule traite ou pas. Chez la cigogne noire, il a pu être localisé chaque halte migratoire et le temps passé sur le site de chacune d’entre elles. Une fois répertoriés, ces sites peuvent être soumis à des plans de conservation.


Haltes migratoires sur le trajet de migration de cigognes noires entre l’Europe et l’Afrique (Ciconia ciconia). (Remerciements à D. Chevallier)

Les déplacements de Max, une cigogne suisse suivie depuis août 1999 jusqu’à 2009.
© Adrian Aebischer/ muséum de Fribourg.

Avec une balise à pile solaire, les chercheurs du muséum de Fribourg (Suisse) suivent depuis août 1999 les déplacements de Max, une cigogne née à Avenches (Suisse) en mai 1999, qui dévoile ainsi son comportement aux scientifiques.
Le 12 août 1999, Max a commencé son voyage vers le sud pour passer son premier hiver au nord du Maroc. En avril 2000, il est de nouveau passé par Gibraltar pour revenir en Espagne. Au sud de Madrid, il a trouvé une décharge présentant suffisamment de nourriture pour y passer tout l’été.

En 2002, Max a trouvé au nord du lac de Constance près de Salem (Allemagne) une partenaire sur un nid perché sur un arbre et y a élevé deux jeunes. Max âgé de quatre ans s’est reproduit à nouveau avec succès au printemps 2003 à proximité de son nid de 2002. Alors que cette cigogne rejoignait le continent africain chaque hiver, elle arrête sa migration depuis deux ans à la péninsule Ibérique.

Avec l’étude de la tortue luth, il s’agissait également d’obtenir les trajets précis d’animaux au cours des périodes où ils échappent à la vue des hommes. En effet, ces énormes reptiles de plus de 350 kg viennent pondre sur les plages de Guyane pendant quelques heures, sept à dix fois par an, puis disparaissent pour plusieurs mois, voire plusieurs années. Les observations de tortues en mer sont très rares, mais les filets de pêche sont nombreux à en capturer accidentellement, et à provoquer ainsi leur mort par noyade. Le but de l’étude de ces animaux marins était donc de déterminer avec précision les zones qu’ils fréquentaient afin de pouvoir contribuer à leur sauvegarde.
Les balises et les harnais utilisés pour les tortues peuvent être beaucoup plus lourds que ceux utilisés pour les cigognes, mais ils doivent résister aux plongées profondes en mer et durer si possible plus d’une année. La contrainte supplémentaire du suivi d’un animal aquatique est que les messages émis par les balises Argos ne traversent pas l’eau. Celles-ci doivent donc se trouver en surface pour être détectées, ce qui, dans le cas des tortues, ne pose pas de problème majeur puisqu’elles remontent régulièrement pour respirer. Grâce à un interrupteur sensible à l’immersion, les balises peuvent n’émettre qu’en surface, économisant leurs piles quand elles sont sous l’eau.
Jusqu’ici, les observations de tortues luths, venant de Guyane, vivantes ou mortes, sur les plages du monde entier, avaient révélé qu’elles effectuaient probablement de très longues migrations, de l’hémisphère Sud à l’hémisphère Nord, des Antilles aux côtes françaises. Les suivis par satellite réalisés par le CNRS ont mis en évidence que les tortues ne partent pas dans une direction unique mais que, selon les individus, le départ peut se faire vers le nord, le nord-ouest ou l’est. Ces suivis, longs de plusieurs mois, ont également révélé l’ampleur de ces trajets et les zones précisément traversées en fonction des moments de l’année (voir la carte des TP).
Ces données, très récentes, encore en cours de traitement, seront transmises aux organismes de gestion des pêches sud-américaines. Grâce à ces nouveaux éléments, il faut espérer que des mesures seront prises pour protéger certaines zones sensibles à certains moments cruciaux du cycle annuel des tortues.

D’autres techniques ?

A côté des balises Argos, la technique de la géolocalisation par la lumière peut être appliquée à des animaux de petite taille. De petits appareils sont munis d’une horloge qui mesure la longueur du jour. Le fait de connaître l’heure à laquelle le Soleil se lève et se couche permet de déterminer la latitude et la longitude des lieux où se trouvent les animaux. Si la précision des données est beaucoup moins bonne, cela permet néanmoins de décrire des axes de migration encore inconnus pour différentes espèces. L’exemple précédent sur le grand trajet migratoire du puffin fuligineux a été obtenu par cette technique.
Puisque l’on ne peut équiper qu’une petite fraction d’une population, on peut avoir recours à l’utilisation de radars positionnés sur des passages migratoires (en général des cols de montagne) qui permettent non pas de suivre un animal sur son parcours de migration ou de distinguer les espèces entre elles mais de faire un suivi temporel (date des passages de migration d’une année sur l’autre) d’un grand nombre d’individus appartenant à des populations différentes. On peut ainsi évaluer l’intensité des passages, la vitesse des animaux (pas seulement des oiseaux mais aussi des insectes) et l’altitude.
Aujourd’hui, connaître le comportement migratoire d’une espèce ne relève donc plus de la simple curiosité scientifique. La protection d’une espèce passe par une connaissance approfondie des différentes zones traversées et des comportements adoptés durant toutes les phases du cycle annuel. Couplées à des caméras, des capteurs de température, de pression, d’activité ou de rythme cardiaque, les balises permettent aujourd’hui l’étude de l’écologie, des stratégies énergétiques et de la physiologie des animaux. Suivis à la trace dans un environnement souvent hostile pour l’homme, les animaux deviennent même parfois des auxiliaires scientifiques, accumulant dans leurs capteurs des millions d’informations sur les milieux qu’ils traversent. Sous peu, le matériel sera tellement miniaturisé qu’il sera utilisable sur de tout petits animaux, pendant de longues périodes. Les vols migratoires n’auront alors plus de secrets pour nous… même si la technique idéale pour suivre un animal en migration restera toujours de monter sur son dos et de voyager avec lui, tel Nils Holgersson avec les oies sauvages !

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