Satellites pour les sciences de l’atmosphère 1

Peu de temps après la conquête de l’espace, grâce à des moyens de télédétection innovants, l’Histoire des satellites météorologiques débute en 1960 avec le lancement de Tiros-1. Les satellites sont en orbite basse et produisent des images de la Terre. Au fil des décennies suivantes, les États-Unis, la Russie, puis l’Europe, ainsi que d'autres nations, déploient leurs propres constellations de satellites météorologiques, géostationnaires ou défilants.

Le service des États-Unis pour la météorologie et l’océanographie, la NOAA, est responsable des satellites météorologiques opérationnels américains. A l’heure actuelle, il opère les satellites en orbite polaire Suomi-NPP, NOAA-20 et NOAA-21, dont les instruments perfectionnés mesurent de nombreux paramètres atmosphériques globaux. Il opère également les satellites géostationnaires GOES-16, -17 et -18 qui fournissent en temps réel des images météorologiques à haute résolution du continent américain.

L’agence spatiale américaine, la NASA, a eu un rôle pionnier en météorologie satellitaire, explorant sans cesse des nouvelles techniques d’observation. Après avoir conçu des satellites innovants dans les années 60 à 80 (Nimbus), elle a développé de 1995 à 2015 avec EOS-A, B et C des constellations de satellites d’une grande importance pour la météorologie opérationnelle et les sciences atmosphériques : Terra, l’Aqua Train et Aura. Pour le futur, la NASA oriente ses investissements vers les petits satellites.

L’Agence spatiale européenne (ESA) conçoit et réalise des satellites technologiquement innovants, en particulier pour l’étude scientifique de l’atmosphère, tels Envisat (composition atmosphérique), Aeolus (mesure du vent) ou Earthcare (nuages-aérosols). Elle est aussi en charge du développement des satellites météorologiques Meteosat et Metop exploités par Eumetsat et de celui des satellites ou instruments de surveillance de l’environnement terrestre Sentinel du programme Copernicus.

EUMETSAT est une agence inter-gouvernementale européenne, responsable de la fourniture de services opérationnels de données satellitaires pour la météorologie, l’environnement et le climat terrestres. EUMETSAT s’appuie en premier lieu sur ses satellites météo : les Meteosat en orbite géostationnaires, et les Metop en orbite polaire héliosynchrone Metop. EUMETSAT opère aussi des services Copernicus et des services de données pour le climat.

L’agence spatiale française, le CNES, conçoit des instruments ou des satellites, notamment pour l’étude de l’atmosphère terrestre, en liaison avec la communauté scientifique. Leur réalisation se fait souvent en coopération internationale. Parmi les exemples récents : IASI, sondeur infrarouge de température, d’humidité et de gaz minoritaires (satellites Metop) avec Eumetsat, et Calipso, satellite équipé d’un lidar pour l’étude des nuages et des aérosols avec la NASA.

Une intense collaboration internationale, sous l’égide de l’OMM, du CGMS et du CEOS, permet d’assurer la continuité des observations, leur interoperabilité et l’inter-étalonnage des instruments en orbite, notamment pour l’observation du climat. Des accords bilatéraux facilitent l’échange de moyens techniques et le secours mutuel. Avec l’émergence du secteur privé, de nouveaux modes de coordination et coopération voient le jour.

Les satellites météorologiques se retrouvent principalement dans deux catégories d’orbites : les orbites basses (LEO) et l’orbite géostationnaire (GEO). Pour les orbites LEO, on explique les caractéristiques importantes que sont l’héliosynchronisme, le phasage, les heures de passage, l’échantillonnage compte tenu de la fauchée des instruments. Pour les satellites GEO, on détaille les conditions d’observation. Les exemples s’appuient sur les satellites actuels.

Ce chapitre présente les principales notions de physique de la mesure sur lesquelles reposent l’observation de l’atmosphère par satellite. Après une description générale des bases de la télédétection atmosphérique (absorption et diffusion, spectroscopie gazeuse…), l’équation de transfert radiatif est introduite en prenant soin d’analyser ses conséquences pratiques pour l’observation spatiale. Enfin, les principes et intérêts des différents capteurs embarqués sur satellite, qu’ils soient passifs ou actifs, dans le domaine optique ou des micro-ondes sont décrits.

Après le calcul du spectre atmosphérique en fonction de l’état de l’atmosphère et de la surface, via l’équation de transfert radiatif, le problème inverse consiste à estimer les variables atmosphériques (profil de température, d’humidité, concentration des gaz absorbants, propriétés des nuages ou aérosols…) à partir d’un spectre mesuré. Ce chapitre a pour objectif de présenter succinctement les principales techniques utilisées.