Satellites d'observation

Observation de la Terre

Les satellites d'observation de la Terre sont des outils dédiés à l'étude et la surveillance de notre planète. C’est en fonction des objectifs du satellite, qu'un choix particulier d'orbite est effectué.
Les satellites d'observation sont classés en deux grandes catégories. Les satellites géostationnaires comme les satellites Météosat qui sont positionnés sur l'orbite géostationnaire à 35 786 km d'altitude. Ces satellites ont un recul suffisant pour observer à chaque instant le cinquième de la surface terrestre, par contre leur résolution spatiale est limitée puisqu'elle est de l'ordre du km. Leur immobilité apparente permet de retransmettre des images du lieu d'observation, toutes les 15 minutes, pour Météosat 8. Les satellites défilants comme SPOT, ENVISAT, JASON, ou NOAA évoluent sur des orbites dites "basses", de l'ordre de 800 km environ. Du fait de l'altitude peu élevée, ces satellites distinguent plus de détails de la surface terrestre.

LLe satellite Spot 5 est équipé de capteurs qui permettent d'accéder à une résolution spatiale de 5 m, voire 2,5 m après traitement des données, pour un champ d'observation global de 60 km. Un satellite qui évolue à une altitude de 800 km, effectue un tour de la Terre en une centaine de minutes. Pendant ce temps la planète a effectué une rotation d'environ 25°, ce qui fait que le satellite ne repasse pas au-dessus du même point, d'où son caractère défilant. MetOp tire un portrait détaillé de l'humidité atmosphérique, sur différents canaux qui se rapportent à des altitudes différentes.
La température à la surface de la Terre peut aussi être déterminée ainsi.

Image : MetOp, le satellite développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) pour EUMETSAT, l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques. Crédit: ESA - AOES Medialab

Satellite ENVISAT

ENVISAT (ENVIronment SATellite) est un satellite défilant dédié à la surveillance des ressources terrestres et chargé d’acquérir des images haute résolution de l’atmosphère, des terres et des glaces, dans une vaste gamme de bandes spectrales.
La haute résolution demandée nécessite d’adopter de petites fauchées nécessitant plusieurs jours de balayage pour obtenir une cartographie détaillée de la surface terrestre. ENVISAT embarque pour cela, dix instruments qui peuvent fonctionner simultanément, dont des capteurs-imageurs.
La mission ENVISAT a été conçue par l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Les données produites par ENVISAT sont exploitées dans le cadre de la recherche scientifique sur la Terre et de la surveillance des changements environnementaux et climatiques.
Le lancement d'ENVISAT a été effectué le 01/03/2002 depuis la base de Kourou en Guyane, par une fusée Ariane 5 (vol 145). La mission devait se poursuivre pendant une durée de vie opérationnelle de 5 ans mais a été prolongée jusqu'en 2013.

ENVISAT ne répond plus depuis le 8 avril 2012, ce gros satellite de 8 tonnes sera désorbité en 2013.

Image : ENVISAT évolue à une altitude moyenne de 800 km sur une orbite quasi-circulaire, inclinée de 98° par rapport au plan équatorial, ce qui lui confère l'héliosynchronisme.
Sa période de révolution est de 101 minutes et son cycle orbital est de 35 jours.

METEOSAT

METEOSAT est le satellite le plus connu, en raison de la diffusion quotidienne de ses images au cours des bulletins météorologiques des différents journaux télévisés.
Météosat à l'initiative de la France, est une contribution de l'Europe au système global d'observation dédié à la météorologie et à la climatologie.
Le premier satellite Météosat fut lancé le 23 novembre 1977 et fonctionna jusqu'en 1979.
Météosat-2, lancé en 1981 prit la relève, et depuis, il n'y a eu aucune interruption du service Météosat dont la gestion est confiée à l'organisation européenne EUMETSAT depuis 1995.
Les satellites Météosat-1 à Météosat-7 font partie des premières générations de satellites Météosat.
A partir de Météosat-8, on fabrique des satellites MSG (Météosat Seconde Génération), principalement équipés d'un radiomètre à 12 canaux appelé SEVIRI.
Météosat tourne, à 100 tours par minute, autour de son axe principal, un radiomètre analyse la surface terrestre et convertit en images numérisés, transmises en temps réel, vers le Centre européen des opérations spatiales (ESOC), situé à Darmstadt en Allemagne.

Depuis une altitude de 35 800 km, Meteosat-9, au-dessus de l'équateur à 0° E, juste à l'ouest de l'Afrique, scanne la Terre tous les quart d'heure (96 fois par jour).
Meteosat couvre l'Europe, l'Afrique, le Moyen-Orient, des parties orientales de l'Amérique du Sud et l'océan Atlantique ainsi qu'une partie occidentale de l'océan Indien.
En 2007, le programme de l'ESA a fêté ses 30 ans en effet le premier lancement (Meteosat-1) date du 23 novembre 1977.

Image : vue par météosat-9 de notre planète, côté océan indien et Asie.

SPOT

Les satellites SPOT (Système Probatoire d’Observation de la Terre ou Satellite Pour l’Observation de la Terre) sont une série de satellites civils d’observation du sol terrestre. Spot Image est une société anonyme créée en 1982 par le CNES (Centre national d'études spatiales), l'IGN et l'industrie spatiale (Matra, Alcatel, SSC). Cette filiale d’EADS Astrium est l’opérateur commercial des satellites d’observation de la Terre. Spot Image travaille avec un réseau de plus de 30 stations de réception directe qui reçoivent directement les images acquises par les satellites SPOT. La banque d’images de SPOT est riche de plus de 20 ans de couverture de la planète. Cette banque permet d’étudier facilement des phénomènes qui évolue dans le temps et dans l’espace. Spot-1, a été lancé le 22 février 1986 (Ariane 1), Spot-2, le 22 janvier 1990 (Ariane 40), Spot-3, le 26 septembre 1993 (Ariane 40), Spot-4, le 23 mars 1998 (Ariane 40, Vol 107), Spot-5, le 3 mai 2002 (Ariane 42P, Vol 151).

Image : surveillance du volcan de boue de Java, image acquise le 26 septembre 2008 par FORMOSAT-2
1 - Ouverture dans la digue EST, marquée par deux structures blanches.
2 - Assèchement du centre du bassin sud. La boue s’écoule par les deux canaux latéraux.

JASON

L’océan étant un élément vital pour l’équilibre de la planète, puisqu'il occupe 70 % de la surface terrestre, son observation est devenu un enjeu environnemental.
Lancé le 20 juin 2008, le satellite JASON 2 a pris le relais en 2008, sur la même orbite que ses prédécesseurs.
Il répond à la demande des programmes internationaux d'étude et d'observation des océans et du climat à l'échelle de la planète.
La mission OSTM permettra de fournir à la communauté scientifique des données de haute précision sur les courants océaniques et leurs variations ainsi que la mesure du niveau des mers.
D’une durée de 20 ans, cette mission est assurée par une série de satellites dont le premier est Jason 2.
Jason 2 a une durée de vie prévue de 5 ans.
Grâce à l’altimétrie radar, la hauteur des mers et les moindres variations des océans sont mesurées au centimètre près.

Jason 1, lancé le 7 décembre 2001 par Delta II
Jason 2, lancé le 20 juin 2008 par un lanceur Delta II depuis la base américaine de Vandenberg

Image : Carte de la hauteur significative des vagues tracée à partir des données du 4 au 14 juillet 2008, du satellite Jason-2.
crédits : CNES.
 

La famille JASON

Jason est une famille de satellites d'altimétrie permettant de mesurer le relief des océans, ce sont les successeurs de TOPEX/Poséidon.
Le satellite franco-américain Jason-3 devrait être lancé en 2013 pour remplacer Jason-1, à une altitude de 1 336 km. Avec une inclinaison de 66°, cela lui permettra une couverture presque totale de toutes les étendues océaniques libres de glaces.
Les mesures de ces satellites montrent que le niveau de la mer s’élève chaque année de 3,5 mm en moyenne alors qu’il ne s’élevait que de 1,7 mm en 1993-1994. L'élévation cumulée en 20 ans est de 6 cm.
Les mesures d’altimétrie de Topex-Poseidon (1992-2005) puis Jason-1 (2001) et Jason-2 (2008), servent de référence aux travaux du GIEC.
"L’altimétrie océanique, c'est-à-dire la mesure du niveau de la mer depuis l’espace avec une précision extrême sur toute la surface du globe a été une véritable révolution, auparavant, on ne disposait que d’instruments locaux et peu précis: les marégraphes." Eric Thouvenot, responsable du programme Jason-3 au CNES. Jason combine les meilleurs altimètres existants, il est placé sur une orbite optimal et permet notamment de s’abstraire des effets des marées.

La technique d'altimétrie est basée sur la mesure de la hauteur instantanée de la mer à l'aide d'un radar embarqué sur un satellite artificiel.
L'onde radar (environ 13 GHz) émise par le satellite se réfléchit sur la surface de la mer et est renvoyée à bord. Le satellite mesure alors le temps aller-retour et analyse la forme d'onde reçue, permettant respectivement de déterminer la distance entre le satellite et la surface de la mer ainsi que la rugosité de la surface.
La précision de la mesure dépend de la stabilité de l'orbite du satellite (1336 km), cette altitude le met à l'abri des couches supérieures de l'atmosphère qui agissent comme un frein. Plus on s'éloigne de la Terre et plus on lisse les effets perturbateurs du champ de la gravité terrestre car la gravité de la Terre n'est pas homogène, en fonction de l'endroit où l'on se situe, la gravité est plus ou moins forte.

Image : L'orbite des satellites Topex-Poséidon (1992), Jason-1 (2001)et Jason-2 (2008).
Centre de contrôle du CNES à Toulouse.
Crédits: NASA/JPL.

AQUARIUS

Aquarius, le nouvel instrument de la NASA a produit sa première carte mondiale de la salinité de la surface des océans de la Terre. Cette première image de la salinité globale des océans, démontre la capacité d'Aquarius à déterminer clairement, à grande échelle, les caractéristiques de distribution de la salinité. Cette carte a surpris agréablement les scientifiques de la mission. Les couleurs de la carte représentent la concentration de sel, en grammes de sel par kilogramme d'eau de mer. Les couleurs jaunes et rouges représentent les zones de plus forte salinité, tandis que les couleurs bleues et mauves indiquent les zones de plus faible salinité. Certaines zones ont été effacées (zones de couleur noire) car les données numériques recueillies ne sont pas cohérentes. La salinité moyenne sur la carte est d'environ 35 grammes de sel par kilogramme d'eau de mer. Cependant, cette nouvelle carte ne révèle pas de grandes nouveautés, mais confirme principalement des caractéristiques bien connues de la salinité des océans. Elle confirme par exemple, que la salinité est plus élevée dans les régions subtropicales, que la salinité moyenne est plus élevée dans l'océan Atlantique par rapport à l'océan Pacifique et Indien, que la salinité est plus faible, près de l'équateur et dans le nord de l'océan Pacifique. A grande échelle, ces caractéristiques sont liées au régime des pluies, à l'évaporation des océans, aux débits des fleuves et à la circulation océanique. Aquarius a pour mission de surveiller la manière dont ces caractéristiques vont changer avec le temps et de déterminer leurs liens avec les variations climatiques et météorologiques. D'autres caractéristiques régionales importantes, sont mises en évidence sur cette carte, comme le fort contraste de part et d'autre des zones arides. Par exemple à l'ouest du sous-continent indien, la salinité est élevée, et à l'Est de la baie du Bengale, la salinité est faible car cette zone est influencée par le Gange et les pluies des moussons du sud de l'Asie. Les données montrent également de petits détails importants, comme la faible salinité de l'eau associée à la sortie dans l'océan, de la rivière Amazone. Pour produire la carte, les scientifiques de la mission Aquarius ont du effectuer un étalonnage préliminaire des données recueillies. Ces premières données contiennent certaines incertitudes, qui dans les mois à venir vont demander un travail supplémentaire de validation. Par exemple, les mesures des régions océaniques du sud ne sont pas encore fiables car elles ont été perturbées par des vents violents et des températures de surface faibles.

Sur ce modèle, les rayures visibles, nord-sud, sont des artéfacts de petites erreurs de calibration résiduelle et ne sont pas réels. De plus, la faible salinité, proche des des terres couvertes de glace, et à la proximité avec les côtes glacées, nécessitent des analyses supplémentaires. Aquarius est un satellite d'observations spatiales d'abord spécialisé dans les variations de la salinité de surface des océans, mais c'est aussi une composante clé, pour l'analyse du climat de la Terre, du cycle de l'eau douce autour de notre planète et de l'influence de la circulation océanique.
Le satellite Aquarius a été lancé le 10 juin 2011, de la base californienne de Vandenberg Air Force. Aquarius a été construit par la NASA au Jet Propulsion Laboratory à Pasadena, en Californie, et le Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland NASA. JPL gère la mission Aquarius dans sa phase de mise en service et d'archivage des données. Goddard gère les opérations de la mission Aquarius et les données scientifiques. CONAE a fournit le vaisseau spatial SAC-D, une caméra optique, une caméra thermique avec le Canada, un radiomètre micro-ondes, d'autres capteurs et le centre de mission des opérations. La France et l'Italie ont également contribuer dans la construction des instruments.

N. B. : « Les données de salinité d'Aquarius montrent une bien meilleure qualité que nous nous attendions à voir, si tôt dans la mission », a déclaré Gary Lagerloef (Earth & Space Research in Seattle).
« Aquarius va très vite permettre aux scientifiques d'explorer les liens entre les précipitations mondiales, les courants océaniques et des variations climatiques. »
« Aquarius a déjà fait progresser notre compréhension de la salinité de surface des océans et du cycle de l'eau sur Terre », a déclaré Michael Freilich, directeur de la NASA Earth Science Division au siège de l'agence à Washington.
« Aquarius recueille en continu, les mesures globales de la salinité des océans, y compris les mesures dans des endroits que nous n'avons jamais échantillonné avant. »
« Aquarius expose un modèle, de la salinité de surface de l'océan sur une grande échelle, qui est riche en variations », a déclaré Arnold Gordon, professeur d'océanographie à l'Université Columbia à New York et au Lamont-Doherty Earth Observatory de l'Université Columbia à Palisades, New York.
« C'est un grand moment dans l'histoire de l'océanographie. La première image pose de nombreuses questions et met au défis les océanographes qui devront y répondre. »

Image : Première image composite de la salinité des océans fournit par le satellite Aquarius, sur ses 2 premières semaines d'observation (du 25 aout au 11 septembre 2011). La salinité moyenne sur la carte est d'environ 35 grammes de sel par kilogramme d'eau de mer. L'observatoire Aquarius/SAC-D (Satélite de Aplicaciones Científicas) est une collaboration entre la NASA et l'agence spatiale de l'Argentine, Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE).
Instrument Aquarius/SAC-D Observatory, produit par : GSFC/JPL.

NOAA

Les satellites NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) sont des satellites météorologiques américains qui observe la Terre depuis une altitude de l'ordre de 820 à 855 km sur une orbite inclinée de 99° par rapport au plan équatorial.
Ils appartiennent au dispositif d'observation mis en place par l'Organisation Météorologique Mondiale dont les missions sont, l’observation des phénomènes météorologiques, la cartographie de la structure thermique superficielle des océans, l’agro-météorologie, l’étude de l’évolution de l’environnement marin et côtier.
Le premier satellite NOAA fut mis sur orbite en 1970, et depuis, 18 satellites NOAA furent lancés.

Les satellites NOAA opérationnels sont déphasés : une même région est survolée 4 fois par jour à des intervalles de 6 heures ; en matinée et en soirée par le satellite de numéro pair ; de nuit et en début d'après-midi par le satellite de numéro impair.

Image : Ouragan Frances à l'approche de la Floride le 3 septembre 2004.
crédit NASA, NOAA

GOCE

GOCE, lancé le 16 mars 2009, est sur le satellite le plus sophistiqué des satellites d'observation pour nous renseigner sur le champ gravitationnel de la Terre comme jamais auparavant. Les données de GOCE seront essentielles pour obtenir des mesures précises de la circulation océanique et du changement du niveau de la mer, tous deux touchés par les changements climatiques. Les données permettront de mieux comprendre les processus qui se produisent à l'intérieur de la Terre, liés à des volcans et des tremblements de terre.
GOCE (Gravity Ocean Circulation Explorer) d'abord placé sur une orbite de basse altitude, a atteint son orbite opérationnelle à 259 km d'altitude, en septembre 2009. Ce satellite d'une tonne emporte un gradiomètre très sensible pour mesurer les variations spatiales du champ de gravité en trois dimensions.
Les données recueillies fournissent une haute résolution de la carte de la "géoïde" (la surface de référence de la planète) et des anomalies gravitationnelles.
Cette carte permettra non seulement d'améliorer notre connaissance et notre compréhension de la structure interne de la Terre, mais sera également utilisé pour fournir beaucoup plus de données de référence pour l'étude du climat et de la circulation océanique.
Pour rendre possible cette mission, l'ESA, en collaboration avec un consortium de 45 sociétés européennes, conduit par Thales Alenia Space et la communauté scientifique a dû surmonter certains défis techniques impressionnants. 
GOCE est le premier d'une série de satellites Earth Explorer, à être mis en orbite.

Les missions Earth Explorer ont été conçus par l'ESA pour promouvoir la recherche sur l'atmosphère terrestre, la biosphère, l'hydrosphère, la cryosphère.
Deux autres missions Earth Explorer sont également prévues en 2009: SMOS qui étudiera l'humidité des sols et la salinité des océans et de CryoSat-2 qui mesurera l'épaisseur de la glace. Des missions supplémentaires de Earth Explorer ont été conçues pour traiter des thèmes aussi spécifiques que l'étude de l'évolution du champ magnétique (Swarm) dont le lancement est prévu pour 2010. ADM-Aeolus mesurera la dynamique atmosphérique dans les années 2011, et enquêtera sur le bilan radiatif de la Terre vers 2013.

Vidéo : GOCE (Gravity Ocean Circulation Explorer).

Image : crédit ESA :

PICARD

Picard est un satellite scientifique de 150 kg, piloté par le CNES, l'agence spatiale française.
Ce satellite a été placé sur une orbite héliosynchrone le 15 juin 2010.
Il a pour mission d'observer le fonctionnement de notre Soleil et d'étudier son influence sur le climat de la Terre. Cette orbite de 725 km, permet aux instruments de voir en permanence le Soleil. Le satellite devrait fonctionner au minimum 2 ans.
Cette mission complète un ensemble de missions spatiales solaires comme SOHO, SORCE, Solar B et STEREO.
La mission porte le nom du français du XVIIe siècle, Jean Picard, l'astronome qui a mesuré le diamètre du Soleil pour déterminer l'excentricité de l'orbite terrestre. La distance au Soleil et donc sa taille apparente, varie au cours de l'année et donc est fonction de l'excentricité de l'orbite terrestre. La mission Picard, grâce à son instrument SODISM, à l'abri des turbulences atmosphériques, fournira des mesures beaucoup plus précises. PICARD transporte les instruments SOVAP (SOlar VAriability PICARD), constitués d'un radiomètre différentiel absolu et d'un capteur bolométrique pour mesurer l'irradiance solaire totale, PREMOS

(PREcision MOnitor Sensor), un ensemble de trois photomètres pour étudier la variabilité de l'ozone et observer les oscillations solaires (héliosismologie), SODISM (SOlar Diameter Imager and Surface Mapper), un télescope imageur associé à un CCD qui permet de mesurer le diamètre et la forme du soleil à quelques milli-arcsecondes près, et d'effectuer un sondage de l'intérieur solaire (héliosismologie).

Image : Image du Soleil prise le 22 juillet par le petit télescope français de 11 cm. Le télescope SODISM est embarqué sur le satellite Picard.
"Les données numériques de SODISM fabriquées à partir de la lumière capturée par le télescope sont transmises par radiofréquence vers une des 6 stations de réception du projet Picard, elles transitent ensuite vers le centre de contrôle du CNES à Toulouse avant d’être envoyées vers le centre de mission à Bruxelles. C’est là que l’image est fabriquée à partir des données décodées et décompressées.", rappelle François Buisson.