Exposé de Guy Duchossois - session 212 du 6 mars 2025
Support de présentation (pdf)
Ont été ajoutées à la fin de la présentation une douzaine de planches fournies par mes ex-collègues de l’ESRIN/Frascati qui illustrent des résultats très intéressants de projets récents financés par l’ESA dans le domaine de l’océanographie (« Ocean Highlights projects »). Chaque planche mentionne les auteurs et le site sur lequel on peut trouver la publication.
L’exposé débute avec un bref rappel de l’auteur de sa formation (ingénieur ENSEEIHT) et de son parcours professionnel (CNES/Brétigny – Division Mathématiques- en1966-1967) et ensuite à l’Agence Spatiale Européenne à ESTEC/Pays-Bas de 1967 à 1979 comme ingénieur système en support des missions de la Direction « Sciences spatiales » et ensuite de 1979 à 2002 au siège de l’ESA à Paris comme « Responsable Mission/Mission Manager » dans la Direction Observation de la Terre pour les missions ESA d’observation de la Terre et de météorologie. Depuis sa retraite en 2002 il est consultant pour diverses organisations avec des programmes d’observation de la Terre (OMM/PMRC , ESA/GEO, UE/Copernicus).
L’exposé décrit les étapes chronologiques et leurs programmes spatiaux de l’ESA au cours des décennies passées de 1975 à nos jours.
Les prémices
La décennie 1970-1980 est marquée par l’apport visionnaire de André Lebeau (géophysicien et normalien, Directeur des Programmes Futurs et des Plans de l’ESA de 1975 à 1980) qui met en place différents programmes préparatoires tels que Earthnet pour l’acquisition en Europe des données des premiers satellites de Télédétection Landsat de la NASA mais aussi de Seasat et Nimbus 7 qui serviront de base aux futurs missions ESA ERS-1, ERS-2 et Envisat. Ces données acquises en Europe via les stations de Kiruna, Fucino, Maspalomas, Lannion et Oakhanger sont largement distribuées aux scientifiques européens pour leurs besoins de recherches. Des diagrammes de couvertures géographiques et d’organisation du centre ESA de gestion Earthnet basé à ESRIN/Frascati sont fournis.
Il met aussi en place, en coopération avec l’Union Européenne et le Conseil de l’Europe un réseau de laboratoires scientifiques (EARSeL- European Association of Remote Sensing Laboratories) et un réseau pour des application thématiques (EARSC- European Association of Remote Sensing Companies) dans le but de développer l’utilisation en Europe des données des premières missions de télédétection.
Les premières missions ERS-1 et ERS-2
La décennie 1980-1990 voit le développement des premiers satellites ERS-1 et ERS-2 qui seront lancés dans la décennie suivante, respectivement en 1991 (fin de vie en 2000) et 1995 (fin de vie en 2011) et permettant ainsi de collecter quelques 20 années de données validées et de haute qualité sur la surface des océans (champ de vent, champ de vagues, température, géoïde marin...) ainsi que sur les zones côtières et glacières, permettant ainsi des avancées scientifiques majeures présentées à des symposia organisés annuellement par l’ESA.
Après de nombreuses consultations avec des groupes d’experts européens éminents sur les objectifs prioritaires à satisfaire (priorité donnée à observation des océans et zones polaires) et le choix des instruments à embarquer (priorité donnée à l’instrumentation micro-ondes avec une capacité d’observation tous temps et de nuit comme de jour) et tenant en compte les capacités du lanceur Ariane 4, la charge utile de ERS-1 est finalisée au début des années 80 et les premiers contrats industriels lancés. Cette charge utile, inspirée de Seasat, comprend un radar à synthèse d’ouverture (RSO) opérant en bande C, avec plusieurs modes opératoires (mode imageur haute résolution sur les terres continentales, zones côtières et glacières, mode diffusiomètre vent sur les océans, mode spectre des vagues sur les océans), un altimètre radar opérant en bande Ku, un radiomètre passif sondeur micro-onde bi-fréquence, un radiomètre IR à balayage conique, un équipement de localisation précise et un système de rétro-réflecteurs laser.
Il faut souligner la contribution majeure du Haut Comité Consultatif pour l’observation de la Terre de l’ESA, composé d’éminentes personnalités scientifiques européennes (y inclus un futur prix Nobel de Physique en 2019, le Professeur Klaus Hasselmann du Max-Planck Hambourg) pendant cette période.
Le développement de ces instruments dans l’industrie européenne (par un consortium de quelques 80 compagnies avec Dornier maitre d’œuvre) a représenté un véritable défi technique et une première pour certains d’entre eux, en particulier le RSO en bande C (Le RSO de Seasat opérait en bande L) qui a nécessité de nombreuses études, développements technologiques et campagnes aéroportées.
Le satellite ERS-2 est quasiment identique à ERS-1 mais embarque un instrument supplémentaire GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) proposé par John Burrows et Paul Crutzen (Prix Nobel de Physique en 1995), instrument développé en un temps record qui fournira des données excellentes sur l’ozone stratosphérique entre autres.
Des exemples de résultats dans différentes disciplines sont présentés dans l’exposé.
Plateformes Polaires - POEM-1 et la mission Envisat
A partir des années 1985 se développe le concept de très grandes plateformes polaires POEM (>15 tonnes !) développées en coopération par les partenaires de la « Columbus Space Station » (USA, Japon, Canada, Europe). Des Appels coordonnés pour des propositions d’instrumentations à embarquer sont émis et conduisent à une pré-sélection de plus de 20 instruments associant des instruments à vocation de recherche scientifique et des instruments à vocation opérationnelle (essentiellement météorologique).
Le Conseil Ministériel de l’ESA réuni à Grenade en 1992 (Présidence de Hubert Curien, Ministre français de la Recherche) décide de scinder en deux le concept de très grande plateforme polaire POEM, avec d’une part la mission Envisat à vocation de recherche et d’autre part la mission MetOp à vocation de météorologie opérationnelle.
Le satellite Envisat approuvé en 1992, lancé en 2002 (fin de vie en 2012) permet d’assurer la continuité des données ERS jusqu’en 2012. Il embarque 10 instruments dont 3 instruments hérités de ERS (AATSR, MWR, LRR) et fournit des observations additionnelles importantes pour la chimie de l’atmosphère grâce à l’ajout de 3 instruments (MIPAS, GOMOS, SCIAMACHY) ainsi que pour la biologie marine avec le spectromètre MERIS. Il embarque aussi une complétement nouvelle génération de RSO, ASAR (avec une antenne active comportant 320 modules émetteurs /récepteurs) et un nouvel altimètre radar bi-fréquence en bande Ku et S.
L’exposé fournit de nombreux exemples de premiers résultats obtenus avec Envisat.
Stratégie ESA post ERS/Envisat : Missions Earth Explorer et Missions Earth Watch
De nombreuses consultations dans la période 1995- 2000 conduisent à la définition de la stratégie post ERS et Envisat pour l’ESA comme détaillée dans le document ESA-SP 1234 Living Planet Programme. La stratégie propose de considérer 2 types de missions de tailles raisonnables (1-2 tonnes) incluant les »Earth Explorer », missions à vocation de recherche et de démonstration technologique et les « Earth Watch », missions à vocation de services opérationnels. Ce concept est approuvé en 1995 au Conseil Ministériel ESA tenue à Toulouse et un Programme Enveloppe pour l’observation de la Terre (EOEP) va se mettre en place progressivement à partir des années 1998.
Missions Earth Explorer
C’est dans ce contexte que les missions Earth Explorer GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) pour l’étude du champ gravitationnel terrestre en fonction entre 2009 et 2013, SMOS (Soil moisture at the surface, Sea Surface salinity) de 2009 à nos jours pour la mesure de l’humidité des sols et de la salinité de surface des océans, et CryoSat-2 lancé en avril 2010 et toujours opérationnel pour la mesure des variations de l'épaisseur de la calotte glaciaire terrestre et marine, vont être développées et lancées.
Quelques résultats importants pour l’océanographie sont présentés pour GOCE, SMOS et Cryosat-2.
A noter qu’à ce jour en 2025, 8 autres missions Earth Explorer ont été lancées (SWARM en 2013, Aeolus en 2018, Earthcare en 2024, Biomass en 2025) ou sont en cours de développement (lancements de Forum en 2027, Flex en 2026, Harmony en 2029 et Wivern en 2030-2031) avec des objectifs scientifiques autres que l’océanographie.
Missions Earth Watch
A partir de 2000 a émergé le programme Earth Watch « Copernicus » (ex-GMES), une coopération entre l’UE, l’ESA et Eumetsat. Ce programme est conçu pour fournir des services opérationnels dans 6 domaines thématiques prioritaires visant entre autres au suivi de l’Environnement et au renforcement de la Sécurité des Etats européens sur la base d'observations satellitaires et in situ. Six séries de missions dites « Sentinel » spécialisées en sont un outil essentiel et sont complétées par des missions contributrices (satellites publics et satellites commerciaux existants). A ce jour plus de 80 satellites coordonnés par l’ESA contribuent à Copernicus.
D’intérêt particulièrement important pour l’océanographie sont le service Copernicus Environnement marin (CMEMS) piloté par Mercator Ocean International et le service Copernicus Changement Climatique (C3S) piloté par ECMWF.
Les missions Sentinel de haute importance pour l’océanographie sont les Sentinel 1 (imagerie radar avec RSO de conception avancée, mode « spectre des vagues »), Sentinel 3 ( SLSTR - Sea and Land Surface Temperature Radiometer-, OLCI - Ocean and Land Color Instrument - une version améliorée du spectromètre MERIS de Envisat et SRAL - SAR Radar Altimeter- SRAL en bande C et Ku-band, complété par MWR - Radiomètre micro-onde en bande K et Ka) et Sentinel 6- Michael Freilich (avec l’altimètre radar Poséidon-4 à ouverture synthétique, double fréquence en bande Ku et C, complété par un radiomètre micro-onde AMR-C).
L’exposé détaille ensuite plus particulièrement CMEMS, le service fourni par Mercator Ocean International et son consortium avec quelques exemples de produits. A noter la planche qui montre la signature récente de l’accord de coopération entre l’ESA et Mercator Ocean International, avec Costas Kadis, Commissaire à la pêche et aux océans, Josef Aschbacher, DG ESA et Pierre Bahurel, DG de Mercator Océan International.
Situation post 2030
La continuité des données étant essentielle pour la fourniture de services opérationnels, la nouvelle génération des missions Sentinel (Sentinel NG) est en cours de définition complétée par des « missions Expansion » dont 3 sont d’importance pour l’océanographie (CIMR, CRISTAL et ROSE-L) avec des lancements prévus vers 2028-2030.
L’attention est attirée sur la situation préoccupante des observations in situ, coordonnées par l’AEE, mais sans financement communautaire (UE) et dont la pérennité est laissée à la seule responsabilité des Etats membres de l’UE et à la coopération internationale (par ex bouées ARGO).
L’exposé enfin donne des informations chiffrées sur les budgets ESA dédiés à l’observation de la Terre des années 2024 (2.372 M€) et 2025 (2.582 M€) représentant respectivement 30,5% et 33,6% du budget total ESA. Ces budgets sont les plus importants des budgets alloués par domaine thématique (lanceurs, science, navigation, vols habités...).
La conclusion rappelle le rôle majeur et le leadership de l’Europe (ESA, Eumetsat, CNES...) en océanographie spatiale tant sur le plan scientifique (Prix Nobel en Europe), que sur le plan industriel et technologique qui ont conduit au programme Copernicus, fournisseur de services opérationnels aux utilisateurs sur une base gratuite et ouverte.
Remarque : Une douzaine de planches ont été ajoutées à la présentation mais non présentées durant l’exposé. Ces planches présentent les résultats de projets ESA intitulés « Ocean Highlights ». Les auteurs et sites sont indiqués sur ces planches pour des informations complémentaires si nécessaires.
Rappel
Annonce de la Publication de l'Institut Français d’Histoire de l’Espace et présentation officielle le 12 avril 2025
UNE HISTOIRE DES SCIENCES DE L’ATMOSPHÈRE, DE L’OCÉAN ET DU CLIMAT DEPUIS L’ESPACE racontée par ses acteurs français, européens et leurs partenaires »
Sous la Direction de Jean-Louis Fellous, Jean-Claude André, Marie-Lise Chanin, Guy Duchossois, Jean-François Minster, Alain Ratier et Philippe Waldteufel - Préface Du Professeur Pierre Morel
