Airbus Defence and Space

SMOS : pister le cycle de l’eau sur Terre

Véritable garant de la vie et de la régulation climatique, le cycle hydrologique est l’un des processus fondamentaux de notre planète. Pourtant, il reste encore relativement mal compris. Lancée le 2 novembre 2009, la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l’Agence spatiale européenne (ESA) vise précisément à étudier l’humidité des sols et la salinité des océans. Grâce à son instrument innovant, MIRAS fabriqué par Airbus Defence and Space Espagne, le satellite fournira une réponse directe à notre besoin urgent d’en savoir plus sur la façon dont les changements climatiques influent sur le cycle hydrologique de la Terre.

Comprendre les conséquences potentielles de la mutation du cycle de l’eau sur Terre, causée par le changement climatique est l’une des priorités absolues des politiques environnementales actuelles. La compréhension insuffisante des facteurs qui régissent et altèrent le cycle hydrologique est une source majeure d’incertitude en matière de prévision climatique et météorologique et de projection sur l’évolution du climat. Les relations entre végétation, hydrologie et changement climatique influent sur la façon dont les sociétés choisissent de gérer leurs ressources écologiques, dans un contexte de démographie galopante. Une meilleure compréhension s’avère donc essentielle pour mettre en place diverses options, répondant aux conséquences de la variabilité du cycle hydrologique. 

 

Intégration de l’instrument MIRAS chez Airbus Defence and Space Barajas en Espagne. (© Airbus Defence and Space)


Innovation spatiale au profit de la science terrestre

Aujourd’hui, après plus de dix ans de recherche et de développement, les ingénieurs et scientifiques d’une vingtaine d’entreprises et d’universités européennes emmenées par Airbus Defence and Space Espagne, sont parvenus à lancer en orbite une véritable merveille technologique, puisque SMOS fournira pour la première fois à la communauté scientifique des mesures globales et régulières de deux variables déterminantes du cycle hydrologique. Seul et unique instrument du satellite, le radiomètre interférométrique à synthèse d’ouverture MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) est ingénieusement agencé, de sorte que, grâce à une technique jamais employée auparavant dans l’espace, il peut mesurer à la fois le taux d’humidité du sol et la salinité de l’eau de mer. L’association de ces deux axes d’étude est loin d’être anodine, puisque l’humidité des sols et la salinité des océans sont intrinsèquement liées dans le cycle hydrologique de la Terre. Les informations concernant ces deux paramètres sont très limitées, avec relativement peu de lectures précises in situ pour l’humidité du sol et seulement une portion restreinte des océans du globe régulièrement échantillonnée pour en connaître le niveau de salinité. 

 

Des processus hydrologiques régulés par l’humidité de la terre et la salinité de l’eau

Le sol contient seulement 0,001 % de l’eau présente sur notre planète, mais cette teneur est essentielle pour la régulation de l’eau et les échanges énergétiques entre la terre et la basse atmosphère, sous la forme d’évaporation et d’infiltration. Les données transmises par SMOS permettront d’établir, au minimum tous les trois jours, des cartes de l’humidité des sols. Associées à des techniques de modélisation numériques, ces cartes permettront d’estimer la teneur en eau du sol jusqu’à une profondeur d’un à deux mètres – la « zone des racines », réservoir à partir duquel les plantes drainent l’eau qu’elles absorbent. Il est fondamental de pouvoir estimer la teneur en eau de cette couche pour améliorer les prévisions météorologiques à court et moyen terme, la modélisation hydrologique, la surveillance de la photosynthèse et la croissance des végétaux, ainsi que notre connaissance des cycles du carbone terrestre. Les informations sur l’humidité des sols sont également essentielles dans la prévision des inondations, des vagues de sécheresse et de chaleur.

 

La salinité des océans et la température de la surface déterminent la densité de l’eau de mer, facteur central de la circulation des océans du globe, qui régule les modèles météorologiques et climatiques en transportant la chaleur de l’équateur vers les pôles – provoquant des phénomènes responsables, dans certains cas extrêmes, des inondations et de la sécheresse. La salinité de la mer en surface est en grande partie contrôlée par des niveaux nets d’évaporation/de précipitation, un indicateur important dans le changement climatique. Compte tenu du fait que l’équilibre entre évaporation et précipitations est difficile à mesurer précisément sur l’ensemble des océans avec les moyens terrestres, les cartes satellitaires de la salinité des océans représenteront un précieux outil pour établir des estimations précises, à l’échelle mondiale, permettant ainsi de meilleures prévisions atmosphériques. Les informations transmises par SMOS généreront des cartes de la salinité océanique au minimum tous les 30 jours.

 

La mission SMOS livrera ces données très attendues grâce à MIRAS, le premier radiomètre interférométrique bidimensionnel en orbite polaire, qui enregistrera les différences de rayonnements électromagnétiques émis par la surface de la Terre.

 

« Le changement climatique est un fait, mais son incidence sur les précipitations, l’évaporation, les glissements de terrain et les risques d’inondation est encore incertaine », précise Yann Kerr, principal chercheur de la mission SMOS auprès de l'ESA. En permettant de recueillir des données sur l’humidité des sols et la salinité des océans depuis l’espace, SMOS contribuera à combler nos lacunes en la matière et jouera un rôle majeur dans la surveillance du changement climatique à l’échelle planétaire. 

 

Déploiement de l’instrument MIRAS, en configuration « Y », du satellite SMOS. (© Airbus Defence and Space/ESA)

 

MIRAS : le pourquoi du Y

Toute matière émet des rayonnements électromagnétiques, dans une plus ou moins large mesure selon ses propriétés électriques, c’est ce que l’on appelle son « émissivité ». L’humidité et la salinité réduisent respectivement l’émissivité du sol et de l’eau : un sol humide et de l’eau salée émettent ainsi des niveaux de rayonnement plus faibles que des terres arides et de l’eau douce. Toutes les 1,2 seconde, MIRAS procèdera à la lecture en hyperfréquence de ces rayonnements émis par la surface de la Terre, afin d’enregistrer les fluctuations des rapports sol/humidité et eau/sel à l’échelle mondiale, au fil du temps. Etant donné que ces mesures doivent être effectuées à une profondeur d’investigation relativement importante, à travers le couvert végétal et indépendamment des conditions météorologiques, MIRAS fonctionne en bande L (fréquence de 1,4 GHz/longueur d’onde de 21 cm). Peu affectée par la végétation, les conditions météorologiques et l’atmosphère, cette fréquence présente en outre l’avantage d’être réservée par le Règlement international des Radiocommunications pour l’astronomie, qui garantit l’absence d’interférence avec des émissions dues aux activités humaines ou émanant de la surface de la Terre. Or, le rapport faible fréquence/grande longueur d’onde que présente la bande L nécessite normalement une antenne de très grande dimension, de l’ordre d’une dizaine de mètres, pour atteindre la couverture et la résolution spatiale adéquates, ce qui est tout simplement impossible pour une mission satellitaire.

Les premières données transmises par MIRAS ont été reçues, fin novembre 2009, par le Centre européen d’astronomie spatiale, de l’ESA, à Villafranca en Espagne. (© ESA)

C’est en cela que les concepteurs des instruments ont démontré leur remarquable ingéniosité, en imaginant une solution élégante qui synthétise l’ouverture de l’antenne en 69 petits récepteurs d’antenne, répartis à intervalles réguliers le long d’une structure en forme de « Y », composée d’un corps central et de trois bras. Les observations de tous les récepteurs sont transmises à une unité centrale qui effectue des corrélations transversales d’interférométrie des signaux entre toutes les combinaisons possibles des paires de récepteurs. Ce processus de regroupement d’une multitude de petits récepteurs produit une résolution d’image équivalente à celle d’une seule antenne « fantôme » très large.

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