Observation de l'océan depuis l'Espace

Raymond Zaharia

Des progrès énormes ont été réalisés au cours des quatre dernières décennies en particulier grâce à l’avènement de nouveaux outils d’observation, les satellites, qui ont offert une vision globale, continue et homogène des océans. 

La période actuelle, dont cette page s'efforce de rendre compte, met en évidence la transition toujours délicate des missions expérimentales consacrées au progrès des connaissances vers les applications opérationnelles des résultats acquis. Pour avoir une idée de ces applications voir la News 2014 : Un point sur les satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie en 2014 et la News 2016 : Lancement de Jason-3- Le point sur l'altimétrie au 18/01/2016

Envisat Source ESA et Jason2 Source CNES

Le tableau ci-dessous résume les paramètres permettant de décrire  la surface océanique dans l'ordre où ils ont été observés depuis l'espace (pour plus de détails voir page AVISO Alimetry).
Dans colonne "Mission", on trouve les premiers satellites qui ont embarqué les instruments permettant l'observation des océans.
Certains ne sont plus opérationnels et beaucoup d'autres ont été mis en orbite.
Pour avoir une vision complète en temps réel, consulter la base de donnée du site OSCAR, page instrument : Observing Systems Capability Analysis and Review Tool
Pour accéder aux pages instruments, entrer "le nom de l'instruments" dans la zone "Search for" et la liste des satellites passés, présents ou futur comportant l'intrument s'affiche.

Ce tableau ne prétend pas être exhaustif. 

Le site internet OSCAR de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale) donne la liste complète de tous les programmes satellites passés, en service et à venir. à vocation météorologique et observation de la Terre. Cette base de donnée unique fournit aussi le détail des programmes et des instruments de mesure.

Ce tableau appelle plusieurs observations :

• Parmi les quatre premiers paramètres du tableau ci-dessus, observés en routine depuis des années, seuls l'altimètre et le diffusiomètre ne sont pas tributaires d'une faible couverture nuageuse.

• La topographie dynamique fournie par l'altimètre permet d'accéder à l'information intégrée sur toute  la hauteur de la colonne d'eau pour le rôle de la température et de la salinité (qui déterminent les écarts de densité des masses océaniques). C'est une grandeur intégrale qui joue pour l'océan le même rôle que la pression atmosphérique en météorologie.

• Depuis fin 2009, la salinité de surface fait désormais partie des mesures réalisées depuis l'espace (SMOS et Aquarius).

• Certains  radars sur satellites dédiés (TRMM) permettent de mesurer les précipitations. L'océan représentant 70% de la surface de la Terre, ces mesures sont aussi des mesures océaniques! 

• Jusqu'en 2018 (lancement de CFOSAT), il n'existe aucun instrument embarqué européen dédié à l'étude des champs de vagues. Cependant l'information sur les états de la mer peut être déduite des mesures de 2 autres types d'instrument, les diffusiomètres et les altimètres. Les altimètres ne fournissent que la hauteur significative des vagues (également appelée H 1/3). Les altimètres fournissent aussi la vitesse du vent tandis que les diffusiomètres fournissent à la fois la vitesse du vent et sa direction.

• Parmi les mesures considérées comme vitales pour les modèles numériques, il y a la topographie (dont la pente par rapport au géoïde dénote un courant océanique). La mise en orbite de Jason 2, longtemps attendue, est venue limiter en juin 2008  le risque d'interruption des mesures altimétriques. En effet, depuis 2007/2008, Jason 1 et ENVISAT avaient tous deux dépassé la durée de vie prévue ; en outre, le successeur de la partie océanique d'ENVISAT, Sentinel 3A n'arrivera qu'au troisième trimestre 2015.

• La complexité, la turbulence, la diversité du spectre spatio-temporel des phénomènes océaniques ne peuvent être appréhendés qu'à l'aide d'un nombre considérable de mesures; Un échantillonnage insuffisant peut dégrader la qualité des prévisions. L'analyse confirmée par plus de quinze ans d'expérience montre qu'il faut au moins 2 missions (sur des orbites distinctes), pour avoir une richesse de mesures suffisante. Pour les besoins de prédiction et de surveillance dans le domaine côtier, c'est même une constellation de microsatellites qui sera nécessaire. Dans le cas particulier de l'altimétrie océanique, le fait que l'une des 2 missions (TOPEX-Poséïdon et  Jason 1 hier, Jason-2 aujourd'hui) soit une mission dédiée, circulant sur une orbite non héliosynchrone permet d'accéder à une précision de mesure inaccessible aux satellites Multi-Mission en orbite héliosynchrone, tels qu'ERS ou ENVISAT. 
  A partir de Jason-1 et ENVISAT, cette complémentarité est confortée par l'emploi du système d'orbitographie précise DORIS, (présent sur ces 2 missions, ainsi que sur Sentinel 3 et dès l'origine sur TOPEX-Poséïdon). L'orbitographie précise est aussi assurée par télémétrie laser et GPS.

• Comme indiqué ci-dessus, à l'exception de TOPEX-Poséïdon Jason-1 & Jason-2, tous les autres systèmes sont mis en orbite héliosynchrone avec des finalités multiples (observations de l'atmosphère, et/ou de la biosphère, et/ou de l'océan).   

• Mis à part ASCAT/METOP, jusqu'en avril 2014 (lancement de Sentinel1A), les systèmes existants ou prévus, utiles pour la prévision océanique, étaient des systèmes expérimentaux mis en place à des fins de recherche ou de démonstration, que la communauté internationale s'est efforcé de pérenniser avec notamment Jason-3, Sentinel 3A et 3B. Alors que l'expérience mondiale GODAE a été concluante, le risque d'interruption des observations, irréparable en ce qui concerne le suivi du niveau de la mer dans les diverses provinces océaniques, semble s'éloigner.  

• Lancé en 2005, Copernicus (initialement appelé GMES) est un vaste projet de surveillance de l’environnement à l’échelle du globe mené par l’Union Européenne et développé en partenariat avec l’ESA et ses États membres. Pour sa composante spatiale, le programme s’appuie sur une constellation de satellites Sentinel, mais aussi sur des satellites nationaux comme ceux du CNES : Pléiades, SPOT, Jason-2, Jason-3 ou encore Mégha-Tropiques.

  Planning de lancement des satellites Sentinel dédiés au programme Copernicus :

  • Sentinel-1 : imagerie radar tout temps, jour et nuit, observation du sol et des océans. Lancement du 1er satellite,Sentinel-1A, le 3 avril 2014.

  • Lancement du 2e satellite Sentinel-1B, 24 avril 2016.

  • Sentinel-2 : imagerie optique haute résolution, observation des sols (utilisation des sols, végétation, zones côtières, fleuves, etc.). Lancement du 1er satellite Sentinel-2A, 23 juin 2015. Sentinel 2B lancé le 7 mars 2017.

  • Sentinel-3 : imagerie optique, observation globale des océans et terres émergées. Lancement du 1er satellite, Sentinel-3A, prévu 3e trimestre 2015, lancé le 4 février 2016.

  • Sentinel-3B, prévu en 2017.

  • Sentinel-4 : embarqué comme charge utile sur un satellite Météosat de 3e génération (MTG-S), données sur la composition de l'atmosphère. Lancement en 2021.

  • Sentinel-5 : embarqué comme charge utile sur un satellite de 2e génération (EPS-SG), données sur la composition de l'atmosphère. Lancement en 2021.

Les données issues des mesures spatiales sont transmises en temps réel aux centres d'exploitation qui les rediffusent aux laboratoires et centres opérationnels. =>Plus de détails sur Copernicus.

Pour la partie observation spatiale de l'océan, plusieurs organismes mettent à la disposition des utilisateurs les données en temps quasi réel, en particulier pour le Marine "Copernicus Marine Environment Monitoring Service" de Copernicus opéré par Mercator Ocean.  Il s'agit du Cnes via AVISO, du SAF Océan et glaces de mer, sans oublier le CERSAT, centre de traitement de données de l'Ifremer.

Exemple de cartographie de l'océan 

Topographie dynamique absolue - 2 février 2009 - Source Aviso

Température de surface 4 février 2009 - Source Mercator

Ce volet “observations spatiales” s’appuie depuis décembre 2001 sur le satellite dédié Jason1, puis Jason 2, successeurs de TOPEX-Poséïdon. Ces trois satellites, conçus exclusivement pour restituer le relief de la surface océanique, mesurent avec une précision de l’ordre du centimètre le niveau local des mers, paramètre très sensible aux fluctuations de la circulation océanique, et des transports d'énergie et de matière associés. 

Pour mieux comprendre l'acharnement mis dans l'amélioration des mesures altimétriques, il faut savoir ce que représente un centimètre de dénivellation : il peut dénoter un courant moyen de 1 à 7 millions de tonnes par seconde (selon la latitude). Comme l'expérience l'a bien montré, dans le cas du phénomène El Niño 97, le réalisme des prévisions est totalement tributaire de la précision des mesures injectées dans le modèle (ainsi, bien entendu, que du degré de sophistication de celui-ci).

TOPEX-Poséïdon, Jason 1 ont été le fruit d’une coopération exemplaire entre le CNES et la NASA débutée il y a plus de 20 ans. Grâce à la durée de vie exceptionnelle de Topex Poséidon, ces deux "arpenteurs des océans" ont pu voler côte a côte avec un écart de 500 Km environ, de décembre 2001 à août 2002. 

Ce "vol en formation", qui préfigurait d'ailleurs les "flottilles de satellites spécialisés" qui se mettent en place, a permis un "inter-étalonnage", une comparaison sans précédent de 2 systèmes de haute précision, conçus et lancés à 9 ans d'intervalle ! De même Jason-1, Jason-2 ont volé en formation serrée depuis juillet 2008, et ce jusqu'en février 2009. Jason-3 a été mis en orbite en janvier 2016 et assure la continuité des mesures.

Les mesures sont utilisées par plusieurs centaines d'équipes scientifiques de par le monde, en synergie avec celles fournies par d’autres instruments (altimètres, diffusiomètres, radiomètres des satellites ERS, ADEOS, NOAA...).

Les mesures spatiales, les mesures In-Situ, et les Modèles numériques qu'elles alimentent, constituent les trois piliers de "l'approche intégrée", fondement de "l'Océanographie Opérationnelle".

Les mesures In Situ donnent accès aux profils de température et de salinité en fonction de la profondeur. Combinées à la topographie mesurée par satellite, ces deux grandeurs fondamentales de l'océanographie physique permettent une description tridimensionnelle de l'état de l'océan.

A titre indicatif, les satellites réalisent 50 000 mesures par jour et par altimètre, tandis que l'on dispose de quelques centaines de mesures In Situ chaque jour. 

L'ensemble de ces mesures peut paraître redondant. Compte tenu de l'ampleur et de la complexité de la tache, il s'agit en réalité d'un minimum tout juste suffisant ! En outre, cet ensemble permet d'estimer en permanence la cohérence des diverses mesures et de contrôler les risques d'erreur ou de dérive instrumentale ("validation croisée" et/ou inter étalonnage direct).

Voir aussi :

Sur ce site :

Lancement de Jason-3- Le point sur l'altimétrie au 18/01/2016

Un point sur les satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie en 2014

Année 2012 : de nouveaux satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie-Perspectives 2013 et au-delà.

En bonne posture pour observer la Terre sur le long terme 2010

SMOS : "Soil Moisture and Ocean Salinity" - Humidité des sols et salinité des océans 2009.

Quelles sont les variations actuelles du niveau de la mer ? Observations et causes - 2012.

Sur internet

Comment surveiller le changement climatique depuis l’espace.

Aviso Users News Letter de juillet 2016 : panorama des diverses missions d'altimétrie spatiale, passees, presentes, et futures (SARAL, Jason , Hy2A, Cryosat 2, CFOSAT etc.

Site Aviso, définitions

Bibliothèque des projets Cnes

ESA - Observation de la Terre 

NASA - Topographie de surface

Quelques définitions (extraites de la page Glossaire)

Hauteur (topographie) dynamique

Élévation locale du niveau de l’océan par rapport à une immersion de référence où le courant géostrophique est supposé nul (ou faible). Le plan horizontal à cette immersion est alors considéré comme une surface isobare (l’absence de gradient horizontal de pression implique un courant nul). Entre deux stations hydrologiques donnant la répartition de la densité jusqu’à cette immersion, la station présentant la densité moyenne la plus faible (sur toute cette profondeur) aura en surface une hauteur dynamique plus grande. À cette station, la surface de la mer se trouve à une altitude plus grande que celle de la seconde. Ainsi les thermographies satellitaires permettent de définir aisément la topographie dynamique des tourbillons océaniques. Un tourbillon «froid» (températures centrales plus basses que sur les bords), a les eaux les plus denses au centre. Ainsi on a un «creux» de la topographie (équivalent à un centre de basses pressions atmosphérique) et le tourbillon est cyclonique. À l’inverse, un tourbillon «chaud» est anticyclonique car il est caractérisé par une «bosse» de cette topographie (centre de hautes pressions). 

La hauteur dynamique est une "grandeur intégrale", représentative de toute la colonne d'eau: une carte de ce paramètre océanique, (c a d la "topographie dynamique"), permet de déduire les courants géostrophiques, (comme on le fait, pour les champs de vents, à partir des cartes de pressions atmosphériques). Les satellites altimétriques exploitent cette particularité pour observer en quelque sorte "sous la surface"... ce qui explique l'importance de cette technique d'observation.

Hauteur significative des vagues

La hauteur significative est une quantité statistique utilisée pour caractériser l'état de la mer. Elle est souvent abrégée en Hs ou H1/3 (ou SWH : Significant Wave Height en anglais). Elle représente la moyenne des hauteurs (mesurées entre crête et creux) du tiers des plus fortes vagues.

Chlorinité, Salinité

Teneur en chlore de l’eau de mer. On a longtemps évalué la salinité de l’eau de mer en mesurant, par des méthodes chimiques, sa chlorinité et en faisant l’hypothèse, vérifiée avec une bonne précision, d’un rapport constant entre salinité et chlorinité. Les chlorures représentent 88,7 % de la salinité, les sulfates 10,8 % et les autres sels 0,5 % ; cette constance dans les rapports est dite loi de Dittmar, chimiste anglais qui analysa les échantillons d’eau collectés par le Challenger. Cette constance est à rapprocher de celle du rapport oxygène/azote de l’atmosphère. Ainsi la salinité est la masse de sels contenus dans un kilogramme d’eau de mer ; elle est, en moyenne pour l’ensemble des océans et mers, de 35. 
La mesure de la salinité s’effectue maintenant par conductivité. Aussi, les nouvelles conventions internationales recommandent l’UPS (unité pratique de salinité, PSU en anglais) Certains auteurs l’expriment en UPS (unité pratique de salinité) à peu près égale à 1 mg de sels dissous par gramme d’eau de mer. Il est ainsi conseillé de ne plus la faire suivre d’unités ; on écrira donc une salinité de 35,25.

Géoïde

Forme qu’adopterait la surface de la mer en l’absence de toute perturbation (marée, vent, courant, etc.). Le géoïde reflète la gravité de la Terre, avec des irrégularités sur des grandes distances (cent mètres sur des milliers de kilomètres) dues aux inhomogénéités de l’intérieur de la planète (croûte, manteau, noyau). D’autres irrégularités, moins hautes (un mètre) et s’étendant sur de plus petites distances reflètent le relief des fonds océaniques.

Dernière mise à jour : Mars 2017