Aperçu de la surveillance des glaces depuis l'espace

Les scientifiques s'appuient sur la technologie des satellites pour suivre les changements dans le volume, la masse et le débit des nappes glaciaires avec une précision sans précédent. Contrairement aux relevés au sol, les satellites peuvent couvrir à plusieurs reprises des régions polaires vastes, éloignées et souvent dangereuses, fournissant des données cohérentes qui sont essentielles pour les modèles climatiques et les projections du niveau de la mer.

La surveillance des calottes glaciaires satellitaires modernes a commencé dans les années 1990 avec des altimètres radar à bord de missions comme ERS-1 et ERS-2. Aujourd'hui, un éventail de satellites d'agences spatiales, dont la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA), et des organisations spatiales nationales, travaillent de concert.

Instruments de base pour les satellites et leurs rôles

Altimètres radar

Les altimètres radar envoient des impulsions micro-ondes vers la surface de la Terre et mesurent le temps nécessaire pour que l'écho revienne. Ce temps de vol est converti en une distance, donnant la hauteur de la nappe glaciaire au-dessus d'un ellipsoïde de référence. Les altimètres radars excellent à pénétrer la couverture nuageuse et peuvent fonctionner pendant la nuit polaire, ce qui les rend inestimables pour la surveillance tout au long de l'année.

CryoSat-2, lancé en 2010, porte un altimétrique radar interférométrique synthétique (SIRAL) particulièrement sensible aux changements aux marges des calottes glaciaires et sur des terrains abrupts. Sa capacité à cartographier les changements d'altitude dans l'ensemble des calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique a révélé une éclaircie accélérée dans les glaciers côtiers.

Altimètres laser

Les altimètres laser, aussi appelés lidar, utilisent des impulsions courtes de lumière laser pour mesurer l'altitude. Parce que les faisceaux laser sont plus étroits et ont une empreinte plus petite que les impulsions radar, ils peuvent résoudre des caractéristiques à grande échelle comme les crevasses, les bassins de fonte et les courants de glace individuels. ICESat-2 (Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2), lancé en 2018, utilise un altimètre laser de comptage de photons qui tire 10 000 impulsions par seconde. Chaque impulsion renvoie un train de photons individuels, permettant aux scientifiques de construire des profils 3D de la surface de glace avec une précision de centimètre.

Les altimètres laser sont plus sensibles au couvert nuageux et nécessitent un ciel clair, mais les données qu'ils fournissent sont essentielles pour valider les mesures radar et détecter les changements subtils dans la rugosité des plaques de glace. La combinaison de radar et d'altimétrie laser a grandement amélioré les estimations de la variation de masse des plaques de glace, avec la haute résolution ICESat-2-.

Satellites gravimétriques

Les satellites gravimétriques détectent des variations dans le champ gravitationnel de la Terre causées par des changements de distribution de masse. Comme une nappe glaciaire perd de sa masse, l'attraction gravitationnelle locale diminue légèrement. La mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), lancée en 2002, et son successeur GRACE-FO (2018), consiste en deux satellites volant en formation, mesurant les changements de distance entre eux avec précision micrométrique. Ces variations de distance minutes révèlent des cartes mensuelles d'anomalies gravitationnelles, qui sont converties en changements de masse totale de glace.

Les données GRACE ont été révolutionnaires. Elles permettent de mesurer directement la perte de masse de la calotte glaciaire intégrée sur l'ensemble de la calotte glaciaire, et non seulement aux points d'élévation de surface. Par exemple, GRACE a montré que la calotte glaciaire de l'Antarctique a perdu environ 118 milliards de tonnes de glace par an de 2002 à 2016, avec l'accélération du rythme. GRACE-FO poursuit ce dossier, assurant la continuité de la surveillance du climat.

Capteurs optiques et thermiques

Des capteurs optiques sur des satellites tels que Landsat 8/9, Sentinel-2 et MODIS (sur Terra et Aqua) capturent des images visibles et infrarouges de nappes de glace. Ces images révèlent des caractéristiques de surface comme des étangs de fonte, des fractures et la migration des marges de la nappe de glace.

MODIS, par exemple, fournit une couverture globale quotidienne à une résolution de 250 à 1000 m, permettant une surveillance continue de la date de début de la fonte, de l'étendue de la fonte estivale et du regel de la neige. Des capteurs à haute résolution comme Landsat (30 m) et Sentinel-2 (10 à 20 m) peuvent suivre les terminis et les crevasses des glaciers. Ensemble, ces ensembles de données forment un record à long terme datant des années 1970, permettant aux scientifiques d'observer les tendances du comportement des nappes glaciaires au cours des décennies.

Principales techniques de collecte et d'analyse des données

Radar d'ouverture synthétique interférométrique (InSAR)

En comparant deux ou plusieurs images radars de la même zone prises à des moments différents, les scientifiques peuvent produire des interférogrammes montrant des différences de phase causées par les mouvements de surface. Ces différences de phase sont converties en cartes de déplacement avec précision sous-centimètre. L'InSAR a révélé que de nombreux glaciers de sortie au Groenland et en Antarctique accélèrent la livraison de glace à l'océan.

Les scientifiques utilisent l'InSAR pour calculer les champs de vitesse de glace, qui sont ensuite introduits dans les modèles de flux de glace. La technique détecte également les changements dans les lignes de mise à la terre – le point où un glacier quitte le lit et commence à flotter. La mise à la terre des lignes de retrait est un indicateur clé de l'instabilité des plaques de glace marines. L'InSAR a montré que de nombreuses lignes de mise à la terre en Antarctique occidental ont reculé à des vitesses de centaines de mètres par an.

Trac répété et altimétrie croisée

Les altimètres peuvent mesurer les changements d'altitude au fil du temps en comparant les données provenant de passages répétés sur le même emplacement. Pour les altimètres radar, la technique corrige la pente et la rugosité de surface à l'aide d'un modèle DEM (modèle d'altitude numérique). Les altimètres laser peuvent être plus précis en raison de leur empreinte plus petite.

L'analyse à répétition de CryoSat-2 et de l'ICESat-2 a montré que certaines zones de la calotte glaciaire du Groenland s'éclaircissent à des vitesses remarquables. Par exemple, le glacier Jakobshavn Isbræ a éclairci de plus de 150 mètres dans certaines sections depuis les années 1990. Ces mesures ponctuelles sont ensuite interpolées au moyen de méthodes statistiques pour créer des cartes de changement d'altitude sur l'ensemble de la calotte glaciaire.

Inversion gravimétrique

Les scientifiques appliquent des filtres pour réduire le bruit des marées océaniques, la pression atmosphérique et l'ajustement isostatique glaciaire (GIA) – le rebond lent de la croûte terrestre après le dernier âge glaciaire. La correction de l'IAG est critique : au Groenland, le soulèvement de la croûte peut imiter la perte de masse de glace si elle n'est pas prise en compte. Après filtrage, le signal de gravité résiduel est inversé pour donner des variations de masse en gigatonnes par mois.

L'approche gravimétrique fournit une estimation directe du bilan massique sans devoir supposer la densité de glace ou la rugosité de surface. Cependant, comme le GRACE a une résolution grossière, les signaux provenant des zones voisines (p. ex., les changements de masse océanique) peuvent contaminer le signal du bilan magifère. Pour y remédier, les scientifiques utilisent des masques ou des modèles avancés.

L'apprentissage automatique et la fusion des données

La surveillance moderne des calottes glaciaires utilise de plus en plus des algorithmes d'apprentissage automatique pour traiter les énormes volumes de données satellitaires. Des méthodes comme les forêts aléatoires, les réseaux neuronaux convolutionnels et l'apprentissage profond sont utilisées pour classifier automatiquement les caractéristiques de surface (p. ex., identifier les étangs de fonte ou les crevasses), combler les lacunes de données et améliorer l'interpolation.

Par exemple, le projet de comparaison interlaboratoires (IMBIE) des bilans de glace réunit des groupes de recherche du monde entier pour combiner leurs estimations en utilisant un cadre statistique rigoureux. L'approche d'ensemble de l'IMBIE a permis d'évaluer la confiance élevée des deux calottes de glace, ce qui montre que les deux calottes de glace perdent maintenant de la masse à des vitesses accélérées.

Avantages de la surveillance par satellite sur le terrain

Couverture spatiale non parallèle

Les satellites peuvent observer l'ensemble des calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique en quelques jours ou quelques semaines, alors que les relevés au sol sont limités aux petites zones visitées peu souvent en raison de contraintes logistiques.Les régions polaires ont peu de stations météorologiques permanentes et sont difficiles d'accès, surtout en hiver.

Visites fréquentes et cohérentes

Les satellites en orbite polaire revoient la même zone à intervalles réguliers. CryoSat-2 revisite tous les 369 jours (avec un sous-cycle de 30 jours), Sentinel-1 répète 6 à 12 jours, et MODIS assure une couverture quotidienne. Cette fréquence temporelle élevée permet aux scientifiques de saisir les variations saisonnières – comme la saison de fonte estivale – et de détecter des changements soudains comme les surtensions glaciaires ou les effondrements de la plate-forme de glace.

Haute précision et dossiers à long terme

Les altimètres modernes peuvent mesurer des changements d'altitude de quelques centimètres seulement. ICESat-2 , le système ATLAS (Single Photon Counting Geoscience Laser Altiter System) permet de mesurer des changements de masse équivalant à 1 cm d'eau sur une superficie de 300 km. Ces niveaux de précision sont suffisants pour mesurer les changements relativement petits mais cumulatifs de la masse des plaques de glace. De plus, le record satellite s'étend maintenant sur plus de 30 ans (de ERS-1 en 1991 à aujourd'hui), ce qui fournit un record de données climatiques inestimable pour l'analyse des tendances et la validation des modèles climatiques.

Surveillance en continu

Les altimètres radar et les radars à ouverture synthétique peuvent pénétrer les nuages et fonctionner indépendamment de la lumière du soleil, donnant des données fiables même pendant l'hiver polaire. Les altimètres laser nécessitent un ciel clair mais peuvent être exploités à la demande. La constellation Sentinel-1 assure que les données radar sont recueillies tous les 6 jours, indépendamment du temps ou de l'obscurité. Cette capacité de tous les temps, jour et nuit est essentielle pour surveiller les processus dynamiques tels que les événements de mise bas, qui peuvent se produire à tout moment.

Défis et limites de la surveillance des glaces par satellite

Questions d'étalonnage orbital et instrumental

Les instruments satellites doivent être soigneusement étalonnés et validés en fonction de la vérité au sol. Les drifts dans l'électronique, les erreurs d'horloge et la désintégration de l'orbite peuvent introduire des erreurs systématiques. Pour les altimètres radar, la pénétration du signal dans la neige et la sapin peut causer des biais parce que l'impulsion radar peut refléter des couches souterraines plutôt que la surface réelle.

Lacunes spatiales et temporelles

Même avec plusieurs satellites, des écarts subsistent. Les orbites polaires convergent aux pôles, mais il y a un petit trou au pôle exact (généralement à moins d'un degré) qui n'est pas couvert par chaque passage. Plus critique, l'espacement entre les pistes terrestres altimétriques peut être de dizaines de kilomètres à l'équateur; tandis que plus dense aux latitudes élevées, les régions à pentes raides (comme les marges de la calotte glaciaire du Groenland) peuvent encore être sous-échantillonnés.

Ajustement isostatique glaciaire et autres corrections

L'une des plus grandes incertitudes dans les estimations du bilan massique gravimétrique est la correction de l'ajustement isostatique glaciaire (GIA). La croûte terrestre continue de s'élever en réponse à l'enlèvement de la glace du dernier maximum glaciaire, et ce mouvement vertical contribue au signal de gravité. Les modèles GIA dépendent des hypothèses sur la viscosité du manteau et l'historique de la glace, qui sont peu limitées en Antarctique.

Volume de données et complexité du traitement

Le traitement de ces données en produits d'élévation utiles nécessite un calcul puissant et des algorithmes sophistiqués. Les données brutes doivent être nettoyées du bruit, des effets atmosphériques et de la contamination par le soleil. De même, le traitement InSAR nécessite un déballage minutieux des phases pour extraire des signaux de déformation significatifs.

Orientations futures de la surveillance des glaces par satellite

Missions prévues et missions proposées

Plusieurs missions à venir amélioreront encore les capacités de surveillance des calottes glaciaires. NASA's NISAR (NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar), qui sera lancé en 2024, fournira un radar à bande L capable de pénétrer encore plus profondément dans la glace que les systèmes actuels de bande C. Cela améliorera les mesures InSAR sur les calottes glaciaires et aidera à cartographier la déformation de la glace 3D. Le concept de mission d'altimétrie des calottes glaciaires polaires (PISAM), actuellement à l'étude, vise à déployer une constellation de petits satellites optimisés pour l'altimétrie à haute latitude avec une couverture mondiale quotidienne.

Intégration avec les données in situ

Les données satellitaires sont les plus puissantes lorsqu'elles sont combinées avec des mesures au sol. L'exercice international de comparaison interlaboratoires des bilans de masse des bilans de glace (IMBIE) continue d'intégrer les données satellitaires aux relevés laser aéroportés, aux stations GPS et aux mesures des sondages.

Apprentissage automatique et IA pour la surveillance en temps quasi réel

Les réseaux neuronaux peuvent être formés pour détecter automatiquement les événements de mise bas, la fonte de surface et les crevasses, ce qui réduit le décalage entre l'acquisition et l'analyse des données. Par exemple, le traitement des algorithmes d'IA Sentinel-1 peut maintenant détecter le mise bas de l'iceberg en quelques heures.

Vers une approche globale du système terrestre

Au lieu de traiter les nappes glaciaires de façon isolée, les scientifiques combinent les données satellitaires sur les nappes glaciaires avec les observations des courants océaniques, de la circulation atmosphérique et du pergélisol. Des missions comme le satellite de surface et de topographie océanique (SWOT), lancé en 2022, peuvent mesurer la hauteur des surfaces océaniques et lacustres; elles aideront à améliorer les modèles d'interaction entre les eaux chaudes de l'océan et les cavités de la plate-forme glaciaire.

Conclusion

La technologie satellitaire a transformé notre capacité de surveiller les changements de la nappe glaciaire, fournissant des données essentielles pour comprendre les changements climatiques et prédire l'élévation du niveau de la mer. Les altimètres radar et laser, les satellites gravimétriques et les capteurs optiques apportent chacun des indications uniques, des changements d'altitude à la perte de masse et à la dynamique de surface. Les techniques telles que l'inversion inSAR, l'altimètre à répétition et l'inversion gravimétrique permettent aux scientifiques de dresser un tableau complet du comportement de la nappe glaciaire.

Pour plus de détails, voir NASAs Ice Sheet Vital Signs, la page de mission de l'ESA CryoSat à ESA CryoSat[, et le projet IMBIE à IMBIE[. Des informations supplémentaires sur GRACE-FO peuvent être trouvées à NASA GRACE-FO et sur ICESat-2 à NASA ICESat-2.