Une nouvelle fenêtre dans la planète bleue

Pendant des siècles, les océanographes ont compté sur des mesures effectuées par des navires, des bouées dérivantes et des stations côtières pour rassembler le comportement des océans du monde. Ces méthodes, bien que fondamentales, ont laissé de vastes étendues de la surface de la planète – environ 70% couvertes par l'eau – largement non observées. L'avènement de la télédétection par satellite a fondamentalement déplacé cette réalité. Aujourd'hui, une flotte de satellites d'observation de la Terre fournit une couverture continue synoptique de l'océan mondial, fournissant des données qui transforment la science marine d'une discipline de l'analyse des données en une discipline riche en observations en temps réel et à haute résolution.

Cette vision globale n'est plus un luxe mais une nécessité.Les océans régulent le climat de la Terre, absorbent environ un quart du dioxyde de carbone anthropique et servent de moteur pour les modèles météorologiques dans le monde entier. Comprendre la santé et la dynamique des systèmes marins est essentiel pour prédire les changements climatiques, gérer les pêches, protéger la biodiversité et répondre aux risques environnementaux.

Le rôle des données satellitaires dans l'océanographie

Les capteurs basés sur des satellites opèrent à travers le spectre électromagnétique, chaque bande révélant différentes propriétés de la surface de l'océan. La présente section examine les mesures clés qui ont révolutionné la recherche océanographique.

Température de surface de la mer (SST)

Les radiomètres infrarouges thermiques et à micro-ondes à bord de satellites tels que NOAA-20, Suomi NPP[, et la série ESA Sentinel-3 fournissent des mesures SST globales avec des précisions approchant quelques dixièmes de degré Celsius. Ces données sont essentielles pour étudier l'échange de chaleur entre l'océan et l'atmosphère, suivre des phénomènes comme El Niño, La Niña et les ondes de chaleur marines, et initialiser des modèles de prévision climatique.

Courants et topographie de surface des océans

Les altimètres radar, pionniers de la mission , TOPEX/Poseidon[, et se sont poursuivis avec Jason-3, Sentinel-6 Michael Freilich[, et la mission SWOT[, mesurent la hauteur de la surface de la mer à moins de centimètres. En cartographieant la topographie de la surface de l'océan, les scientifiques peuvent inférer des courants géostrophes, tels que le Gulf Stream, le Kurushio et le courant circumpolaire de l'Antarctique, ainsi que des tourbillons océaniques, qui transportent la chaleur, les nutriments et le carbone à travers les bassins.

Augmentation du niveau de la mer

Depuis 1993, les altimètres satellites ont enregistré une hausse ininterrompue du niveau de la mer, qui est passée d'environ 2,5 mm par an dans les années 90 à environ 3,4 mm par an au cours des dernières décennies, principalement du fait de l'expansion thermique de l'océan qui se réchauffe et de la fonte des glaciers et des calottes glaciaires terrestres, ce qui permet d'évaluer la vulnérabilité des communautés côtières et des écosystèmes.

Couleur de l'océan et concentration en chlorophylle

Les capteurs optiques passifs tels que les satellites MODIS[ de la NASA Terra et Aqua et OLCI[ sur Sentinel-3, mesure la réflectance spectrale de la surface de l'océan. Le signal révèle la concentration de chlorophylle de phytoplancton a], le pigment qui conduit la production primaire dans le réseau alimentaire marin.Ces mesures permettent aux scientifiques de cartographier la distribution, les cycles saisonniers et la variabilité annuelle des proliférations de phytoplancton à travers le globe.Les données de chlorophylle sont un indicateur essentiel de la santé de l'océan : elles permettent de suivre la réaction des écosystèmes marins à la variabilité climatique, comme l'expansion des gyres oligotrophiques (faiblement nutritifs) et les impacts des eaux de ruissellement nutritifs

Surveillance des écosystèmes marins et soutien à la conservation

Au-delà des variables physiques et biologiques fondamentales, les données satellitaires appuient directement l'évaluation et la gestion des écosystèmes marins. La vue synoptique fournie par les satellites est particulièrement puissante pour faire face aux menaces qui se produisent dans les grandes régions éloignées.

Phytoplancton et productivité primaire

Les données de chlorophylle obtenues par satellite servent à estimer la productivité primaire nette dans l'océan mondial. Ces estimations se nourrissent de modèles de flux de carbone, de recrutement de pêcheurs et de santé des écosystèmes. Par exemple, les régions où la productivité est élevée, comme les systèmes de remontée côtière au large du Pérou ou de la Californie, soutiennent certaines des pêches les plus riches du monde.

Surveillance des récifs coralliens

Le programme NOAA Coral Reef Watch utilise le SST dérivé du satellite pour produire des alertes de blanchiment en temps quasi réel, donnant aux gestionnaires la possibilité d'intervenir, par exemple, en ombrage ou en refroidissement des récifs, ou en accordant la priorité à la protection des récifs résilients. Combinés avec les données sur la couleur et la disponibilité de la lumière dans l'océan, les satellites aident également à suivre les changements de la qualité de l'eau qui affectent la santé des coraux, comme les panaches de sédiments provenant du développement côtier ou les rejets de polluants terrestres.

Détection des déversements de pétrole et de la pollution marine

Les images SAR sont utilisées de façon opérationnelle pour cartographier l'ampleur des déversements de pétrole, depuis les accidents comme l'éjection de Deepwater Horizon jusqu'aux déversements intentionnels des navires, et pour guider les réponses au nettoyage. La même technique détecte également les suintements naturels qui contribuent aux niveaux d'hydrocarbures de fond. Au-delà du pétrole, les satellites sont utilisés pour identifier et suivre de grandes agrégations de débris plastiques flottants, bien que la détection demeure difficile en raison de la difficulté de distinguer le plastique des matériaux organiques à l'aide de capteurs optiques courants. Néanmoins, en combinaison avec la modélisation, les données satellitaires aident à quantifier la distribution de déchets marins.

Lutte contre la pêche illégale, non déclarée et non réglementée (INN)

Les données du système d'identification automatique par satellite, recueillies à l'aide d'une combinaison de récepteurs terrestres et de récepteurs AIS montés sur satellite, permettent de suivre les navires en temps quasi réel, ce qui permet aux autorités de surveiller les activités de pêche dans les zones économiques exclusives (ZEE) et les zones en haute mer. Lorsque les signaux AIS sont désactivés ou manipulés — une pratique connue sous le nom de « sombres sombres » — les images radar par satellite peuvent parfois localiser des navires qui tentent de se soustraire à la détection.

Appuyer la recherche sur les changements climatiques et la prévision météorologique

L'océan est un moteur principal du climat, et les données satellitaires sont essentielles pour quantifier son rôle. Les enregistrements satellitaires à long terme sont maintenant assez longs pour séparer la variabilité naturelle des tendances anthropiques, renforçant les études d'attribution climatique.

Prédiction d'oscillation Sud-El Niño (ENSO)

La capacité de prévoir les événements d'El Niño et de La Niña dépend fortement des observations satellitaires de la température de la surface de la mer, de la hauteur du niveau de la mer et des vents de surface de l'océan.La série Jason mesure l'accumulation d'eau chaude dans le Pacifique occidental qui précède El Niño, tandis que les scatteromètres (p. ex. ]RapidScat, ASCAT[ mesurent les anomalies du vent équatoriales qui déterminent la réaction de l'océan.Ces données sont assimilées à des modèles climatiques qui produisent des perspectives saisonnières, avec des implications importantes pour l'agriculture, les ressources en eau et la préparation aux catastrophes dans le monde entier.

Teneur en chaleur des océans et absorption de carbone

Les mesures satellitaires de la hauteur de la surface de la mer, combinées aux profils de température des flotteurs Argo et des SST dérivés des satellites, permettent d'estimer la teneur en chaleur de l'océan, mesure clé du changement climatique. Plus de 90 % de l'excès de chaleur piégé par les gaz à effet de serre se retrouve dans l'océan. Les données satellitaires fournissent le contexte à grande échelle nécessaire pour interpréter le réseau Argo, qui est peu dense dans l'espace.

Forçage atmosphérique et interaction air-mer

Les scatteromètres satellites mesurent la vitesse et la direction du vent de surface sur l'océan mondial, fournissant des données pour les études de la chaleur et de l'échange de la dynamique air-mer. Ces champs de vent sont essentiels pour les modèles d'ondes, les prévisions d'intensité des ouragans et la compréhension de la réaction des courants océaniques au forçage du vent.

Progrès technologiques et orientations futures

Le domaine de l'océanographie par satellite continue d'évoluer rapidement, grâce aux progrès de la technologie des capteurs, du traitement des données et de la disponibilité de nouvelles constellations satellitaires. L'avenir promet des observations encore plus détaillées et fréquentes.

Nouvelles générations de capteurs

La mission Surface Water and Ocean Topographie (SWOT), lancée en décembre 2022 en collaboration avec le CNES, est un changement de paradigme dans l'altimétrie océanique. Elle utilise un interféromètre radar à bande Ka pour mesurer la hauteur de la surface de la mer sur une largeur de 120 kilomètres avec une résolution sans précédent. SWOT révèle une dynamique océanique à petite échelle – des tourbillons sous-mesosphériques, des fronts et des vagues internes – qui étaient auparavant invisibles aux altimètres conventionnels et qui peuvent jouer un rôle clé dans le mélange vertical, l'approvisionnement en nutriments et le transport de chaleur.

Petites constellations satellitaires et données massives

La miniaturisation de la technologie satellitaire a permis le déploiement de constellations de petits satellites (CubeSats et MicroSats) qui fournissent des taux de révision temporel plus élevés. Par exemple, la mission CubeSat Radiometer Radiofréquence Interference Technology Validation (CubeRRT) et la mission CIRiS[ démontrent comment les petites plateformes peuvent fournir des données océaniques utiles.Planet Labs[Dove constellation et d'autres offrent des images multispectrales quotidiennes, qui sont utilisées pour surveiller les changements côtiers, les lits de graminées marines et la qualité de l'eau à très haute résolution.

Intégration aux observations et modélisations in situ

Les données satellitaires n'existent pas isolément. La recherche océanographique dépend maintenant de l'intégration harmonieuse des observations satellitaires avec les réseaux in situ, tels que le réseau mondial Argo (qui mesure la température, la salinité et la pression jusqu'à 2000 mètres), les amarrages comme le réseau Tropical Atmosphere Ocean (TAO) et les planeurs sous-marins autonomes.Les techniques d'assimilation des données combinent ces observations disparates en modèles océaniques, produisant des produits de réanalyse qui offrent une vue cohérente et échappant à l'état océanique au cours des décennies.

Défis et voie à suivre

Malgré ces progrès incroyables, l'océanographie par satellite est confrontée à des défis persistants. La couverture nuageuse bloque les capteurs infrarouges optiques et thermiques, limitant les observations de régions à haute latitude et souvent nuageuses. Les capteurs micro-ondes peuvent pénétrer les nuages mais ont une résolution spatiale plus faible et sont sensibles à la glace de mer et aux vitesses élevées du vent. L'étalonnage et la validation des mesures par satellite nécessitent des efforts soutenus avec des références précises sur place. De plus, le coût de la mise au point et du lancement de grandes missions phares est considérable, ce qui entraîne des lacunes dans la couverture des missions si celles-ci échouent ou sont retardées.

Conclusion: La vue indispensable d'en haut

Les données satellitaires sont passées d'un supplément prometteur à un pilier fondamental de l'océanographie et des sciences marines.Elles constituent le seul moyen possible d'observer régulièrement l'ensemble de l'océan mondial, ce qui nous permet de faire des percées dans notre compréhension de la circulation des océans, des écosystèmes marins, de la variabilité climatique et des impacts humains.

Alors que nous sommes confrontés à des pressions croissantes dues au changement climatique, à la surpêche et à la pollution, le besoin d'observations satellitaires robustes, soutenues et innovantes n'a jamais été aussi grand. La prochaine décennie verra une nouvelle génération de capteurs qui révéleront l'océan de façon sans précédent, de sa surface jusqu'à la dynamique intérieure qui façonne la santé de la planète.