Introduction : Le rôle critique de la télédétection dans la recherche cryosphérique

Les glaciers et les calottes glaciaires de la Terre sont parmi les indicateurs les plus sensibles du changement climatique.Ils réagissent directement aux changements de température et de précipitations, et leur fonte contribue de façon significative à l'élévation du niveau de la mer dans le monde. Cependant, nombre de ces paysages gelés sont situés dans des régions éloignées, à haute altitude ou polaires, qui sont difficiles et coûteuses à accéder par les expéditions terrestres. C'est là que la télédétection, science de la collecte d'informations sur la surface de la Terre à distance, est devenue indispensable.Au cours des quatre dernières décennies, les technologies de télédétection par satellite et aéroporté ont transformé notre capacité de surveiller la dynamique des glaciers, le bilan massique des calottes glaciaires et les changements du niveau de la mer avec une précision, une couverture spatiale et une fréquence temporelle remarquables.

Principes fondamentaux de la télédétection pour l'observation de la Terre

La télédétection repose sur la détection et la mesure des rayonnements électromagnétiques réfléchis ou émis par la surface de la Terre.Les capteurs peuvent être classés en deux catégories: capteurs passifs[, qui détectent les rayonnements naturels (généralement la lumière solaire réfléchie par la surface ou l'énergie infrarouge thermique émise par la Terre), et capteurs actifs[, qui émettent leur propre énergie et mesurent le signal de retour. Le choix du type de capteur et de la longueur d'onde est crucial pour étudier les glaciers et le niveau de la mer parce que différents matériaux (glace, neige, eau, roche) ont des signatures spectrales distinctes.

Techniques de surveillance de la fonte et de la vélocité des glaciers

Imagerie optique et multispectrale par satellite

Des capteurs multispectraux comme ceux sur Landsat 8/9 (résolution spatiale de 30 mètres) et les constellations Sentinel-2 (résolution de 10 mètres) capturent des images sur de multiples bandes de lumière visible et infrarouge. Ces images servent à délimiter les limites des glaciers, à cartographier l'étendue de la couverture de neige et à suivre les changements saisonniers de l'albédo (réflexion). En comparant les images de différentes années, les scientifiques peuvent calculer le taux de perte de surface des glaciers au fil du temps. Par exemple, une étude des glaciers dans les Alpes européennes à l'aide de données Landsat a révélé que la région a perdu environ 50 % de son volume de glacier entre 1850 et 2000, avec une accélération depuis les années 1980.

Altimétrie laser (LiDAR)

En suivant avec précision le temps de déplacement de chaque impulsion, les scientifiques calculent l'altitude de surface avec une précision de quelques centimètres.Le satellite NASA ICESat-2], lancé en 2018, transporte l'instrument ATLAS, qui émet 10 000 impulsions laser par seconde et mesure l'altitude des glaciers et des nappes glaciaires le long de sa piste terrestre.Ces données révèlent des changements d'épaisseur : lorsqu'ils sont répétés au fil du temps, ils indiquent si un glacier s'épaissit (mauvais gain de masse) ou s'amincit (perte de masse). Par exemple, l'ICESat-2 a documenté que la feuille de glace du Groenland a perdu environ 1,5 milliard de tonnes de glace par an entre 2003 et 2019, les pertes les plus importantes se produisant aux glaciers de la sortie de la mer.

Radar d'ouverture synthétique (SAR)

Les capteurs radar ont un avantage distinct sur les systèmes optiques car ils peuvent pénétrer dans la couverture nuageuse et fonctionner dans l'obscurité totale, critique pour la surveillance des régions polaires qui connaissent de longues nuits et des systèmes de tempête fréquents. Le radar d'ouverture synthétique (SAR) utilise une antenne mobile pour simuler une très grande ouverture, générant des images à résolution fine à partir d'échos radar. L'imagerie SAR est particulièrement utile pour suivre la vitesse de surface des glaciers par des techniques de SAR interférométrique (InSAR), qui comparent la phase des signaux radars de deux passages ou plus. Cette détection de mouvement peut capter des vitesses de flux des glaciers jusqu'à quelques centimètres par an. Les scientifiques ont utilisé les données InSAR de la constellation Sentinel-1 pour cartographier l'accélération des glaciers en Antarctique et au Groenland, en identifiant les ondes et les événements de mise au point.

Détection de gravimétrie et de changement de masse

Bien que l'altimétrie et l'imagerie mesurent les changements géométriques, la gravimétrie mesure la redistribution de la masse qui accompagne la perte ou le gain de glace.Les missions GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment, 2002–2017) et ses suites GRACE-FO (2018–aujourd'hui) consistent en deux satellites volant en formation, traçant des changements mineurs dans la distance entre eux causés par des variations dans le champ de gravité de la Terre. Lorsqu'une nappe glaciaire perd de sa masse, la traction gravitationnelle dans cette région s'affaiblit, modifiant l'orbite des satellites. En analysant ces anomalies de gravité, les scientifiques peuvent calculer le changement de masse total (en gigatons par année) sur une feuille de glace entière ou une grande région couverte par un glacier.

Missions satellitaires spécifiques et leurs contributions

Programme Landsat

Avec huit satellites opérationnels depuis 1972, le programme Landsat de l'USGS fournit les archives continues les plus longues d'images optiques à moyenne résolution. Il a été crucial pour établir des inventaires des glaciers, cartographier les changements de zones et fournir des données de base au World Glacier Monitoring Service.

Constellations sentinelles de l'ESA

Le programme européen Copernicus exploite la série Sentinel, y compris Sentinel-1 (SAR), Sentinel-2 (multispectral), et Sentinel-3 (couleur océanique et terrestre, altimétrie).Ces missions fournissent des données libres et ouvertes qui ont démocratisé la recherche sur les glaciers et le niveau de la mer à l'échelle mondiale.

ICESat et ICESat-2

L'ICESat de la NASA (2003-2009) a été le premier altimètre laser satellite conçu pour mesurer l'altitude des calottes glaciaires. Son successeur, l'ICESat-2, avec un laser de comptage multifaisceaux plus avancé, fournit actuellement des données d'altitude sans précédent sur les calottes glaciaires et la glace de mer, y compris des mesures sur des glaciers de montagne accidentés qui étaient auparavant difficiles à résoudre.

CryoSat-2

Le CryoSat-2 de l'ESA (lancé en 2010) est équipé d'un altimètre radar optimisé pour les surfaces glacées. Il a été essentiel pour mesurer les changements d'épaisseur de la nappe glaciaire dans les zones côtières et pour calculer l'épaisseur de la glace de mer sur l'océan Arctique.

Surveillance de l'élévation du niveau de la mer: combinaison des techniques

L'élévation du niveau de la mer est un phénomène composite qui est motivé par deux facteurs principaux : l'expansion thermique de l'océan (à mesure que l'eau se réchauffe) et l'ajout d'eau douce provenant de la fonte des glaciers et des calottes glaciaires.

Altimétrie par satellite pour la hauteur de surface de la mer

Les satellites de la série Jason (Jason-1, OSTM/Jason-2, Jason-3 et le prochain Sentinel-6 Michael Freilich) fournissent des mesures altimétriques continues de la hauteur de la surface de la mer mondiale avec une précision approchant de 2 à 3 centimètres. En mesurant l'ensemble de l'océan, les scientifiques ont observé que le niveau moyen de la mer mondiale a augmenté d'environ 3,3 millimètres par année au cours des trois dernières décennies, avec une tendance accélérée.Les données altimétriques révèlent également une variabilité régionale – certaines régions comme le Pacifique occidental augmentent plus rapidement que la moyenne mondiale, tandis que d'autres connaissent une baisse relative du niveau de la mer en raison de l'ajustement isostatique glaciaire.

Gravimétrie pour démêler la fonte de glace par rapport à l'expansion thermique

Les missions GRACE et GRACE-FO offrent une capacité unique de séparer la composante masse de l'élévation du niveau de la mer de la composante expansion thermique. En mesurant la perte de masse des glaciers et des calottes glaciaires, les scientifiques peuvent calculer la contribution de l'élévation du niveau de la mer directement attribuable à l'eau de fonte. Par exemple, les données GRACE montrent qu'entre 2002 et 2014, l'eau de fonte des glaciers et des calottes glaciaires a contribué à l'élévation du niveau de la mer à environ 1,8 millimètre par année, soit environ 55 % de l'augmentation totale observée.

Infrarouge optique et thermique pour le changement côtier

Outre les mesures à ciel ouvert, la télédétection surveille les impacts côtiers de l'élévation du niveau de la mer : érosion des rives, inondation des zones basses et changements dans les formes de terres côtières. L'imagerie optique à haute résolution (à partir de satellites comme WorldView, ou d'aéronefs) peut cartographier à plusieurs reprises les positions du littoral, révélant des taux d'érosion de quelques mètres par année dans les deltas vulnérables et les îles-barrières.

Traitement des données et méthodes d'analyse avancées

Les données brutes de ces capteurs satellites, qu'il s'agisse d'une image optique, d'une forme d'onde altimétrique laser ou d'un interférogramme de SAR, nécessitent un traitement sophistiqué. D'abord, les corrections géométriques et radiométriques compensent la géométrie du capteur, les interférences atmosphériques et les distorsions du terrain. Ensuite, les algorithmes de détection des changements identifient les différences entre les images multitemporelles ou les modèles d'élévation. Pour la surveillance des glaciers, les techniques courantes comprennent le suivi des caractéristiques en utilisant la corrélation croisée pour les cartes de vitesse, le modèle numérique d'élévation (DEM) diffère[ pour le changement d'épaisseur, et l'analyse du mélange spectral[] pour la couverture fractionnelle neige/glace.

Études de cas : Ce que la télédétection a révélé

La banquise du Groenland

Entre 1992 et 2020, la nappe glaciaire a perdu environ 4 900 gigatons de glace, ce qui a permis d'élever le niveau de la mer d'environ 13,5 millimètres. Les principaux facteurs sont la fonte accrue à basse altitude et l'accélération des glaciers de marée, comme Jakobshavn Isbræ, qui a doublé sa vitesse au début des années 2000. La télédétection a également détecté la formation de lacs supraglaciaux qui s'écoulent dans les crevasses, lubrifient le lit et accélèrent encore plus le débit.

La banquise de l'Antarctique

L'Antarctique est plus complexe : la banquise est en grande partie stable, tandis que l'Antarctique occidental, en particulier l'Embarquement de la mer d'Amundsen, s'amincit rapidement. L'altimétrie radar satellite de CryoSat-2 et de IceSat-2 montre que les glaciers de Pine Island et de Thwaites ont éclairci de plusieurs mètres par an.

L'Himalaya et l'Asie des hautes montagnes

Les études de télédétection utilisant des images satellite espions Landsat et déclassifiées des années 1970 ont révélé que les glaciers himalayens ont diminué d'environ 15% au cours des 50 dernières années. Cependant, la réponse est hétérogène: la région de Karakoram a connu un léger gain de masse ou de stabilité (l'anomalie de Karakoram), attribuée à des conditions météorologiques uniques.

Défis et limites des systèmes de télédétection actuels

Malgré des progrès impressionnants, la télédétection des glaciers et du niveau de la mer est confrontée à plusieurs obstacles. La résolution temporelle est une limitation courante : certains passages satellites ne se produisent que tous les 10 à 16 jours, ce qui peut faire défaut à des événements rapides comme le vêlage ou les inondations d'icebergs. ]La couverture nuageuse bloque les capteurs optiques, en particulier dans les régions tropicales de montagne et pendant les périodes de tempête. La distorsion atmosphérique affecte les signaux radar et optiques, nécessitant des corrections minutieuses qui introduisent l'incertitude.

Orientations futures et technologies émergentes

Plusieurs nouvelles missions satellitaires et progrès technologiques promettent d'améliorer les capacités de surveillance.NASA-ISRO SAR Mission (NISAR) fournira une couverture radar mondiale tous les 12 jours avec des fréquences en bande L et en bande S, permettant des mesures plus robustes de la vitesse et de la déformation des glaciers dans les régions végétatives et montagneuses.La mission de la topographie de l'eau et de l'océan de surface (SWOT)[, lancée en décembre 2022, utilise l'interférométrie radar de bande Ka pour mesurer l'élévation de la surface de l'eau et la topographie de l'océan à résolution spatiale sans précédent (<100 meters), which will improve sea level rise estimates in coastal zones and narrow currents. In terms of data analysis, integration of deep learning [ avec de grandes données satellitaires, permettra la détection en temps quasi réel des ondes de glacier, du calmant des icebergs et des panaches d'eau fondus. SmallSat constellations] [p.

Conclusion : La télédétection comme l'os de la science cryosphérique

Depuis les premiers jours de Landsat, qui ont fourni les premières vues synoptiques sur l'étendue des glaces jusqu'à la suite actuelle de capteurs laser, radar, gravimétrique et optique, la capacité de mesurer avec une grande précision les changements de la masse des glaces, de l'altitude et de la hauteur des océans a transformé les sciences du climat.Ces données sous-tendent les rapports du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), guident les stratégies nationales d'adaptation et orientent les négociations internationales sur les politiques.