SWOT : un satellite pour cartographier le cycle de l’eau sur Terre

Jamais les niveaux des océans et des eaux continentales n’auront été mesurés avec autant de précision. C’est la promesse du satellite SWOT (Surface Water Ocean Topography), développé par la NASA et le CNES et lancé le 15 décembre 2022. Ces mesures vont permettre de mieux connaître les ressources en eau, d’alimenter les modèles climatiques et d’améliorer l’évaluation des risques liés aux inondations et à l’érosion, le tout à l’échelle inédite de la Planète. Pionnière en océanographie et altimétrie, la France a un rôle important dans cette mission. On lui doit en effet une grande partie de la préparation de l’exploitation scientifique (définition des objectifs et des instruments) de la mission. Deux des 4 scientifiques Project Investigator1 (PI) de la mission travaillent dans un des nombreux laboratoires du CNRS-INSU qui y ont contribué. À travers sa Division technique, le CNRS-INSU est également impliqué dans la phase de calibration/validation.

Cinq scientifiques nous expliquent le fonctionnement et les objectifs de ce satellite révolutionnaire :  Benoit Laignel, enseignant-chercheur de l’Université de Rouen Normandie au laboratoire M2C2 ; Rosemary Morrow, chercheuse CNAP de l’Université de Toulouse-Paul Sabatier au laboratoire LEGOS-OMP3 , Sylvain Biancamaria, chercheur CNRS au LEGOS-OMP ; Manuela Grippa, chercheuse CNAP à l’Université Toulouse III Paul Sabatier au laboratoire GET-OMP4 ; et Aaron Boone, chercheur CNRS au CNRM5

Le projet SWOT

SWOT (Surface Water Ocean Topography) est un satellite d’observation de la Terre chargé de mesurer le niveau des eaux de surface – lacs, réservoirs et cours d’eau -, leur largeur et d’estimer grâce à ces variables le débit des principales rivières, ainsi que de déterminer de manière à la fois très fine et très précise le niveau des océans et des mers. Le satellite passera au crible la topographie de 90 % des surfaces d’eau au niveau planétaire, une échelle jamais atteinte auparavant. Ces mesures doivent permettre de mieux comprendre le cycle de l’eau et de mieux maîtriser les ressources en eau devenues critiques, ainsi que d’affiner notre connaissance de la circulation des océans et ainsi améliorer les modèles climatiques.

Le 15 décembre 2022, le satellite SWOT sera lancé sur une orbite située à 891 km d’altitude depuis la base de Vandenberg aux États-Unis. Le projet a été développé entre le CNES, la NASA, Thales Alenia et le CNRS (voir encadré), avec un soutien des agences spatiales de l’UK et Canada, et durera au minimum cinq ans.

Vue artiste de SWOT.© NASA/JPL-Caltech
Un satellite innovant

SWOT n’est pas le premier satellite à mesurer le niveau des mers et des eaux terrestres. Avant lui, il y a eu Topex-Poséidon, Jason-1-2-3, Sentinel-3-6. Les instruments utilisés sont des altimètres6  qui mesurent la distance entre le satellite et la surface-cible en chronométrant la durée aller-retour d’un pulse radar. Jusqu’aujourd’hui, l’altimètre était placé sous le satellite, ce qui lui permettait de couvrir une bande du globe de 20 km de large. SWOT, lui, va pouvoir couvrir 120 km en combinant deux radars et un altimètre. Le principal, KaRin, est constitué d’un bras de 10 m aux extrémités duquel sont attachées deux antennes radars. Ces dernières émettent des ondes offrant, de chaque côté, une large fauchée observable de 50 km. KaRin s’appuie sur une méthode, appelée l’interférométrie radar7 , qui permet d’estimer les distances entre un point observé au sol et les deux antennes et ainsi de reconstituer une position dans l’espace. L’altimètre secondaire, Poseidon-3C, est placé sous SWOT et permet de combler la zone aveugle de 20 km entre les deux bandes de 50 km. Ainsi, la fauchée totale du satellite mesure 120 km de large. Cela va lui permettre de couvrir l’ensemble du globe en seulement 21 jours. Ces mesures répétées pendant trois ans permettront le suivi spatio-temporel des zones observées.

Schéma du fonctionnement de SWOT© NASA/JPL-Caltech
Carte de la couverture globale de SWOT après 3 jours et 21 jours; et le nombre de revisites par bande de latitude (à droite).

Autre progrès par rapport à ses prédécesseurs : une résolution spatiale améliorée d’un facteur 10 et des images 3D. Des mailles d’océan de 250 m à 2 km pourront ainsi être observées, ainsi que la zone entre le littoral et 5 km au large à plus haute résolution (100-250 m). Actuellement la complexité de cette zone littorale empêche les altimètres de fournir des données exploitables. Pour les zones d’eau continentales, qui étaient difficilement observables par les instruments spatiaux existants, SWOT mesurera les hauteurs d’eau – de lacs (250m x 250m), de rivières et de fleuves (> 100m de largeur) – qui pourront ensuite être utilisées pour estimer le débit avec une couverture mondiale sans précédent.

L’étape de calibration-validation du satellite a commencé en amont du lancement par des missions de terrain. Cette étape continuera tout au long de la mission à différents points du globe. Elle consiste à vérifier le fonctionnement du satellite en comparant ses mesures avec des données existantes ou obtenues par d’autres appareils dont la fiabilité est connue. Ainsi, pour SWOT, des mesures sont ou seront également effectuées sur les sites de calibration par un avion, un drone, une nappe GPS (voir encadré) ou un lidar, selon le site. En plein océan, 18 sites seront échantillonnés par les campagnes en mer dédiée, via un programme international « Adopt-a-Crossover ». Enfin, SWOT ne finira pas sa vie en déchet spatial, puisqu’à la fin de ses cinq années de fonctionnement, il sera désorbité vers la Terre et se consumera lors de sa rentrée dans l’atmosphère. 

La DT-INSU fortement impliquée dans l’étape de calibration/validation

Une mission de l’ampleur de SWOT nécessite une longue étape de préparation que l’on appelle la phase de calibration/validation (ou CalVal) durant laquelle les scientifiques vérifient la précision et la validité des mesures et des instruments faites depuis le sol, avant d’être effectuées depuis l’espace. La Division technique de l’INSU (DT-INSU)8  a fortement contribué à la phase de CalVal de SWOT. En amont de la mission, la DT-INSU a développé le système de mesure Cyclopée qui mesure le niveau altimétrique d’une surface d’eau, grâce à un ensemble de trois instruments fixés sur un bras stabilisateur : un récepteur GNSS, un altimètre acoustique, une centrale inertielle. Le système a été embarqué à bord de plusieurs bateaux utilisés lors de campagnes de mesures, comme celle sur la Willamette River dans l’Oregon (Etats-Unis) ou celle sur le fleuve Tsiribihina à Madagascar ou celle sur l’estuaire de la Seine.
En effet, pour calibrer les mesures altimétriques des satellites, on s’appuie habituellement sur des antennes GNSS (GPS, Galileo, Glonass) montées sur des bateaux. Malheureusement, les mesures ainsi données sont imprécises parce qu’elles superposent les mesures des mouvements du bateau à celui du niveau de l’eau. Cédric Brachet et Michel Calzas de la DT-INSU ont trouvé une solution en développant la nappe CalNaGEO, un système déformable tracté derrière un bateau, qui épouse parfaitement la surface de l’eau et permet de mesurer avec précision le niveau les océans et des cours d’eau. Ce système permet de gagner un ordre de grandeur de précision par rapport aux capteurs mobiles précédents, en passant d’une précision décimétrique à une précision centimétrique. Étant la seule équipe au monde à réaliser cette mesure avec une telle précision, la DT-INSU a été retenue par le CNES et la NASA pour mener des calibrations du satellite SWOT.

La nappe de calibration CalNaGEO. © DT-INSU
SWOT et les océans : changement climatique et gestion des risques

Le volet océan de SWOT est divisé en deux pôles : littoraux et estuaires d’un côté et océanographie de l’autre. Les données collectées par SWOT vont venir alimenter les modèles climatiques pour mieux cerner l’évolution de ces environnements marins.

Littoraux

Les océans représentent 97% du volume total d’eau de la Planète qui est estimé à 1,4 milliard de km³.

Les littoraux et les estuaires sont des zones très peuplées et en première ligne du changement climatique. Elles sont, en effet, soumises à des inondations et à l’érosion (qui conduit au recul du trait de côte pour le littoral) en lien avec différents phénomènes hydrodynamiques : l’élévation du niveau de la mer, tempêtes, marée, crues de rivières littorales, etc. Il est donc crucial de pouvoir les surveiller et prévoir leur évolution. Ces phénomènes ont, par ailleurs, des effets indirects sur la vie marine, l’évolution des écosystèmes et la qualité de l’eau. Pour le moment, les données dont on dispose pour étudier ces phénomènes hydrodynamiques complexes et les risques associés dans ces zones sont ponctuelles dans l’espace (stations marégraphiques) et de modélisation qui nécessite une meilleure calibration et validation avec davantage de mesures de hauteur d’eau que celles dont nous disposons actuellement de manière ponctuelle . Il est donc extrêmement compliqué de se préparer aux risques futurs. SWOT est une mission scientifique qui permettra d’avoir ces données de hauteur d’eau spatialisées et de manière répétitive pour une meilleure compréhension des phénomènes hydrodynamiques et des risques associés et aura ainsi des applications très concrètes en termes d’aménagement du territoire et de prise de décisions politiques pour les littoraux et estuaires.

Plage de l’Amélie à Soulac-sur-Mer (Gironde) où le recul du trait de côte menace certaines habitations. © Cyril FRESILLON/EPOC/CNRS Photothèque

Océan hauturier

Grâce à l’altimétrie classique, nous avons déjà une bonne connaissance du relief des océans à grande échelle, des zones de haute et basse pression et de la circulation océanique globale. Cette connaissance est essentielle puisque les océans représentent un moteur climatique majeur, absorbant plus de 90 % de l’excès de la chaleur atmosphérique liée au réchauffement. Toutefois, des observations à une échelle plus fine – sur une dizaine de kilomètres plutôt qu’une centaine – sont nécessaires pour aller plus loin dans la compréhension de l’impact du changement climatique sur les océans. La résolution de SWOT va permettre de dévoiler les courants tourbillonnants plus petits, omniprésents et relativement éphémères, souvent dérivés de courants majeurs tels que le Gulf Stream. On pense que les phénomènes de cette échelle sont responsables de la majorité du transport près des côtes, dans les mers régionales comme la Méditerranée, et à haute latitude. Ces courants à fine échelle, dérivé des gradients de la topographie des océans, sont aussi les moteurs du transport de la moitié de la chaleur et du carbone de l’océan supérieur vers les couches plus profondes. Non seulement ces observations aideront à améliorer les modèles de prévision du climat, mais elles révéleront également de nouveaux détails sur le transport de nombreuses substances dans les océans. Parmi elles, on trouve les nutriments en suspension, essentiels à la formation de phytoplancton, qui alimentent l’ensemble du réseau alimentaire marin. La distribution et le transport de ces nutriments par les courants et les tourbillons influencent donc la productivité des pêcheries marines et la santé des océans. Les mouvements océaniques à petite échelle contribuent au transport de polluants tels que le pétrole brut, les rejets nocifs des rivières et les débris (comme ceux issus des tsunamis). Le suivi précis de l’emplacement, de la vitesse et de la direction des matériaux potentiellement dangereux facilitera l’évaluation, la prévision et la réponse aux risques naturels. Outre la modélisation de la dispersion des substances entraînées dans l’eau de mer, la compréhension du mouvement de l’eau elle-même sera précieuse.

SWOT et les eaux continentales : faire l’inventaire des stocks d’eau

Le volume d’eau douce représente 35 millions de km³, soit 3 % du volume d’eau total de la planète, dont l’humanité entière dépend. Mais 68% (d’après Gleick, 1996) de cette eau douce se trouve stockée sous forme solide dans les calottes et les glaciers et 31% est stockée dans les aquifères. À l’heure du changement climatique et des demandes croissantes des populations, la quantité et la qualité des ressources en eau inquiètent. Sur l’ensemble des continents, des régions sont affectées par le manque de pluie (déficit pluviométrique), l’asséchement massif des sols et la baisse des nappes phréatiques dus aux épisodes de sécheresses de plus en plus intenses. Dans d’autres régions, les épisodes pluvieux s’intensifient à cause de l’élévation des températures qui renforce le pouvoir précipitant des nuages, ainsi les inondations deviennent de plus en plus fréquentes. Le dernier rapport du GIEC est formel : le réchauffement climatique perturbe le cycle de l’eau, augmente et intensifie les événements extrêmes (canicules, sécheresse, etc.) et, in fine, menace les stocks d’eau douce et les écosystèmes qui en dépendent.

Inondations catastrophiques, vallée de l’Ahr (Allemagne) 2021. © Adobe stock / Christian

SWOT permettra de faire l’inventaire précis des stocks d’eau à surface libre (rivières, lacs, réservoirs, voire zones humides) sur les continents pour évaluer leur état et établir leur suivi. La mission va également pallier les manques des méthodes actuelles d’observation en mesurant avec précision de nouveaux paramètres essentiels au suivi des ressources, telles que les hauteurs, les pentes, les surfaces et les changements de stockage d’eau des principales zones humides, lacs et réservoirs et permettre d’évaluer le débit des principaux fleuves. Notamment dans des zones difficiles d’accès comme les lacs du Canada ou de Sibérie, qui représentent une part non-négligeable du volume d’eau terrestre. Les données auront des applications concrètes dans de nombreux domaines : gestion de la ressource en eau potable, irrigation, agriculture, navigation fluviale, prédiction des inondations et des crues, production d’énergie hydroélectrique, etc.

L’eau est aussi au cœur d’enjeux sociaux et géopolitiques. Les étendues d’eau (fleuves, rivières, lacs) sont parfois partagés par plusieurs pays, qui peuvent être en conflit, ce qui rend difficile un partage des ressources. C’est le cas du lac Tchad dont 40 millions de personnes de quatre pays limitrophes dépendent (le Tchad, le Cameroun, le Niger et le Nigeria). Les tensions courantes entre ces quatre pays rendent le suivi du niveau du lac et les échanges d’informations parfois compliquées. Les observations de SWOT à l’échelle globale permettront de faciliter ces échanges en fournissant des données homogènes sur l’ensemble du lac et des rivières qui l’alimentent à tous ces pays.

Des données en accès libre

Pour qu’elles soient utilisables par le plus grand nombre, les données doivent d’abord être traitées. Le faire rapidement représente un défi pour les agences spatiales et les équipes scientifiques. Elles seront ouvertes et accessibles à l’ensemble des acteurs scientifiques, opérationnels ou privés. Les mesures océanographiques seront intégrées à des bases de données existant comme AVISO+ et Copernicus. Les mesures hydrologiques seront intégrées à des bases de données comme celle du portail hydroweb.next. Toutes ces sites sont en accès libre, presque entièrement gratuit et ouvert à tous. On peut alors imaginer des décideurs ou gestionnaires de territoire s’approprier les résultats et les intégrer dans leur processus de décision. Au niveau scientifique, les données seront intégrées dans les modèles hydrologiques, océanographiques et climatiques.

Les outils d’océanographie et d’hydrologie spatiale ont déjà permis à la recherche des avancées considérables dans la compréhension des phénomènes extrêmes, du cycle de l’eau et de l’évolution de cette ressource précieuse. Le satellite SWOT a pour ambition d’offrir à l’humanité une toute nouvelle vision de l’eau sur Terre grâce à une instrumentation sans précédent, qui fournira des données d’une précision jamais égalée  et avec une couverture pour la première fois quasi-complète du globe. SWOT permettra d’observer et de comprendre l’impact du changement climatique sur cette ressource essentielle qu’est l’eau.

Marie Perez et Léa Lahmar


Contacts

  • Sylvain Biancamaria, Chercheur CNRS au Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS). Mail : sylvain.biancamaria@legos.obs-mip.fr
  • Manuela Grippa, Chercheuse CNAP à l’Université Toulouse III Paul Sabatier au laboratoire Géosciences Environnement Toulouse (GET). Mail : manuela.grippa@get.omp.eu
  • Aaron Boone, Chercheur CNRS au Centre national de recherches météorologiques (CNRM). Mail : aaron.boone@meteo.fr
  • Rosemary Morrow, Chercheuse CNAP de l’Université de Toulouse Paul Sabatier au Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS) et PI du volet océanographie de SWOT. Mail : rosemary.morrow@legos.obs-mip.fr
  • Benoit Laignel, Enseignant-chercheur de l’Université de Rouen Normandie au laboratoire M2C et PI du volet littoraux-estuaires de SWOT. Mail : benoit.laignel@univ-rouen.fr

Notes

1 Responsables pour la science

2 Laboratoire Morphodynamique continentale et côtière (M2C) / Tutelles : CNRS, Univ. Caen, Univ. Rouen

3 Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS-OMP) / Tutelles : CNRS, CNES, IRD, UT3 Paul Sabatier

4 Géosciences environnement Toulouse (GET – OMP) / Tutelles : CNRS, CNES, IRD, UT3 Paul Sabatier

5 Centre national de recherches météorologiques (CNRM) / Tutelles : CNRS, Météo France

6 mesure des altitudes pour générer des cartes topographiques

7 Mesure par radar depuis un satellite, de la distance entre le satellite et la surface d’eau observée (ocens et eaux continentales à surface libre). On en déduit la topographie de la surface d’eau, ainsi que : des courants géostrophiques des océans, du débit des rivières et des variations d’eau stockée dans les lacs et réservoirs. L’altimétrie par satellite utilise le temps mis par un faisceau radar pour faire l’aller-retour satellite-surface, associé à une localisation précise du satellite, pour effectuer ses mesures.

8 Membres de l’équipe de la DT INSU pour le système Cyclopée : Lionel Fichen (instrumentaliste), Christine Drezen (électronicienne), Cédric Brachet et Michel Calzas (mécaniciens)

Source CNRS INSU

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