Une structure vivante visible d'Orbit

La Grande Barrière de corail n'est pas seulement une destination touristique ou un point d'accès à la biodiversité; elle est une structure vivante si vaste qu'elle est la seule entité biologique visible de l'espace. Le site du patrimoine mondial de l'UNESCO, qui se trouve sur plus de 2300 kilomètres au nord-est de l'Australie, comprend près de 3000 systèmes de récifs individuels, 900 îles et un éventail extraordinaire de vies marines. Pourtant, pour toute sa grandeur, le récifs est soumis à un stress énorme du fait du réchauffement des océans, de la pollution et de l'activité humaine.

La capacité d'observer la Grande Barrière de corail de l'orbite a transformé l'écologie marine. Les levés de terrain traditionnels, bien qu'essentiels pour la vérité au sol, sont difficiles sur le plan logistique, coûteux et limités dans la couverture spatiale. Un seul navire de recherche ne peut couvrir qu'une infime fraction du récif pendant une saison donnée. Les satellites, en revanche, peuvent représenter l'ensemble du système de récif en quelques heures, plusieurs fois et de façon constante au fil des ans.

Techniques de surveillance par satellite

La télédétection : un amorce

Les satellites utilisés pour la surveillance des récifs sont munis d'instruments de télédétection qui mesurent les rayonnements électromagnétiques réfléchis ou émis sur plusieurs bandes spectrales. Ces capteurs captent des données au-delà du spectre visible, y compris les longueurs d'onde infrarouges et thermiques, qui sont essentielles pour détecter la température de l'eau et les concentrations de chlorophylle. Le principe sous-jacent est simple : différents matériaux à la surface de la Terre et dans la colonne d'eau réfléchissent et absorbent la lumière à des longueurs d'onde caractéristiques.

Plateformes satellitaires clés

Plusieurs plates-formes satellitaires sont utilisées couramment pour la surveillance des récifs de la Grande Barrière, chacune ayant ses propres forces et ses propres compromis. Les instruments MODIS (spectroradiomètre à résolution modérée) de la NASA à bord des satellites Terra et Aqua offrent une couverture mondiale quotidienne à une résolution spatiale modérée de 250 à 1 000 mètres. Cette période de revisualisation fréquente rend MODIS idéal pour le suivi des anomalies de température de surface de la mer et des événements de blanchiment à grande échelle. La mission Sentinel-2 de l'Agence spatiale européenne, qui fait partie du programme Copernicus, offre une résolution spatiale supérieure de 10 à 60 mètres avec une période de revisualisation de cinq jours.

Traitement et analyse des données

Les algorithmes de correction atmosphérique éliminent les effets de distorsion des aérosols, de la vapeur d'eau et de la dispersion de Rayleigh, révélant ainsi le vrai rayonnement de l'eau qui laisse de l'eau. Ce signal corrigé est ensuite utilisé pour dériver des produits de couleur océanique tels que la concentration de chlorophylle-a, la matière organique dissoute colorée (CDOM) et les solides en suspension totale (TSS). Pour les eaux peu profondes et claires typiques des récifs coralliens, des étapes de traitement supplémentaires sont nécessaires pour tenir compte de la réflectance du fond. Des algorithmes semi-analytiques et des modèles d'apprentissage machine ont été développés pour estimer la profondeur de l'eau et les types de couverture benthique cartographique à partir de l'imagerie satellitaire.

Calendriers de surveillance réguliers

Les produits de la température de la surface de la mer (SST) provenant de la base de données CoralTemp de la NOAA, qui proviennent de plusieurs capteurs satellites, sont utilisés pour émettre des alertes de blanchiment lorsque les températures dépassent les seuils locaux pendant des périodes prolongées. Les produits de la chlorophylle et de la turbidité provenant de Sentinel-2 et du MODIS aident à identifier les panaches de rivière et les ruissellements de sédiments à la suite de fortes précipitations, qui peuvent fournir des polluants et des coraux étouffeurs. Ces indicateurs dérivés des satellites sont intégrés dans les outils d'appui à la décision qui guident les mesures de gestion, comme la restriction de la pêche ou la réduction des ruissellements des terres agricoles pendant des périodes sensibles.

Indicateurs de la santé des récifs récifaux

Température de surface de la mer

Les coraux vivent dans une étroite plage de tolérance thermique, généralement entre 22°C et 28°C pour la plupart des espèces de la Grande Barrière de corail. Lorsque la température de l'eau dépasse le maximum à long terme de l'été de 1°C pendant plusieurs semaines, les coraux expulsent les algues symbiotiques (zooxanthellae) qui vivent dans leurs tissus, ce qui les fait devenir blancs dans un processus appelé blanchiment. Le blanchiment prolongé ou sévère peut entraîner la mort des coraux. Les produits SST satellites avec une résolution de 1 à 5 kilomètres et une couverture temporelle quotidienne fournissent un système d'alerte précoce pour le stress thermique. Le programme de surveillance des récifs coralliens exploité par la NOAA utilise les données SST satellitaires pour produire des cartes de degrés de chauffage (DHW) qui accumulent le stress thermique sur une période de 12 semaines. Lorsque les valeurs de DHW dépassent 4°C-semaines, un blanchiment important est probable; au-delà de 8°C-semaines, une mortalité généralisée est attendue.

Concentration de chlorophylle

La chlorophylle-a, mesurée par des capteurs de couleur océanique par satellite, est un substitut de la biomasse phytoplancton et des niveaux de nutriments dans la colonne d'eau. La chlorophylle élevée peut indiquer la pollution par les nutriments provenant des eaux de ruissellement agricoles (en particulier l'azote et le phosphore) ou des événements de revalorisation. Bien que certains nutriments soient naturels et nécessaires, la croissance excessive du phytoplancton réduit la pénétration de la lumière dans le fond marin, mettant l'accent sur les coraux qui dépendent de la photosynthèse.

Turbidité et sédimentation

La turbidité, mesurée comme la diffusion de la lumière par des particules en suspension dans l'eau, est un autre indicateur clé dérivé de la source satellitaire. La turbidité réduit la disponibilité de la lumière pour la photosynthèse, ce qui peut nuire directement aux coraux et aux herbes marines. Elle indique également le ruissellement des sédiments des rivières, qui peut enterrer les recrues coralliennes et étouffer les colonies adultes. Les capteurs satellites tels que Sentinel-2 OLI et MODIS peuvent estimer les solides en suspension totaux (TSS) et la clarté de l'eau (profondeur de Secchi) à l'aide d'algorithmes empiriques étalonnés pour les eaux côtières.

Cartographie de l'habitat benthique

Au-delà des propriétés de la colonne d'eau, les satellites peuvent aussi cartographier directement l'état du benthos récifal dans des eaux peu profondes et claires. L'imagerie multispectrale à haute résolution permet de classer les types de fond en catégories telles que le corail vivant, le corail mort, le corail blanchi, le substrat recouvert d'algues, le sable et les décombres. Ceci se fait généralement à l'aide d'algorithmes de classification supervisés formés sur des données de terrain, ou par des approches plus avancées telles que l'analyse d'images par objet (OBIA) et l'apprentissage profond. La résolution spatiale de Sentinel-2 (10 à 20 mètres) suffit pour cartographier de vastes zones d'habitat, tandis que les satellites commerciaux à résolution de sous-mètre peuvent résoudre des colonies de corail individuelles.

Impacts des changements climatiques

La crise du blanchiment

Les données du satellite SST révèlent que ces événements sont motivés par des vagues de chaleur marines qui deviennent plus longues, plus fréquentes et plus intenses. L'événement de 2016, le pire jamais enregistré à l'époque, a touché 93 % des récifs individuels dans les secteurs nord et central, le troisième nord perdant en moyenne 67 % de la couverture corallienne vivante. Les cartes de DHW obtenues par satellite ont montré des niveaux de stress thermique atteignant des niveaux sans précédent, dépassant 8°C-semaines dans de grandes zones. La récurrence du blanchiment dans un délai si court laisse peu de possibilités de récupération, car les coraux ont besoin de décennies pour retrouver leur taille et leur complexité.

Acidification des océans

Bien que moins visible de l'espace que le blanchiment, l'acidification des océans est une seconde conséquence insidieuse de l'augmentation du CO2 atmosphérique qui menace l'intégrité des récifs. L'océan absorbe l'excès de CO2, il subit des changements chimiques qui réduisent la disponibilité des ions carbonates nécessaires pour que les coraux construisent leurs squelettes de carbonate de calcium. Les observations satellitaires ne peuvent mesurer directement le pH ou la chimie du carbonate, mais elles peuvent servir de facteurs de production pour les modèles qui évaluent ces paramètres.

Stresseurs synergiques

Les données satellitaires révèlent également comment les changements climatiques interagissent avec les facteurs de stress locaux pour amplifier les impacts sur les récifs. Par exemple, la mauvaise qualité de l'eau due aux sédiments et au ruissellement des éléments nutritifs réduit la résilience des coraux au blanchiment. Lorsque la turbidité est élevée, les niveaux de lumière au fond de la mer sont plus faibles, ce qui peut compenser partiellement le stress thermique dans certains cas. Cependant, l'effet combiné de l'enrichissement en éléments nutritifs et de la température élevée est généralement plus nocif que l'un ou l'autre des facteurs de stress.

Éclosions de maladies coralliennes

Le changement climatique est également lié à une augmentation des épidémies de coraux, qui peuvent entraîner une perte et une mortalité rapides des tissus. Le syndrome des Blancs, la maladie de la bande noire et d'autres pathologies sont plus fréquents à la suite d'événements de stress thermique, et les données satellitaires peuvent aider à prédire le risque de maladie.Les anomalies de température de la surface de la mer, combinées à des produits de chlorophylle et de turbidité, sont utilisées pour établir des cartes des risques d'éclosion de maladies.

Orientations futures

Capteurs de résolution supérieure

La prochaine génération de capteurs satellites offrira des capacités encore plus grandes pour la surveillance des récifs. Les images hyperspectrales, telles que l'EMIT de la NASA (Earth Surface Mineral Dust Source Investigation) et la prochaine mission PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem), mesureront des centaines de bandes spectrales étroites, permettant une discrimination beaucoup plus fine des types benthiques et des constituants de colonne d'eau que les capteurs multispectraux actuels. Les données hyperspectrales peuvent éventuellement distinguer entre différents genres de coraux et même évaluer l'état physiologique des coraux, comme la teneur en chlorophylle du zooxanthelle. La série HY-1 chinoise et la mission allemande EnMAP font également progresser les capacités hyperspectrales pour les applications côtières et marines.

Transmission de données en temps réel

Les satellites géostationnaires, qui restent fixes sur un seul point de l'équateur, peuvent fournir des observations toutes les quelques minutes plutôt que tous les quelques jours. Bien que les capteurs géostationnaires actuels aient une résolution spatiale relativement grossière, leur fréquence temporelle élevée est idéale pour suivre des processus dynamiques tels que les panaches de rivière, le rinçage des marées et le cycle diurne de la température de l'eau. La série Himawari de satellites géostationnaires exploités par l'Agence météorologique japonaise fournit déjà des images de 10 minutes du Pacifique occidental, y compris la région de la Grande barrière de récif, à une résolution de 500 mètres à 2 kilomètres. Des algorithmes d'apprentissage automatique sont en cours de développement pour réduire ces données et les fusionner avec des images satellitaires à haute résolution en orbite polaire, créant des constellations virtuelles qui atteignent une résolution spatiale et temporelle élevée.

Intégration avec les observations in situ

Les données satellitaires ne peuvent à elles seules répondre à toutes les questions sur la santé des récifs. La vérité au sol est essentielle pour valider les produits satellitaires, étalonner les algorithmes et fournir des informations subsurface que les satellites ne peuvent pas détecter. Les planeurs sous-marins autonomes, les amarrages avec des capteurs et les programmes de science citoyenne sont de plus en plus intégrés aux efforts de surveillance par satellite. Le Système intégré d'observation marine (IMOS) en Australie exploite un réseau d'amarrages qui mesurent la température, la salinité et les courants à de multiples profondeurs, complétant les données SST satellitaires. Les enquêtes ROV et plongeurs fournissent des données de couverture benthique qui forment et valident des modèles de classification par satellite.

Science citoyenne et plateformes Cloud

La démocratisation des données satellitaires par le biais de plateformes de calcul en nuage comme Google Earth Engine, Amazon Web Services et le Service d'accès aux données et à l'information de Copernicus (DIAS) a ouvert la voie à une communauté beaucoup plus large. Les chercheurs et les non-experts peuvent désormais accéder et analyser des petaoctets d'images satellitaires sans avoir à télécharger et stocker localement des ensembles de données massives. Les initiatives scientifiques citoyennes, comme le recensement des récifs et le plongeur virtuel, tirent parti de cette infrastructure pour inciter le public à classer les images des récifs.

Modélisation prédictive et systèmes d'alerte rapide

Les modèles prédictifs qui intègrent des variables environnementales dérivées de satellites peuvent prévoir le blanchiment des risques, les épidémies de maladies et les trajectoires de récupération de mois à années à l'avance. Ces modèles utilisent des techniques statistiques et d'apprentissage automatique pour relier l'état des récifs passés (mesurés par satellite et données in situ) aux facteurs environnementaux actuels et aux projections climatiques futures. Le Bureau australien de météorologie, en collaboration avec le Programme national des sciences de l'environnement, émet des perspectives saisonnières de stress thermique basées sur des modèles océan-atmosphère couplés, fournissant un horizon d'alerte précoce pouvant atteindre trois mois.

La technologie satellitaire nous a donné une capacité sans précédent d'observer, de comprendre et d'anticiper les changements qui menacent cet écosystème emblématique. De la traçabilité des événements de blanchiment à la cartographie de la qualité de l'eau, de la documentation des impacts du changement climatique à la production de modèles prédictifs, la vision de l'espace est devenue une pierre angulaire de la science et de la gestion modernes des récifs. À mesure que les capacités satellitaires continuent de progresser et que l'intégration de la télédétection aux observations de terrain et à la science citoyenne s'approfondira, notre capacité de protéger les récifs ne fera que croître. Le défi maintenant est de traduire ces connaissances en actions efficaces, à l'échelle et à la vitesse que la crise exige.