Les émissions de gaz à effet de serre : une menace pour l’orbite terrestre basse ?

Selon de nou­velles ana­lyses réa­li­sées par des ingé­nieurs aéro­spa­tiaux du MIT, l’aug­men­ta­tion des émis­sions de gaz à effet de serre ren­dra de plus en plus dif­fi­cile le main­tien des opé­ra­tions satel­li­taires en orbite basse. En effet, le dioxyde de car­bone (CO₂) et d’autres gaz à effet de serre pro­voquent le « rétré­cis­se­ment » de la ther­mo­sphère, une couche de l’at­mo­sphère supé­rieure où gra­vitent actuel­le­ment la plu­part des satel­lites. Cette contrac­tion dimi­nue la den­si­té de la ther­mo­sphère, ce qui réduit la traî­née atmo­sphé­rique, une force qui attire les satel­lites et d’autres objets spa­tiaux hors d’u­sage vers des alti­tudes où ils peuvent se dés­in­té­grer. William Par­ker, cher­cheur-étu­diant diplô­mé à AeroAs­tro, revient sur les résul­tats de ces recherches.

William Par­ker. Cette réduc­tion de la traî­née signi­fie que les débris spa­tiaux res­te­ront plus long­temps dans la ther­mo­sphère, pol­luant ain­si cette région impor­tante et aug­men­tant le risque de col­li­sions entre les satel­lites en orbite. Notre ana­lyse montre que si nous conti­nuons à émettre les gaz à effet de serre au rythme actuel, ces émis­sions rédui­ront le nombre de satel­lites que nous pour­rons exploi­ter en toute sécu­ri­té dans les années à venir. 

La haute atmo­sphère ter­restre joue un rôle essen­tiel dans l’é­li­mi­na­tion des débris spa­tiaux : pour la plu­part des objets, la traî­née atmo­sphé­rique est le seul méca­nisme natu­rel d’é­li­mi­na­tion. Cepen­dant, avec l’aug­men­ta­tion des émis­sions de gaz à effet de serre, la haute atmo­sphère se refroi­dit et se contracte, s’é­loi­gnant de la région où nous dépen­dons d’elle pour net­toyer les débris.

Nous savons que les gaz à effet de serre pro­voquent un réchauf­fe­ment près de la sur­face de la Terre en pié­geant la cha­leur qui, autre­ment, s’é­chap­pe­rait dans la haute atmo­sphère. Cepen­dant, ces gaz faci­litent le rayon­ne­ment de l’éner­gie vers l’es­pace à tra­vers la haute atmo­sphère, ce qui entraîne un refroi­dis­se­ment et une contrac­tion à long terme à des alti­tudes plus élevées.

Pour modé­li­ser les effets de cette modi­fi­ca­tion du bilan éner­gé­tique, nous avons uti­li­sé des simu­la­tions de l’at­mo­sphère dans son ensemble afin d’exa­mi­ner l’in­fluence des varia­tions de la concen­tra­tion de CO₂ à la sur­face sur la struc­ture de la tem­pé­ra­ture et de la den­si­té dans la région de l’at­mo­sphère où orbitent les satel­lites (c’est-à-dire jus­qu’à 2 000 kilo­mètres de la sur­face de la Terre). Cette région est connue sous le nom d’or­bite ter­restre basse. Ces satel­lites sont impor­tants car ils four­nissent des ser­vices essen­tiels pour l’In­ter­net, les com­mu­ni­ca­tions, la navi­ga­tion et les pré­vi­sions météo­ro­lo­giques, pour ne citer que quelques exemples.

Nous avons simu­lé plu­sieurs scé­na­rios d’é­mis­sions de gaz à effet de serre pour le XXIe siècle afin d’é­tu­dier leur impact sur la den­si­té atmo­sphé­rique dans la ther­mo­sphère et la traî­née asso­ciée. Pour chaque plage d’al­ti­tude ou « couche » étu­diée, nous avons modé­li­sé la dyna­mique orbi­tale et le risque de col­li­sion entre satel­lites en fonc­tion du nombre d’ob­jets pré­sents dans la couche. Nous avons ensuite uti­li­sé ces don­nées pour déter­mi­ner la « capa­ci­té d’ac­cueil » de chaque couche, c’est-à-dire le nombre maxi­mal de satel­lites qu’elle peut supporter.

Nous avons ana­ly­sé plu­sieurs scé­na­rios : le pre­mier dans lequel les concen­tra­tions de gaz à effet de serre res­tent au niveau de l’an­née 2000 ; et d’autres dans les­quels les émis­sions aug­mentent selon les scé­na­rios socio-éco­no­miques par­ta­gés (SSP) du Groupe d’ex­perts inter­gou­ver­ne­men­tal sur l’é­vo­lu­tion du cli­mat (GIEC) jus­qu’à la fin du siècle. Nous avons consta­té que ce der­nier scé­na­rio pour­rait réduire consi­dé­ra­ble­ment la capa­ci­té d’ac­cueil. En effet, les simu­la­tions pré­voient que d’i­ci 2100, la capa­ci­té des régions situées entre 200 et 1 000 km d’al­ti­tude pour­rait être réduite de 50 à 66 %. Cette situa­tion pour­rait même sur­ve­nir avant la fin du siècle, d’au­tant plus que cer­taines régions de l’at­mo­sphère sont déjà encom­brées de satel­lites. Les « méga­cons­tel­la­tions » telles que Star­link de Spa­ceX, qui com­prend des flottes de mil­liers de petits satel­lites Inter­net, sont un exemple de ce genre de satellites.

Le chan­ge­ment cli­ma­tique per­tur­bait déjà le sta­tu quo, et nous assis­tons désor­mais à une aug­men­ta­tion mas­sive du nombre de satel­lites lan­cés ces der­nières années. En effet, plus de satel­lites ont été lan­cés au cours des cinq der­nières années qu’au cours des 60 années pré­cé­dentes réunies. On dénombre aujourd’­hui plus de 10 000 satel­lites en orbite ter­restre basse.

Nous savions déjà que la ther­mo­sphère se contracte et se dilate natu­rel­le­ment tous les 11 ans, en rai­son du cycle natu­rel d’ac­ti­vi­té du Soleil. Lorsque le Soleil est dans une phase de faible acti­vi­té, la Terre reçoit moins de rayon­ne­ment solaire et sa haute atmo­sphère se refroi­dit et se contracte tem­po­rai­re­ment. Elle se dilate à nou­veau lorsque l’ac­ti­vi­té solaire augmente.

Les cher­cheurs ont vou­lu savoir com­ment la ther­mo­sphère réagit aux gaz à effet de serre en plus de ce cycle solaire natu­rel. Les pre­mières études sug­gé­raient que la ther­mo­sphère devrait se contrac­ter, rédui­sant ain­si la den­si­té atmo­sphé­rique à haute alti­tude. Nous avons pu mesu­rer les chan­ge­ments de traî­née sur les satel­lites ces der­nières années, et ces mesures montrent que la ther­mo­sphère se contracte d’une manière qui ne peut s’ex­pli­quer uni­que­ment par l’ac­ti­vi­té solaire.

L’or­bite ter­restre basse est de plus en plus encom­brée et contes­tée, ce qui veut dire que les modèles atmo­sphé­riques pré­cis sont essen­tiels pour pré­voir l’é­vo­lu­tion à long terme de ces débris. Ces modèles doivent donc prendre en compte les chan­ge­ments dans la haute atmosphère.

Nos tra­vaux démontrent que la varia­bi­li­té de l’en­vi­ron­ne­ment spa­tial joue un rôle essen­tiel dans la déter­mi­na­tion des points de bas­cu­le­ment pour une acti­vi­té durable dans l’orbite ter­restre basse. Ils mettent éga­le­ment en avant les avan­tages d’exploiter les alti­tudes plus basses, où la traî­née atmo­sphé­rique per­met d’é­li­mi­ner rapi­de­ment tout pro­blème en cas de défaillance, rédui­sant ain­si la pol­lu­tion satel­li­taire à long terme. Les conclu­sions de notre étude sou­lignent l’ur­gence d’une coor­di­na­tion inter­na­tio­nale en matière de ges­tion du tra­fic spa­tial, sans laquelle nous ris­quons de fran­chir des seuils dan­ge­reux, ce qui pour­rait mener à une tra­gé­die des biens communs.

Propos recueillis par Isabelle Dumé

Réfé­rence :

• Green­house gases reduce the satel­lite car­rying capa­ci­ty of low Earth orbit, Nature Sus­tai­na­bi­li­ty 8 363–372