Comment surveiller le changement climatique depuis l’espace

À la suite de la COP26 à Glas­gow, il a beau­coup été ques­tion du sui­vi de l’évolution du chan­ge­ment cli­ma­tique et de ses effets. Dans l’équipe du Labo­ra­toire de météo­ro­lo­gie dyna­mique (LMD), nous nous concen­trons sur l’ob­ser­va­tion de la Terre à l’aide de satel­lites afin d’a­mé­lio­rer notre com­pré­hen­sion du cli­mat, de notre pla­nète et des chan­ge­ments qui s’y pro­duisent. Cela est pos­sible prin­ci­pa­le­ment grâce aux pro­grès de la tech­no­lo­gie et à notre capa­ci­té à ana­ly­ser les don­nées recueillies.

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.

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 !