Les systèmes satellitaires sont devenus des outils indispensables pour suivre et comprendre les changements climatiques mondiaux. Orbitant des centaines à des milliers de kilomètres au-dessus de la Terre, ces plates-formes offrent un point de vue unique qui permet aux scientifiques d'observer simultanément la planète entière, depuis les calottes glaciaires en retrait du Groenland jusqu'aux modèles de végétation changeants en Amazonie. Les données qu'ils recueillent constituent l'épine dorsale des sciences climatiques modernes, permettant aux chercheurs de suivre les tendances à long terme, de valider les modèles climatiques et d'éclairer les décisions politiques internationales.

Comment les satellites surveillent le climat

Les satellites équipés de divers capteurs peuvent mesurer les variables climatiques clés à travers le monde avec une cohérence remarquable. Ces capteurs captent différentes parties du spectre électromagnétique et utilisent divers principes physiques pour obtenir des informations sur l'atmosphère, les océans, la terre et la glace. Les données sont ensuite transmises aux stations au sol, traitées et analysées pour générer des enregistrements climatiques qui s'étendent sur des décennies.

Orbites et couverture

Les satellites géostationnaires planent sur un point fixe de l'équateur, assurant une couverture continue d'une grande région, essentielle au suivi des conditions météorologiques à court terme et de l'évolution des tempêtes. Les satellites géostationnaires, par contre, encerclent la Terre d'un pôle à l'autre, couvrant le globe entier deux fois par jour. Leur altitude inférieure (habituellement 500–800 km) permet de mesurer des variables à plus haute résolution telles que la température de surface de la mer, la composition atmosphérique et l'épaisseur de la glace.

Types de capteurs clés

  • Radiomètres: Mesurez l'intensité du rayonnement émis ou réfléchi par la Terre dans différentes bandes de longueurs d'onde. Les radiomètres infrarouges thermiques, par exemple, peuvent détecter la température de la surface de la mer avec une précision élevée, tandis que les radiomètres à longueur d'onde visible suivent la couverture nuageuse et la santé de la végétation.
  • Spécimètres et spectroradiomètres: Diviser la lumière en bandes spectrales étroites pour identifier des gaz spécifiques tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l'ozone. Des instruments comme l'Observatoire du carbone orbitant (OCO-2) et l'Instrument de surveillance troposphérique (TROPOMI) sont essentiels pour la surveillance des gaz à effet de serre.
  • Lidar: Utilise des impulsions laser pour mesurer la distance et les propriétés physiques de l'atmosphère et des surfaces. Le lidar spatial, tel que le lidar Cloud-Aerosol avec polarisation orthogonale (CALIOP) sur le satellite CALIPSO, fournit des profils de nuages et d'aérosols qui affectent l'équilibre énergétique de la Terre.
  • Radar et altimètres: Émettre les impulsions micro-ondes et mesurer leur temps de retour pour déterminer la hauteur ou la structure de la surface.Les altimètres radar à bord de missions comme Jason-3 et Sentinel-6 Michael Freilich surveillent l'élévation du niveau de la mer en mesurant la topographie de la surface de l'océan à quelques centimètres près.
  • Radar d'ouverture synthétique (SAR):[ Fournit des images à haute résolution de surfaces de terre et de glace, indépendamment de la couverture nuageuse. Les données SAR sont utilisées pour suivre les mouvements glaciaires, la subsidence terrestre et la déforestation dans les régions tropicales où les capteurs optiques sont bloqués par les nuages.

Collecte et transmission de données

Une fois recueillies, les données de capteur sont traitées à bord du satellite, parfois avec compression sans perte, puis transmises par radiofréquences aux stations au sol réparties dans le monde entier. Des agences comme la NASA, l'ESA et la JAXA exploitent des réseaux de stations de réception qui recueillent des données en temps quasi réel. Après réception, la télémétrie brute subit des étapes d'étalonnage et de validation pour convertir les lectures d'instruments en quantités physiques telles que la température à Kelvin ou des parties par million de dioxyde de carbone.

Types de données satellitaires utilisées dans les sciences du climat

Chaque variable climatique nécessite un type spécifique de mesure par satellite. La compréhension des forces et des limites de ces types de données est essentielle pour interpréter les enregistrements climatiques et les sorties des modèles.

Données infrarouges thermiques

Les capteurs infrarouges thermiques mesurent le rayonnement à longue ondes émis par la Terre. Ce rayonnement est directement lié à la température de surface, ce qui rend les canaux thermiques essentiels pour surveiller la température de surface de la mer, la température de surface du sol et la température de la basse atmosphère. En combinant ces mesures avec des modèles d'émissivité précis, les scientifiques peuvent détecter les tendances du réchauffement dans l'Arctique et les changements de la teneur en chaleur de l'océan.

Données micro-ondes

Les détecteurs micro-ondes peuvent pénétrer dans le couvert nuageux et mesurer les émissions thermiques ou les rétrodiffusions de surfaces. Les radiomètres micro-ondes passifs, comme ceux des satellites TRMM et GPM, mesurent l'intensité des précipitations à travers le globe. Ils surveillent également la concentration et l'étendue de la glace de mer en décelant la différence d'émissivité micro-ondes entre l'eau libre et la glace.

Données visibles et quasi infrarouges

Le rapport entre la lumière infrarouge proche et la lumière rouge réfléchie, l'indice de végétation de la différence normalisée (IDVN), est un indicateur largement utilisé pour la santé et la densité de la végétation. Les enregistrements à long terme de l'IDVN de la série des capteurs AVHRR ont révélé des changements dans la durée de la saison de croissance et les modèles de désertification.

Données radar et altimétrie

Les radars altimétriques fournissent des mesures critiques du niveau de la mer avec une couverture mondiale tous les 10 à 30 jours. Le record continu des missions TOPEX/Poseidon aux missions actuelles Sentinel-6 a montré une nette accélération de l'élévation du niveau de la mer au cours des trois dernières décennies.

Missions et programmes satellites majeurs

La surveillance du climat ne serait pas possible sans des programmes internationaux coordonnés qui conçoivent, lancent et exploitent des satellites avec des instruments pertinents pour le climat.

NASA , Système d'observation de la Terre (EOS)

Le programme EOS, lancé dans les années 1990, comprend des satellites phares comme Terra (lancé en 1999), Aqua (2002) et Aura (2004), qui comportent de multiples instruments qui fournissent des données sur la terre, les océans, l'atmosphère et la cryosphère. La mission a été conçue pour produire un record climatique de 15 ans ou plus; de nombreux instruments continuent de fonctionner au-delà de leur durée de vie théorique, fournissant plus de deux décennies d'observations.

ESA , Programme Copernicus

Le programme Copernicus de l'Agence spatiale européenne comprend la famille Sentinel de satellites. Sentinel-1 fournit des images radar; Sentinel-2 fournit des données optiques à haute résolution pour la surveillance des terres; Sentinel-3 possède un instrument avancé d'altimétrie et de couleur de l'océan; et Sentinel-5P (pilot) cartographie les gaz à traces atmosphériques avec une résolution spatiale sans précédent.

NOAA , satellites à orbite polaire

La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) exploite le Système de satellites polaires interarmées (JPSS), qui comprend la centrale nucléaire de Suomi (lancée en 2011) et la NOAA-20 (2017). Ces satellites sont équipés de la suite de radiomètres à imagerie infrarouge visible (VIIRS), un capteur qui combine les capacités du MODIS et de l'AVHRR.

Coopération internationale et partage de données

Le Comité des satellites d'observation de la Terre (CEOS) coordonne les observations spatiales civiles et favorise le partage des données. Le Groupe sur l'observation de la Terre (GEO) travaille à la mise en place d'un système mondial de systèmes d'observation de la Terre (GEOSS), qui garantit la compatibilité des données provenant de différentes sources et la collaboration entre les différentes sources. La coopération internationale s'étend également à l'étalonnage, le Groupe de travail sur l'étalonnage et la validation du CEOS s'assure que les mesures effectuées par différents satellites sont cohérentes, ce qui est une condition préalable à la création de registres climatiques fiables.

Impact des données satellitaires sur les sciences du climat

Les observations par satellite ont fondamentalement changé la façon dont les scientifiques comprennent le système terrestre. Avant l'ère des satellites, les données climatiques étaient rares et souvent biaisées vers les régions peuplées.

Données climatiques à long terme

Les relevés satellites réguliers couvrent maintenant plus de 40 ans pour certaines variables, comme la température de surface de la mer (série AVHRR) et l'étendue de la glace de mer (observations passives à micro-ondes). Les relevés de température de surface de la planète dérivés de satellites montrent une tendance au réchauffement d'environ 0,13 °C par décennie depuis les années 1970, en étroite accord avec les données in situ.

Améliorer les modèles climatiques

Les données satellitaires fournissent la couverture à grande échelle et la fréquence temporelle élevée nécessaire à la validation des modèles. Par exemple, les estimations satellitaires de l'équilibre des radiations au sommet de l'atmosphère sont utilisées pour tester la façon dont les modèles simulent les rétroactions des nuages. Le projet d'intercomparaison des modèles couplés (CMIP), qui se nourrit dans les rapports du CIPC, repose fortement sur des mesures satellitaires pour évaluer la performance des modèles.

Informer la politique et la prise de décision

Les décideurs politiques ont besoin de données claires et objectives pour formuler des stratégies d'atténuation et d'adaptation au climat.La Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC) utilise des données satellitaires pour surveiller les émissions et les absorptions de gaz à effet de serre dans les pays visés par l'Accord de Paris.Par exemple, le Projet mondial sur le carbone utilise des observations satellitaires de dioxyde de carbone pour suivre les tendances des émissions et l'efficacité des puits de carbone naturels.

Surveillance des efforts d'atténuation

Les images à haute résolution peuvent surveiller l'expansion des installations d'énergie renouvelable, la récupération des terres dégradées et les changements dans les pratiques agricoles. L'Observatoire de la Terre de NASA présente fréquemment des images satellite qui documentent les efforts de reboisement, de construction d'une ferme solaire et d'atténuation des émissions de chaleur urbaines.

Défis et limites

Malgré leur puissance, les systèmes satellitaires sont confrontés à plusieurs obstacles qui peuvent affecter la qualité et la continuité des données.

Lacunes dans les données et continuité

Les données climatiques exigent des observations cohérentes et à long terme, mais des lacunes peuvent se produire entre la fin d'une mission et le lancement de son successeur. Par exemple, il y a eu un bref écart entre la fin de la mission Jason-2 et le fonctionnement complet de Jason-3. Ces lacunes peuvent briser l'homogénéité du bilan climatique et compliquer l'analyse des tendances.

Étalonnage et validation

Les capteurs doivent être étalonnés en continu à l'aide de sources embarquées (p. ex., lampes, corps noirs) et étalonnés en fonction d'autres satellites et de mesures au sol. Le processus d'étalonnage est particulièrement critique pour les applications climatiques, où de petites dérives de sensibilité peuvent imiter ou masquer les tendances du climat réel.

Décaissement orbital et fin de vie

Les satellites à orbite terrestre basse perdent progressivement de l'altitude en raison de la traînée atmosphérique et finissent par rentrer dans l'atmosphère, limitant leur durée de vie opérationnelle à 5-15 ans. Cela signifie que les enregistrements climatiques sont rassemblés à partir de plusieurs capteurs consécutifs. Chaque nouveau capteur apporte des biais subtils qui doivent être réconciliés – un processus appelé homogénéisation.

Problèmes d'accès aux données et de traitement

Le volume de données brutes par satellite, les petaoctets par an, pose des problèmes de calcul et de stockage.De nombreux pays en développement ne disposent pas de l'infrastructure nécessaire pour télécharger et traiter les données satellitaires localement.Les plateformes basées sur le cloud telles que Google Earth Engine ont partiellement répondu à cette question en accueillant des données satellitaires curées et en fournissant des capacités de traitement en ligne.

Orientations futures

La prochaine génération de missions par satellite promet une résolution encore plus fine, une couverture accrue et de nouvelles capacités de mesure qui permettront d'améliorer encore la surveillance du climat.

Capteurs de prochaine génération

Les missions prévues pour l'Observatoire du système terrestre de la NASA, qui comportera un spectromètre d'imagerie capable de mesurer des centaines de bandes étroites pour cartographier la composition et la santé des écosystèmes.Les missions de l'ESA Earth Explorer, telles que Biomass (pour mesurer les stocks de carbone forestier à l'aide du radar de bande P) et FLEX[ (pour mesurer la fluorescence de la végétation) fourniront des ensembles de données entièrement nouveaux en rapport avec le climat.

Petits satellites et constellations

Les progrès réalisés dans la miniaturisation ont permis d'obtenir des constellations de petits satellites (par exemple CubeSats) qui peuvent fournir des temps de révision quotidiens et une résolution spatiale plus élevée. Des opérateurs commerciaux comme Planet Labs exploitent des centaines de CubeSats pour imager la Terre entière chaque jour. Pour les applications climatiques, les constellations peuvent combler les lacunes laissées par les satellites plus grands et plus lents. NASACyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) utilise une constellation de huit microsatellites pour mesurer les vents de surface des océans dans les ouragans, même par de fortes pluies, un exploit impossible avec des capteurs traditionnels.

L'apprentissage automatique et la fusion des données

Les réseaux neuronaux peuvent fusionner les données provenant de plusieurs capteurs satellites et d'observations in situ pour produire des produits climatiques à haute résolution remplis d'écarts. Par exemple, les Climat Data Records[ produits par les NOAA National Centers for Environmental Information[ s'appuient de plus en plus sur l'apprentissage automatique pour homogénéiser les enregistrements entre différents instruments.L'apprentissage automatique permet également de détecter des signaux climatiques subtils, comme des signes précoces de stress de sécheresse ou de fuites de méthane, qui seraient manqués par les algorithmes traditionnels.

Conclusion

Les systèmes satellitaires sont passés de la technologie expérimentale à un élément essentiel de la surveillance mondiale des changements climatiques, qui est le seul moyen d'obtenir des observations systématiques, répétées et mondiales de l'atmosphère, des océans, des terres et des glaces de la Terre.Les données recueillies sous-tendent presque tous les aspects de la science du climat, de la détection de la perte accélérée de glace de mer arctique à la vérification des engagements internationaux de réduction des gaz à effet de serre.