Airbus Defence and Space

Les instruments de MetOp-B fournis par Airbus Defence and Space

ASCAT, GRAS et MHS

Trois des plus importants instruments de mesure sont fournis par Airbus Defence and Space : ASCAT (mesures de la vitesse des vents à la surface des océans, indépendamment des conditions météorologiques), GRAS (profils atmosphériques - température et humidité) et MHS (analyse hygrométrique).

ASCAT - A l’écoute du vent, et bien plus encore

MetOp's ASCAT instrument

Facilement reconnaissable avec ses deux antennes de 3 m, ASCAT est un radar actif principalement chargé de mesurer la vitesse et le sens des vents à la surface des océans. Il doit son nom (Advanced SCATterometer) à la technique de scattérométrie qu’il emploie.

Un scattéromètre émet un signal et mesure l’ampleur de l’écho après interaction avec la cible (surface terrestre ou océanique). Ce signal retour est appelé « signal de rétrodiffusion ». Nous avons tous déjà constaté les perturbations provoquées par le vent à la surface de l’eau (ondulations et vagues) : ces mouvements altèrent les propriétés de rétrodiffusion radar, déterminées par la vitesse et le sens du vent. L’énergie de ces ondulations augmente avec la vitesse du vent, ce qui influe sur l’intensification du signal de rétrodiffusion.

Fonctionnant en bande C, ASCAT transmet des impulsions d’énergie hyperfréquences (d’une fréquence linéaire longue, singulièrement surnommée « chirp » (Compressed High Intensity Radar Pulse) par les spécialistes), reçoit les échos radar, les « décompresse », et analyse « spectralement » le signal rétrodiffusé.

Test d’antenne d’ASCAT

Test d’antenne d’ASCAT

Déployés au moment de l’injection du satellite en orbite avec une configuration en V (+135° et -135°) par rapport à la trajectoire de vol, les deux bras comprennent trois antennes chacun, permettant de réaliser des observations de manière séquentielle dans trois directions, sur deux fauchées de 550 km de large. Chaque point au sol compris dans ces couloirs est d’abord visualisé par le faisceau avant, puis celui du milieu, et enfin, le faisceau arrière - chaque faisceau durant seulement 35,4 millisecondes. Les cycles sont échelonnés, chaque fauchée étant achevée avant le début de la suivante. Cette approche d’observation multiple réduit l’ambiguïté des données, ce qui permet d’atteindre une meilleure résolution et de quasiment doubler la couverture des précédents scattéromètres. ASCAT permet d’établir des cartes de la vitesse et du sens des vents au-dessus des océans en seulement deux jours, en couvrant une vaste zone à chaque balayage.

ASCAT fournit une carte de la vitesse et de la direction du vent à la surface des océans en l’espace de seulement deux jours, grâce à une fauchée très large (© Eumetsat)

ASCAT fournit une carte de la vitesse et de la direction du vent à la surface des océans en l’espace de seulement deux jours, grâce à une fauchée très large (© Eumetsat)

Outre sa principale fonction de détermination du vecteur vent, ASCAT fournit également de précieuses données au profit d’applications et de recherches dans de nombreux autres domaines, comme la surveillance de la glace de mer et terrestre, la couverture neigeuse et l’humidité des sols. Etant donné que le signal radar du scattéromètre peut pénétrer le sol, ASCAT peut également observer les caractéristiques climatiques de la subsurface et sous la canopée.

L’étendue de la glace de mer, la limite du pergélisol et la désertification sont des questions prioritaires de la surveillance environnementale. Avec sa couverture globale rapide, de jour comme de nuit, indépendamment des conditions météorologiques, ASCAT constitue un outil unique pour les études climatiques à long terme.

GRAS - suivre les satellites GPS au moment où ils se lèvent ou se couchent

MetOp's GRAS instrument

GRAS (Global navigation satellite system Receiver for Atmospheric Sounding) est un récepteur de signaux émis par les satellites du système de localisation global GPS. Même s’il fournit des données de navigation en temps réel pour déterminer la position orbitale précise de MetOp, sa mission principale consiste toutefois à mesurer la température et l’humidité atmosphérique par radio-occultation.

Au cours de sa période de révolution (d’une centaine de minutes), MetOp croise de nombreux satellites de la constellation GPS gravitant sur une orbite plus élevée. Du point de vue de MetOp, ces satellites semblent se « lever » ou se « coucher » à l’horizon - des phénomènes appelés « occultations » (autrement dit, une disparition du champ de vision). GRAS suit les signaux des satellites GPS au cours d’un intervalle d’occultation. Ces signaux sont réfractés à mesure qu’ils traversent tangentiellement l’atmosphère terrestre. Le degré de réfraction dépend de la densité de l’air, qui est elle-même dictée par la température atmosphérique et la concentration de vapeur d’eau. Les mesures de l’angle réfracté livrent donc des informations sur ces variables atmosphériques, ce qui permet à GRAS d’établir des profils de température, d’humidité et de pression, basés sur l’angle de réfraction. La position relative entre le satellite GPS observé et MetOp en orbite basse évolue au fil du temps, ce qui permet un balayage vertical des couches successives de l’atmosphère.

Cette image montre comment le signal du satellite GPS capté par GRAS se réfracte dès qu’il traverse l’atmosphère terrestre, permettant ainsi à GRAS de déterminer l’humidité, la pression et la température atmosphériques (© ESA)

Cette image montre comment le signal du satellite GPS capté par GRAS se réfracte dès qu’il traverse l’atmosphère terrestre, permettant ainsi à GRAS de déterminer l’humidité, la pression et la température atmosphériques (© ESA)

Le suivi des satellites GPS qui se « couchent » derrière l’atmosphère terrestre est bien plus facile que lorsqu’ils se « lèvent », étant donné que l’instrument est déjà « ciblé » sur le satellite. GRAS est le tout premier instrument à avoir acquis et suivi avec succès un « levé » de satellite. Fort de cette capacité, mais également du niveau de sensibilité démontré en orbite, GRAS est à même de fournir plus de 600 mesures d’occultation par jour, combinant haute résolution verticale, précision élevée et couverture globale.

La capacité de GRAS à suivre les satellites GPS au moment où ils se lèvent ou se couchent signifie qu’il peut mesurer plus de 600 occultations par jour, soit 20 % de plus que ce que prévoyait le cahier des charges (© ESA)

La capacité de GRAS à suivre les satellites GPS au moment où ils se lèvent ou se couchent signifie qu’il peut mesurer plus de 600 occultations par jour, soit 20 % de plus que ce que prévoyait le cahier des charges (© ESA)

D’une masse de 30 kg, GRAS possède un niveau de précision supérieur à celui d’un récepteur GPS standard. Il est équipé de trois récepteurs d’antennes positionnés en différents points du satellite MetOp, deux pour les mesures d’occultation, configurés pour observer tangentiellement l’atmosphère de la Terre, et un plus petit, pointé au zénith, pour les besoins de navigation.

MHS - Sonder le temps

MetOp's MHS instrument

Le sondeur d’humidité à hyperfréquences (MHS) est équipé de cinq canaux, allant de 89 à 190 GHz, afin de balayer l’atmosphère et mesurer les rayonnements dans différentes bandes spectrales. Etant donné que les rayonnements hyperfréquences émis par la surface de la Terre sont influencés par la teneur en vapeur d’eau ou l’humidité (précipitations, neige, couverture nuageuse) présente dans l’atmosphère, les observations réalisées par le MHS constituent un panorama détaillé de l’humidité atmosphérique, ses canaux correspondant à différentes altitudes de l’atmosphère. Il peut également déterminer la température à la surface de la Terre.

Le canal 1 est un canal de surface comparant les terres émergées et la surface plus froide des océans. Le canal 2 détecte les structures de vapeur d’eau à proximité du sol. Les canaux 5, 4 et 3 montrent les structures de vapeur d’eau dans la basse, moyenne et haute troposphère, respectivement.

Image prise en novembre 2006 par le canal H1 de MHS de MetOp-A à l’issue de huit orbites consécutives (cette « fausse » couleur indique la température et l’émissivité de surface) (© Eumetsat)

Image prise en novembre 2006 par le canal H1 de MHS de MetOp-A à l’issue de huit orbites consécutives (cette « fausse » couleur indique la température et l’émissivité de surface) (© Eumetsat)

Cet instrument, qui pèse seulement 63 kg et occupe un espace de 0,8 m3 à l’intérieur du satellite, balaie la surface de la Terre trois fois toutes les huit secondes. Ces cinq canaux enregistrent 90 échantillons de données distincts (pixels) à chaque balayage. Les canaux sont co-enregistrés, chaque pixel étant séparé d’un angle de 1,111°. Au nadir, l’« empreinte » circulaire de l’instrument mesure 16 km de diamètre. Cette performance exceptionnelle est maintenue par un auto-étalonnage, après chaque balayage de 2,6 secondes.

Le MHS est le seul instrument européen embarqué à bord des satellites de la NOAA (le premier MHS avait été lancé le 19 mai 2005 à bord du satellite NOAA-18), et fonctionne en conjonction avec quatre des instruments américains fournis par la NOAA, à savoir le sondeur hyperfréquence avancé - unité A (AMSU-A1), le sondeur hyperfréquence avancé - unité A2 (AMSU-2), le radiomètre avancé de très haute résolution (AVHRR) et le sondeur haute résolution de rayonnements infrarouges (HIRS). Ensemble, ces instruments constituent le composite « ATOVS » (Advanced TIROS Operational Vertical Sounder).

La vapeur d’eau est très localisée dans l’atmosphère. Les mesures précises de sa répartition permettent ainsi aux météorologues de prévoir les précipitations. Les données du MHS sont transposées par les scientifiques, chercheurs et prévisionnistes dans les modèles numériques de prévisions météorologiques et de « prévisions immédiates », et versées aux prévisions de phénomènes dangereux et rapides comme les tornades et les crues éclair.

Les données MHS peuvent également servir à la surveillance climatique, en particulier la répartition de l’humidité. Ces informations permettent aux scientifiques de mieux comprendre le cycle météorologique de notre planète, de suivre les systèmes convectifs, et d’améliorer les algorithmes de détermination de l’humidité atmosphérique au niveau des pôles.

TélédétectionMetOp