Onze ans en orbite pour  TOPEX POSEIDON

Trois cent millions de lieues au-dessus des mers !! 

Michel LEFEBVRE 

Depuis la publication de cet article, le satellite Topex-Poseïdon a terminé sa mission le 5 janvier 2006. 

Sommaire

Enjeux, bilan

Prologue

Topex Poseidon et le sommet de Rio

Bilan

Topex Poseidon et les programmes européens

Conclusion

Appendice1 : Chronologie des connaissances sur les changements climatiques (extrait du rapport Marcel Deneux)

Appendice2 : Quelques informations sur Topex Poseidon

ENJEUX, BILAN

• Le satellite TOPEX/POSEIDON entame sa douzième année en orbite.

• Il a été lancé le 10 août 1992 par une fusée ARIANE 42 P depuis Kourou

• Il a depuis parcouru environ 1500 millions de kilomètres soit l’équivalent de 10 fois la distance de la Terre au Soleil !

Crédit CNES/ill.D.DUCROS

PROLOGUE

• 7 août 1992 : le satellite altimétrique franco américain TOPEX/POSEIDON est installé sur son lanceur ARIANE 42 P.

• Ce jour là les scientifiques américains participant au projet viennent d’apprendre que sur un satellite du GSFC-GRO la batterie donne des signes de faiblesse, TOPEX/POSEIDON est équipé de la même batterie.

• La Mission est prévue pour durer au minimum 3 ans avec une extension possible. Toute réduction de la durée de vie en orbite rendrait cette mission sans signification, or elle est explicitement au centre d’un programme international majeur : W O C E World Océan Circulation Experiment.

• L'enjeu est donc majeur, la discussion âpre et tendue.

• La décision de lancer est prise de justesse, les équipes techniques ayant déclaré avoir la quasi-certitude d’une durée de vie de 18 mois. Ils sont décidés à mettre tout en œuvre pour une utilisation optimisée et une surveillance de l’équipement.

• L’équipe française estime qu’une décision de report peut conduire à une annulation.

• 10 août 1992 : le satellite est mis en orbite depuis KOUROU.

• 10 août 2003 : le satellite entame sa douzième année de vie en orbite, tout fonctionne, y compris la batterie.

TOPEX/POSEIDON ET LE SOMMET DE RIO

Juin 1992 c'est aussi la première conférence de l’ONU sur l’environnement et le développement, le désormais fameux « SOMMET DE LA TERRE DE RIO ».
L'exemple universel pour caractériser les conséquences possibles d'un réchauffement est l’élévation du niveau de la mer et ses conséquences.
Mesurer le niveau de la mer c’est précisément la mission de TOPEX/POSEIDON  lancé six semaines après le sommet de Rio.
Qu'en conclure ? Tout simplement que la vision doit précéder la mise en œuvre.
Empruntons à Christian Grenier ce résumé percutant : «le futur doit venir en aide au présent».  

Au milieu des années 1960 un petit nombre de chercheurs ont une vision très claire :

• de la nécessité de connaître et donc d’observer l’océan à l'échelle planétaire,

• des possibilités qu’offraient les mesures par satellite (sans aucune commune mesure ( !) avec les systèmes existants) et en particulier en terme d’échantillonnage spatial, mais surtout temporel.

C’est un atout majeur : pour la première fois on va pouvoir exploiter les variations dans le temps, essentielles pour comprendre ce qui change.
Parmi ces mesures (50 000 par jour), la distance satellite/surface à la verticale mesurée par Radar est la plus prometteuse.
Pourquoi ? Parce que la Terre est une planète océan.

Les variations de la surface ont deux origines :

• une origine géophysique (les anomalies de masses à l’intérieur de la Terre devient la verticale et le liquide océan est toujours perpendiculaire à la verticale),

• une origine océanique (circulation océanique : les mouvements des masses d'eau de température et de salinité différentes se traduisent par des variations de topographie de surface - analogie avec les mouvements des masses d'air et les variations du champ de pression atmosphérique).

Au milieu des années 1980 un programme international baptisé W O C E, World Océan Circulation Experiment, est étudié puis décidé en 1988 lors d’une assemblée générale de la COI (Commission Océanographique Internationale).
L'altimétrie par satellite était au cœur de WOCE et particulièrement TOPEX/POSEIDON totalement optimisé dans ce but.

BILAN

« Quiconque a beaucoup vu peut avoir beaucoup retenu »
TOPEX/POSEIDON a beaucoup vu pendant ses onze ans de vie. C’est une série de millions de mesures validées et évaluées de la surface océanique qui sont archivées et disponibles sur un seul support DVD.
Cette longue série temporelle - outre qu’elle est probablement un cas unique en tout cas exemplaire- est et restera une contribution "décisive" à l’étude de la Terre. Décisive ne signifiant pas suffisante mais nécessaire.
Les caractéristiques de TOPEX/POSEIDON, de sa mission, de son système sont décrits dans des documents de base et parmi eux le dossier altimétrie du CNES MAG N° 3 en versions française et anglaise, le DVD et le site AVISO remis à jour constamment et consulté chaque mois par …
Outre son intérêt intrinsèque, TOPEX/POSEIDON a joué un rôle majeur et a servi de locomotive. La qualité des résultats ayant permis de faire la preuve rapidement de l’intérêt des mesures effectuées, il a été possible de décider assez vite le développement et la mise en service d un satellite JASON 1, toujours en coopération bilatérale entre CNES et NASA et qui a été lancé en 2001.

Comparaison entre Topex et Jason

Origine CNES

Il est intéressant de noter que l’objectif de JASON 1 était de bâtir un système moins lourd, moins cher, donc d’être le prototype de la série de missions de surveillance permanente. Mais la conception devait aboutir à maintenir une qualité de résultats de la classe TOPEX/POSEIDON, c’est à dire celle obtenue à partir des performances en orbite et après évaluation.

Le phénomène El Niño observé

 par TOPEX/POSEIDON en 1997

Origine CNES

La durée de vie de TOPEX/POSEIDON a permis des évaluations croisées des deux missions, mais également d’identifier les variations à plus longue échelle de la circulation océanique et notamment les variations inter annuelles.
De plus, la durée de vie a permis également pour la première fois le calcul précis d’un modèle de marées complet, en plein océan, sur plusieurs années et de remettre en cause les mécanismes de dissipation d’énergie et de proposer qu’une partie de cette énergie joue un rôle moteur dans la circulation profonde. On comprend alors mieux le rôle de la mission dans l’histoire des rapports océan/climat, telle que celle donnée dans le rapport Deneux.
TOPEX/POSEIDON a été aussi un des arguments décisifs pour démontrer l’intérêt des systèmes spatiaux pour la surveillance de la Terre.
L’opinion publique avait compris après Tchernobyl que les nuages -radioactifs ou non- passent les frontières, les satellites aussi.

Le suivi semaine après semaine de la naissance du développement et de la relaxation de l’événement climatique de type El Niño particulièrement fort de 1997 a été une étape de plus.
On estime que ce sont près de deux milliards de téléspectateurs qui ont été touchés.

TOPEX/POSEIDON ET LES PROGRAMMES EUROPÉENS

Topex/Poséidon a eu une influence majeure et tout d’abord sur la complémentarité avec les satellites ERS 1 et 2.
Le calage sur la surface de référence Topex/Poseidon a permis d'améliorer les résultats des missions altimétriques de ces deux satellites. Mais en retour, l’échantillonnage complémentaire et substantiel d' ERS 1 et 2 a permis un calcul déterministe de la circulation tourbillonnaire, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications nouvelles.
Le satellite ERS 1 a pu être placé sur une orbite géodésique à maille fine permettant le calcul du premier géoïde marin. Notons que ce résultat est passé maintenant au niveau du Petit Larousse, après les éditions 1999 (lire au mot géoïde).

Le satellite Envisat est venu compléter et maintenir la couverture et la diversité nécessaire. Il a été équipé du système de trajectographie DORIS dont on sait qu’il est une des composantes majeures et en fait le système de base pour le calcul des trajectoires des satellites altimétriques. De plus, l’expertise acquise par les équipes ayant développé et mis au point les méthodes d’analyse pour Topex/Poseidon a pu être utilisée pour Envisat.

TOPEX/POSEIDON déclenche des programmes de surveillance permanente au niveau des missions. Il est maintenant clair que tout résultat et en particulier toute prévision passe par la continuité des systèmes d’observation.
A travers Topex/Poseidon les interactions ont été telles que la suite des missions altimétriques va être assurée à un niveau tripartite. L’Union européenne et EUMETSAT assurent la coordination du satellite suivant, JASON 2, en liaison avec NASA, NOAA et ESA et CNES.

La durée de vie a permis également d’explorer les retombées opérationnelles des systèmes spatiaux. Au niveau national français une coopération inter organismes a permis de mettre sur pied un projet opérationnel MERCATOR - dont l’origine est due à un effort particulièrement significatif de la Marine Nationale dans le cadre du développement du CMO (Centre Militaire d'Océanographie)..
Cet effort est prolongé au niveau européen par un programme décidé par l’union européenne et baptisé MERSEA.

Au niveau international il existe le programme de démonstration G O D A E (Global Ocean Data Assimilation Experiment). Le démarrage de GODAE a été lié à la crédibilité des systèmes spatiaux entre autres altimétriques, mais le succès de ces systèmes a forcé les agences développant les systèmes de mesures à la mer à se mettre au diapason tant pour le développement des instruments, que pour leur déploiement et le recueil rapide des mesures. Le projet ARGO en est le prototype.

On n’oubliera pas l’interaction avec d’autres programmes en cours ou à venir. C’est le cas du projet allemand CHAMP qui a été lancé en 2000 et vient apporter la référence absolue pour le calcul de la circulation moyenne, suivi du satellite de la NASA - GRACE-en coopération bilatérale avec DLR-, le projet européen GOCE, apportant encore une amélioration substantielle.

CONCLUSION

• Qualité des systèmes et durée ont permis à la mission TOPEX/POSEIDON d’aller vers des systèmes de surveillance permanents.

• Cependant l’originalité aura été de faire collaborer des équipes industrielles, scientifiques et des équipes projets d’agences.

• On a parlé de développement durable. TOPEX/POSEIDON a peut-être compris avant tout le monde !

• La durée de vie pose un problème : un satellite TOPEX/POSEIDON n’est pas seulement multi-objectifs, il devient multi-générations. Outre la durée de vie des équipements il faudra assurer la durée de vie des équipes.

• On a vu que la vision du futur doit continuer à rester une tache essentielle si on veut que le futur continue à venir en aide au présent.

• Les ordres de grandeurs des effets sur la surface océanique sont variables. Les plus significatifs pour les relations avec le climat sont les effets à grande échelle de temps et d’espace. Cela signifie une précision ou mieux une exactitude contrôlée extrême sur le système de mesures.

• Pour donner des chiffres moyens il fallait être capable de mesurer la surface. Avec une précision de 1-2 centimètres à l’échelle d’un bassin sur des intervalles de temps de 10 jours et sur plusieurs années (en fait en permanence).

• Quant aux mesures utilisées, il faut que ces mesures utiles soient aussi utilisées !

• Le système de distribution et d’accès aux données a été construit pour faciliter au maximum cette utilisation, mais l’aspect le plus original a été d’associer les utilisateurs a l'évaluation des mesures et à la prise en compte des améliorations avec les équipes projet.
  
  Une série unique : «Quiconque a beaucoup vu peut avoir beaucoup retenu»… TOPEX/POSEIDON a beaucoup vu pendant ses onze ans de vie !

Appendice 1

RAPPORT D'INFORMATION 224  de MARCEL DENEUX- OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION DES CHOIX SCIENTIFIQUES et TECHNOLOGIQUES 

ANNEXE 5 - CHRONOLOGIE DE L'ÉVOLUTION DES CONNAISSANCES SUR LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES 

Début du XVIIème siècle : invention du thermomètre par le Hollandais Van DREBBEL

1735 : description de la circulation atmosphérique par l'Anglais G HADLEY 

1837 : naissance de la paléoclimatologie lorsque le Suisse Louis AGASSIZ émet l'hypothèse d'un âge glaciaire ayant précédé de peu notre époque. 

1842 : Joseph-Alphonse ADHEMAR mathématicien français émet l'hypothèse que l'âge glaciaire était lié aux variations d'ensoleillement de la Terre. 

1873 : réseau mondial de mesures météorologiques 

Vers 1880 : un géographe allemand, Albrecht PONK suppose que quatre âges glaciaires ont existé. 

Vers 1890 : Svante ARRHENIUS énonce la théorie de l'effet de serre accru par les combustions d'énergie fossile. 

Vers 1930 : Milutin MILANKOVITCH, mathématicien serbe, calcule les variations d'ensoleillement de la Terre au cours des derniers 600.000 ans.

Années 1950 : la coïncidence entre les âges glaciaires observés en Amérique du Nord et en Europe est établie. 

1955 : l'Américain, Cesare EMILIANI réalise les premières analyses isotopiques des sédiments marins. La proportion d'atomes d'oxygène de masse atomique (18C) par rapport à ceux de masse atomique (16C) dans le calcaire des coquilles fossiles permet de connaître les périodes de glaciation - la proportion d'isotopes lourds augmente au cours de celles-ci. 

Après 1958 : débutent les mesures de concentration de CO₂ dans l'atmosphère sur le mont Mauna Loa (Hawaï). 

1979 : un rapport de l'Académie des sciences américaine évoque l'élévation de 2° à 3°C de la température globale de la Terre vers 2050, du fait de l'augmentation de la teneur de l'atmosphère en gaz à effet de serre. A partir de 1980 : débute le couplage des concepts océan-météo.

 Années 1980 : André BERGER de l'Université Catholique de Louvain effectue le calcul des insolations de la Terre, mois par mois, à toutes les latitudes pour le million d'années passées ; ces calculs pouvant être étendus aux prochaines centaines de milliers d'années. 

Jusqu'en 1990, personne ne se préoccupait vraiment de l'émission des gaz à effet de serre. 

A partir de 1990 : le couplage de la biologie avec les sols débute. 

1992 : mise sur orbite du satellite Topex-Poseïdon (NASA- CNES) pour mesurer le niveau des océans

En savoir plus : Sénat

Appendice 2 : Quelques informations sur Topex Poseidon - Origine CNES

Les instruments embarqués sur TOPEX/POSEIDON :

Pour en savoir plus : 

Aviso Altimetry

Wikipedia