Introduction : Le rôle critique des satellites dans la science du niveau de la mer

Depuis le début des années 1990, la technologie des satellites a fourni un record sans précédent et cohérent à l'échelle mondiale de la façon dont les océans évoluent. Avant l'ère des satellites, les mesures du niveau de la mer reposaient sur un réseau épars de marégraphes côtiers, qui offraient une couverture géographique limitée et étaient soumises à des mouvements terrestres verticaux locaux. L'avènement de l'altimétrie des satellites a révolutionné le terrain en fournissant des données continues et de haute précision sur toute la surface de l'océan, révélant des tendances qui étaient auparavant impossibles à détecter.

Aujourd'hui, une flotte de missions satellitaires, dont la série Jason, Sentinel-6 Michael Freilich, et l'Agence spatiale européenne, CryoSat, forment l'épine dorsale de la surveillance opérationnelle du niveau de la mer.Ces satellites mesurent la distance entre l'engin spatial et la surface de la mer, à l'aide de impulsions radar ou laser, jusqu'à une précision de quelques centimètres.En combinant des mesures de missions multiples et en corrigeant les retards atmosphériques, les erreurs orbitales et les biais d'instruments, les scientifiques produisent un dossier multidécadale sans faille qui montre un taux accéléré de hausse moyenne du niveau de la mer à l'échelle mondiale.

Mesure des niveaux de la mer par la technologie satellitaire

Altimétrie radar : la technique primaire

La méthode principale pour mesurer le niveau de la mer depuis l'espace est l'altimétrie radar du satellite. Un satellite transporte un altimètre radar qui transmet de courtes impulsions de rayonnement micro-ondes vers la surface de l'océan. L'instrument mesure le temps nécessaire pour que chaque impulsion rebondisse de l'océan et revienne au satellite. Comme la vitesse de la lumière dans un vide est connue, le temps de trajet aller-retour peut être converti en distance, la distance entre le satellite et la surface de la mer.

L'orbite précise du satellite est déterminée à l'aide de récepteurs GPS, de la gamme laser satellite et de l'orbitographie Doppler. En soustrayant la portée mesurée de l'altitude connue du satellite (la distance entre le satellite et un ellipsoïde de référence), les scientifiques obtiennent la hauteur de la surface de la mer par rapport à cet ellipsoïde. Plus de centaines de milliers de mesures par seconde, ce qui fournit un profil de haute résolution de la hauteur de la surface de la mer le long de la piste terrestre du satellite.

Altimétrie laser: une vue complémentaire

Alors que les altimètres radar sont les chevaux de bataille de l'altimétrie océanique, les altimètres laser (lidar) sont également utilisés, en particulier sur les régions couvertes de glace.La mission IESSat-2 de la NASA, lancée en 2018, utilise un altimétrique laser de comptage de photons qui mesure la hauteur des pistes de glace marine et de l'eau libre avec une précision de centimètre. Bien que le lidar soit plus sensible aux nuages et aux aérosols que le radar, sa résolution spatiale plus élevée le rend utile pour étudier les zones côtières, les marges de la banquise et les caractéristiques océaniques à petite échelle.

Missions satellites importantes et leurs contributions

Le record du niveau de la mer moderne a commencé avec la mission TOPEX/Poseidon (1992-2006), un effort conjoint de la NASA et de l'agence spatiale française CNES. Cette mission a défini la norme de précision et de stabilité en altimétrie radar. Elle a été suivie par la série Jason (Jason-1, Jason-2, Jason-3), chacune fournissant la continuité et des améliorations progressives de précision de mesure. La mission de référence actuelle est Sentinel-6 Michael Freilich (2020–présent), un projet collaboratif entre la NASA, la NOAA, l'ESA, EUMETSAT et le CNES. Ses capacités avancées Poseidon-4 altimétrique et de détermination de l'orbite atteignent une précision moyenne mondiale du niveau de la mer supérieure à 1 millimètre par an.

En plus de ces altimètres dédiés, l'Agence spatiale européenne CryoSat-2 (2010–aujourd'hui) possède un altimètre radar interférométrique synthétique (SIRAL) qui excelle dans la mesure du franc-bord de glace de mer et du niveau de la mer côtière. De même, la mission NASA/CNES SWOT (Surface Water and Ocean Topography, lancée 2022) fournit une interférométrie radar à bande Ka qui résout les mésosphériques océaniques et la dynamique côtière à une résolution spatiale sans précédent. SWOT transforme notre compréhension de la façon dont les caractéristiques océaniques à petite échelle contribuent à la variabilité du niveau de la mer et au transfert d'énergie.

Avantages de la surveillance par satellite du niveau de la mer

Couverture mondiale et homogénéité spatiale

Les mesures de la marée sont concentrées le long des côtes développées et sont presque absentes de l'océan austral, de l'Arctique et de nombreuses nations insulaires. Les satellites comblent ces lacunes, fournissant une image véritablement globale du changement du niveau de la mer. De plus, les données satellitaires sont uniformes sur le plan spatial; il n'y a pas de discontinuité aux frontières nationales, et les mesures sont effectuées à l'aide des mêmes instruments et des mêmes normes d'étalonnage à travers la planète.

Haute précision et stabilité à long terme

Les altimètres radar modernes mesurent la distance jusqu'à la surface de la mer avec une précision d'environ 2 à 3 centimètres pour les mesures individuelles. Lorsqu'on calcule la moyenne dans le temps et dans l'espace, on peut déterminer la tendance à long terme du niveau moyen de la mer à l'échelle mondiale avec une incertitude inférieure à 0,3 millimètres par année. Ce niveau de précision a révélé que le niveau moyen de la mer à l'échelle mondiale a augmenté à un rythme moyen d'environ 3,3 millimètres par année entre 1993 et 2023 et que le taux s'est accéléré à environ 4,5 millimètres par année au cours de la dernière décennie.

Résolution temporelle et couverture de la variabilité intra-saisonnelle

Les satellites répétés tous les 10 jours (ou moins pour les constellations) permettent aux scientifiques de capter les cycles saisonniers, les variations interannuelles de phénomènes comme l'oscillation du Niño-Sud (ENSO) et l'oscillation du Décadal du Pacifique (OOP) et les effets du forçage atmosphérique à grande échelle. Par exemple, le Niño 2015–2016 a causé une chute temporaire du niveau de la mer mondiale d'environ 5 à 10 millimètres à mesure que l'eau passait de l'océan à la terre.

Applications des données sur le niveau de la mer: de la science aux politiques

Recherche et attribution climatiques

Les données de l'altimétrie, ainsi que les profils de température et de salinité océaniques des flotteurs Argo et les mesures de gravité des missions GRACE et GRACE-FO, permettent aux scientifiques de séparer les deux principaux facteurs : l'expansion thermique (élévation stérile) et l'addition de masse de la glace de fonte terrestre (élévation eustatique).Au cours des trois dernières décennies, l'expansion thermique a représenté environ 40 à 50 % de l'élévation moyenne mondiale du niveau de la mer, tandis que la fonte des glaciers et des calottes de glace, en particulier du Groenland et de l'Antarctique, a contribué à accroître la part de ces facteurs.

Planification côtière et adaptation

Pour les collectivités côtières, les tendances du niveau de la mer par satellite sont utilisées pour mettre à jour les cartes des risques d'inondation, concevoir des défenses côtières et établir des normes d'élévation du sol pour les nouvelles constructions. De nombreuses villes, de Miami à Jakarta, se penchent sur des projections régionales du niveau de la mer qui combinent les tendances des satellites avec les taux de subsidence locale du GPS et de l'InSAR. Le dossier satellite aide également à identifier les régions qui connaissent une hausse plus rapide que la moyenne, comme la côte Est des États-Unis et certaines régions de l'Asie du Sud-Est, où la dynamique des océans et le naufrage des terres amplifient la tendance mondiale.

Préparation aux catastrophes et alerte rapide

Les données sur le niveau de la mer améliorent la prédiction des inondations côtières pendant les tempêtes. L'altimétrie satellitaire, combinée aux données sur les marégraphes et aux modèles de ondes de tempête, améliore le niveau vertical utilisé pour la cartographie des inondations. De plus, les observations par satellite des anomalies du niveau de la mer, telles que les bassins d'eau chaude qui précèdent El Niño, permettent aux prévisionnistes d'anticiper des mois à l'avance les niveaux élevés des eaux côtières.

Assurance, infrastructure et gestion des ressources

De même, les ports et les ports utilisent des produits de surface de la mer par satellite pour optimiser les horaires de dragage et assurer la sécurité des profondeurs de navigation. Les exploitants d'énergie extracôtiers – tant pétroliers que gaziers et les parcs éoliens renouvelables – dépendent de l'information précise sur le niveau de la mer pour la conception des plates-formes, la gestion des élévateurs et la planification de l'entretien.

Défis et limites de l'altimétrie par satellite

Malgré ses nombreuses forces, l'altimétrie satellitaire a des limites qu'il faut comprendre lors de l'interprétation des données. L'un des principaux défis est la mesure du niveau de la mer très près de la côte. Les altimètres radar traditionnels souffrent de contamination par la terre dans leur large empreinte (habituellement de 5 à 10 kilomètres).Les côtes sont des zones d'intérêt humain élevé, mais le record altimétrique est souvent dégradé.

Une autre limite est la correction des retards atmosphériques, en particulier la correction de la troposphère humide, qui dépend des modèles de vapeur d'eau. Les erreurs dans ces corrections peuvent introduire des tendances fallacieuses au fil du temps. De plus, la stabilité de l'orbite satellite sur des décennies nécessite des manœuvres de suivi et d'étalonnage extrêmement précises. Toute dérive dans la détermination de l'orbite ou le gain d'instrument peut se masquerrer comme une tendance au niveau de la mer.

Enfin, l'altimétrie par satellite mesure la hauteur de la surface de la mer par rapport à un ellipsoïde de référence, non par rapport à la surface terrestre locale. Pour évaluer l'impact réel sur les côtes – le niveau relatif de la mer – il faut combiner le niveau absolu de la mer dérivée par satellite avec le mouvement vertical de la terre à partir du GPS ou des levés géodésiques.

Orientations futures et technologies de prochaine génération

La série Sentinel-6 Next Generation est prévue pour assurer la continuité jusqu'aux années 2030. En attendant, l'altimétrie à haute résolution de SWOT est déjà révélatrice de la dynamique à fine échelle des tourbillons océaniques, qui sont censés jouer un rôle clé dans le mélange des océans et le transport de chaleur – processus qui influencent le niveau de la mer à l'échelle régionale. La mission GRACE-II prévue par la NASA (lançant vers 2028) poursuivra la mesure du champ de gravité de la Terre, ce qui entraînera une contrainte directe sur la perte de masse de glace et les changements dans le stockage de l'eau terrestre qui contribuent au niveau de la mer.

Par exemple, le programme NASA/CNES - -Surface Topographie et Ocean Circulation - explore des concepts pour un essaim de microsatellites qui pourraient fournir quotidiennement des cartes mondiales de la hauteur de surface de la mer. Les initiatives du secteur privé, comme celles de Planet et Spire Global, développent également des charges utiles commerciales altimétriques. Si elles peuvent atteindre la précision et la stabilité requises, elles pourraient compléter les missions internationales de référence et combler les lacunes dans la couverture résultant du vieillissement des engins spatiaux.

De plus, les progrès de l'apprentissage automatique et de l'assimilation des données améliorent la façon dont les données altimétriques satellitaires sont intégrées aux modèles océaniques. Les réseaux neuraux peuvent maintenant combler les données manquantes causées par les lacunes de la couverture nuageuse (pour les failles lidar) ou des limbes, produisant des champs de niveau maritime continus et à haute résolution. Ces produits sont particulièrement précieux pour des applications opérationnelles comme le suivi des débris marins et la recherche et sauvetage maritimes.

Conclusion : Les satellites comme des sentinelles de la transformation des mers

La technologie satellitaire a transformé notre compréhension du changement du niveau de la mer, qui est passé de quelques instantanés côtiers à un système d'observation continue et mondial. Le record de trois décennies plus de missions altimétriques a documenté une augmentation accélérée, fourni la base de données pour attribuer cette augmentation au changement climatique causé par l'homme, et informé les efforts d'adaptation dans le monde entier.

Le partenariat international qui sous-tend des missions comme TOPEX/Poseidon, Jason et Sentinel-6 est un modèle d'observation collaborative de la Terre. Le maintien de cet héritage nécessite des investissements continus dans l'infrastructure satellitaire, les politiques de données ouvertes et les activités d'étalonnage/validation.

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