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Comment les satellites « low-cost » transforment le spatial

Recherche : des satellites pour suivre le changement climatique

Cyril Crevoisier, Directeur de recherche CNRS au sein du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD*) à l'École polytechnique (IP Paris)
Le 27 avril 2021 |
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Recherche : des satellites pour suivre le changement climatique
Cyril Crevoisier
Cyril Crevoisier
Directeur de recherche CNRS au sein du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD*) à l'École polytechnique (IP Paris)
En bref
  • Les satellites ne servent pas uniquement à découvrir l’espace, ils sont également utilisés pour mieux comprendre notre planète.
  • Si ces recherches en sciences de la Terre tentent de répondre à des énigmes aussi vastes que l’origine de notre planète, elles servent aussi à quantifier et à suivre l’évolution du réchauffement climatique.
  • Le niveau de la mer, les taux de radiation, mais également l’état des cultures, et l’humidité des sols… sont mesurés sur le long terme.
  • Toutes les données européennes récoltées par le programme Copernicus sont d’ailleurs accessibles gratuitement en ligne.

Les études sci­en­tifiques ayant recours aux satel­lites sont de deux types : soit nous choi­sis­sons d’observer l’u­nivers, soit nous nous tournons vers la Terre. Les travaux de mon équipe se con­cen­trent prin­ci­pale­ment sur les change­ments qui survi­en­nent sur notre planète, et en pre­mier lieu le change­ment climatique.

Observ­er la Terre depuis le ciel

Nous avons deux objec­tifs lorsque nous obser­vons la Terre depuis l’espace. Le pre­mier est de répon­dre à des ques­tions aus­si larges et fon­da­men­tales que : com­ment la Terre est-elle dev­enue ce qu’elle est aujour­d’hui ? Com­ment évolue-t-elle ? Mais nous nous intéres­sons égale­ment à des phénomènes plus pré­cis, afin d’apporter une réponse aux grands prob­lèmes de société actuels. Cela con­siste notam­ment à aigu­iller les objec­tifs de développe­ment durable des Nations Unies (dont beau­coup sont liés au cli­mat1) ou à ten­ter de mieux com­pren­dre les cat­a­stro­phes naturelles que sont les oura­gans ou les trem­ble­ments de terre.

Les efforts se font à l’échelle mon­di­ale, les dif­férents États se con­cen­trant sur divers domaines tech­niques. Le Cen­tre nation­al d’é­tudes spa­tiales (CNES) français a longtemps eu la NASA pour parte­naire prin­ci­pal, aux côtés de l’A­gence spa­tiale européenne (ESA).

Mais ces dernières années, nous avons assisté à de grands change­ments dans le secteur de l’ob­ser­va­tion de la Terre. Les col­lab­o­ra­tions avec l’Inde, la Chine, ain­si que d’autres agences européennes plus mod­estes – comme l’Allemagne et le Roy­aume-Uni – se sont mul­ti­pliées. Et, avec l’avène­ment des nanosatel­lites (de minus­cules satel­lites, très légers et conçus pour des mis­sions très spé­ci­fiques), des dizaines de nou­velles agences spa­tiales plus petites ont été créées dans le monde entier, afin de tra­vailler sur divers pro­jets – il y en a telle­ment que nous avons du mal à tous les suivre !

Le domaine a égale­ment reçu une recon­nais­sance publique et poli­tique – notam­ment grâce à la COP21 de 2015, durant laque­lle deux pro­grammes spa­ti­aux français dédiés à la sur­veil­lance du CO2 et du CH4 ont été sélec­tion­nés : Micro­Carb2 et Mer­lin3. Ajou­tons à cela l’autre game chang­er : le pro­gramme spa­tial européen Coper­ni­cus4. Opéra­tionnel depuis 2014, il com­prend désor­mais 8 satel­lites (appelés Sen­tinelles) en orbite autour du globe, et dont cha­cun observe dif­férents com­par­ti­ments du sys­tème ter­restre. Dix autres sont en pré­pa­ra­tion pour des lance­ments con­ti­nus jusqu’en 2030, et nous plan­i­fions déjà le prochain pro­gramme en prévoy­ant au moins 6 autres !

Le pro­gramme garan­tit un accès libre aux infor­ma­tions recueil­lies par les satel­lites dans les domaines de l’en­vi­ron­nement et de la sécu­rité à l’échelle mon­di­ale, afin d’aider les prestataires de ser­vices, les autorités publiques ain­si que d’autres organ­i­sa­tions inter­na­tionales. Toutes les don­nées de Coper­ni­cus sont égale­ment open source, c’est-à-dire qu’elles sont libre­ment acces­si­bles pour tous les lab­o­ra­toires, agences et autres acteurs du monde entier qui souhait­eraient les utilis­er (y com­pris les entre­pris­es com­mer­ciales). L’un de ses plus grands util­isa­teurs reste cepen­dant la com­mu­nauté scientifique.

La pol­lu­tion atmo­sphérique en Europe retrou­ve ses niveaux pré-pandémiques en mars 2021 © Union européenne, imagerie Coper­ni­cus Sentinel‑2

Innover pour amélior­er les mesures

En France, nous avons dévelop­pé trois domaines d’ex­cel­lence qui nous per­me­t­tent d’é­tudi­er les change­ments pré­cis des vari­ables cli­ma­tiques dites « essen­tielles » : l’al­timétrie, l’im­agerie optique et le sondage atmo­sphérique. Les vari­ables géo­physiques étudiées sont au nom­bre de 54, et con­tribuent de manière cri­tique à la car­ac­téri­sa­tion du cli­mat de la Terre. Env­i­ron 60 % de ces vari­ables ne peu­vent être appréhendées que grâce à des don­nées satellitaires.

Grâce à l’al­timétrie, issue des mis­sions pio­nnières TOPEX/Poséidon, Jason et main­tenant Sentinel‑6, nous pou­vons suiv­re sur le long terme le niveau de la mer, un fac­teur extrême­ment impor­tant du change­ment cli­ma­tique. Notre sys­tème peut enreg­istr­er les vari­a­tions de la pro­fondeur des océans, et est capa­ble de repér­er la hausse annuelle de 3,3 mil­limètres qui est à l’origine de la mon­tée totale du niveau des mers de 10 cen­timètres au cours des 30 dernières années !

L’im­agerie optique nous per­met quant à elle de suiv­re ce qui se passe sur Terre avec une réso­lu­tion spa­tiale extrême (jusqu’à 10 mètres). Grâce à cette tech­nique, des mis­sions comme TRISHNA nous per­me­t­tent d’analyser l’hu­mid­ité des sols, et de suiv­re les récoltes depuis le ciel afin d’en­reg­istr­er les change­ments induits par l’homme à la sur­face de la planète5.

Enfin, les son­deurs atmo­sphériques nous per­me­t­tent de mesur­er le ray­on­nement provenant des dif­férentes couch­es de l’at­mo­sphère dans tout le spec­tre lumineux – même celui que nous ne pou­vons pas voir – afin de fournir des indi­ca­tions sur la présence de gaz à effet de serre et d’autres pol­lu­ants impor­tants. Ces mesures sont essen­tielles pour com­pren­dre la com­po­si­tion de l’at­mo­sphère ter­restre et, surtout, la façon dont elle évolue dans le temps en rai­son de l’ac­tiv­ité humaine. L’in­stru­ment IASI dévelop­pé par le CNES en coopéra­tion avec l’Or­gan­i­sa­tion européenne pour l’ex­ploita­tion de satel­lites météorologiques (EUMETSAT)67 a récem­ment fourni une vue unique sur le trans­port à tra­vers le monde du monoxyde de car­bone émis par les dra­ma­tiques incendies cal­i­forniens, et a per­mis de suiv­re plusieurs tem­pêtes déser­tiques respon­s­ables du « ciel jaune » en Europe.

Traite­ment des don­nées de retour sur terre

Les satel­lites effectuent divers­es mesures depuis la haute atmo­sphère, mais la plu­part des don­nées sont analysées au sol. Cepen­dant, il est très rare que nous puis­sions mesur­er directe­ment ce dont nous avons besoin. Afin de don­ner du sens aux mesures satel­li­taires, nous devons les inter­préter en ter­mes d’in­for­ma­tions géo­physiques grâce à des algo­rithmes capa­bles de trans­former les don­nées en infor­ma­tions utiles, notam­ment en util­isant le machine learn­ing. De plus, pour com­pléter les infor­ma­tions déjà fournies par les réseaux d’ob­ser­va­tion au sol, nous devons attein­dre un haut niveau de pré­ci­sion. Par exem­ple, pour isol­er les très petites sig­na­tures du change­ment cli­ma­tique, nous devons être capa­bles de détecter une ten­dance de 0,1 Kelvin d’aug­men­ta­tion annuelle… grâce à des mesures effec­tuées à 800 kilo­mètres de la surface !

Un autre défi con­siste à créer un sys­tème d’ob­ser­va­tion inté­gré, capa­ble de com­bin­er à la fois les don­nées spa­tiales et les mesures effec­tuées à la sur­face ou dans les airs [à l’aide de bal­lons météorologiques ou d’avions de recherche]. Notre objec­tif : reli­er ces obser­va­tions entre elles afin de génér­er du sens. Et pour cela, nous avons besoin de mesures pré­cis­es et de mod­èles numériques du sys­tème ter­restre pour les assimiler.

Plan­i­fi­er la prochaine étape

Ce dont nous avons besoin pour les années à venir, c’est d’in­no­va­tion… et de plus de con­ti­nu­ité entre les mis­sions spa­tiales. L’in­no­va­tion pour observ­er de nou­velles vari­ables géo­physiques (comme la con­vec­tion des nuages) et pour amélior­er les obser­va­tions. Pour per­me­t­tre l’é­tude des proces­sus à basse échelle, il faudrait aug­menter la réso­lu­tion spa­tiale de 10 à 2 mètres en car­togra­phie, et de 75 à 15 kilo­mètres en altimétrie.

La con­ti­nu­ité est quant à elle néces­saire pour suiv­re le change­ment glob­al : si l’on con­sid­ère les études cli­ma­tiques, il faut au moins 20 ans pour percevoir des ten­dances dans les don­nées. Dans les années 50, les mis­sions ne duraient que 5 ans. De nos jours, nous sommes plus proches de 12 ans. Mal­gré cela, nous avons tou­jours besoin d’une plus grande per­ma­nence, asso­ciée à la capac­ité de reli­er les don­nées d’une plate­forme à l’autre : c’est la clé si nous voulons faire des com­para­isons dans les don­nées cli­ma­tiques recueil­lies à dif­férentes périodes. 

En con­séquence, nous avons besoin de pro­grammes à long terme avec des bud­gets à long terme. Et c’est égale­ment un défi du point de vue de la ges­tion ! Par exem­ple, la mis­sion IASI a été conçue dès le départ pour dur­er 20 ans, en con­stru­isant trois satel­lites avant 2006, dont un a été lancé immé­di­ate­ment et les deux autres ont été stock­és pen­dant 4 à 8 ans. Au cours de cette péri­ode, la tech­nolo­gie peut évoluer et les ingénieurs peu­vent chang­er de poste ou par­tir à la retraite, empor­tant avec eux leurs com­pé­tences et leur savoir-faire. Or nous prévoyons déjà le lance­ment de trois autres mis­sions en 2023, 2030 et 2037, et nous devons donc être en mesure de retenir nos ingénieurs et de garan­tir que les satel­lites vieil­lis­sent bien pen­dant qu’ils atten­dent dans le hangar, plus de dix ans avant leur lancement !

1https://​www​.un​.org/​s​u​s​t​a​i​n​a​b​l​e​d​e​v​e​l​o​p​m​e​n​t/fr/
2https://​micro​carb​.cnes​.fr
3https://merlin​.cnes​.fr
4https://​www​.coper​ni​cus​.eu/fr
5https://​www​.ces​bio​.cnrs​.fr/​l​a​-​r​e​c​h​e​r​c​h​e​/​a​c​t​i​v​i​t​e​s​/​m​i​s​s​i​o​n​s​-​s​p​a​t​i​a​l​e​s​/​t​r​i​shna/
6https://​iasi​.cnes​.fr/​f​r​/​I​A​S​I​/​F​r​/​i​n​d​e​x.htm
7https://​www​.eumet​sat​.int/

Auteurs

Cyril Crevoisier

Cyril Crevoisier

Directeur de recherche CNRS au sein du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD*) à l'École polytechnique (IP Paris)

Cyril Crevoisier et son équipe étudient les variables climatiques atmosphériques et particulièrement les gaz à effet de serre à l’aide d’observations spatiales et aéroportées. Cyril Crevoisier est directeur de recherche CNRS et responsable de l’équipe « Atmosphère, biosphère et climat par télédétection » du Laboratoire de météorologie dynamique (*LMD : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, ENS, Sorbonne Université). Il préside le comité scientifique pour les sciences de la terre du Centre national d’études spatiales.