Comment une nouvelle vague de sentinelles en orbite modifie la science du climat

La technologie avancée de télédétection par satellite permet de compiler un dossier granulaire des régions les plus difficiles à atteindre de la Terre.

Via Undark

LE 15 SEPTEMBRE 2018, à 6 h 02 précises, une fusée Delta II a décollé dans un nuage de feu et de fumée de la base aérienne de Vandenberg, sur la côte centrale de la Californie. La charge utile, un satellite d’observation de la NASA connu sous le nom de ICESat-2, mesurait à peu près la taille d’une automobile et pesait 1514 kg. À une altitude de 500 km au-dessus de la Terre, le satellite s’est découplé de la fusée et s’est mis en orbite. Après cela, ses travaux ont commencé.

Voyageant autour de la planète à 25 202 km/h, ICESat-2 a commencé à pointer un laser à six faisceaux et à spectre vert vers la surface de la Terre. Son objectif pour les trois prochaines années – et peut-être jusqu’à sept ans, si sa machinerie continue de fonctionner – serait de mesurer constamment les glaciers, les nappes glaciaires, la glace de mer, les océans et les couverts d’arbres situés bien en dessous.

Le lancement n’a pas fait beaucoup parler de lui. Au début de la mission, on parlait peu de grandes percées ou d’idées révolutionnaires. En fait, même le nom du satellite (il remplace le premier ICESat, lancé en 2003 et brûlé lors de la rentrée en 2010) pourrait donner l’impression qu’il s’agit d’une suite moins excitante que la production originale. Puisque nous savons déjà tant de choses sur la planète, et surtout comment les calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique sont menacées par le réchauffement climatique, qu’est-ce que cela pourrait nous apprendre de vraiment nouveau ?

Cependant, l’évolution peut parfois être aussi importante que la révolution. Une surprise inattendue est qu’ICESat-2 semble capable de scruter les eaux peu profondes le long du littoral nord-américain, fournissant ainsi un nouvel ensemble de données précieuses. Et après seulement un court moment en orbite, le satellite et son compagnon orbital, un autre satellite appelé Grace-Fo qui a été lancé quelques mois plus tôt, ont enrichi notre dossier d’observation de la cryosphère de la Terre, ou des régions gelées. Alors que les changements climatiques modifient la planète de façon à la fois évidente et obscure, cette nouvelle génération de satellites de télédétection compile un dossier granulaire de ce qui se passe aux latitudes les plus éloignées et les plus difficiles d’accès du monde.

« C’est vraiment la grande question qui se pose pour comprendre ce qui détermine le comportement de la calotte glaciaire – pour déterminer ce qu’elle fera à l’avenir « , a déclaré Felix Landerer, chercheur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Avec de meilleures observations, nos modèles pour les calottes glaciaires, qui ne sont pas encore aussi précis que les modèles atmosphériques, peuvent faire un grand pas en avant.

À bien des égards, c’est la bonne nouvelle de ce que nous recevons maintenant de l’espace. La mauvaise nouvelle, à mesure que les données de l’Antarctique et du Groenland s’infiltrent, c’est que les inlandsis n’ont jamais semblé aussi précaires.

AU DÉBUT DE 2018, un outil pivot d’ICESat-2 en était aux dernières étapes de construction au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, au Maryland. Un après-midi, Tom Neumann, alors scientifique adjoint du projet ICESat-2, a parcouru une courte distance de son bureau jusqu’à un bâtiment d’assemblage situé à proximité, sur le campus de Greenbelt, pour y jeter un coup d’œil. Une équipe d’ingénieurs mettait la dernière main à Atlas, le laser sophistiqué qui serait transporté par ICESat-2 comme outil d’observation essentiel. Comme l’a expliqué M. Neumann, ICESat est l’acronyme de Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite. Atlas était l’acronyme de Advanced Topographic Laser Altimeter System (système altimétrique topographique laser avancé).

Le laser Atlas fonctionne en envoyant des trillions de photons en impulsions rapides. Ces photons se déplacent sur une distance de 500km jusqu’à la surface de notre planète, où ils se dispersent et rebondissent lorsqu’ils frappent la glace, l’eau, la terre et la cime des arbres. Mais quelques uns de ces photons sont collectés lorsqu’ils rebondissent vers le satellite. Et c’est là que se trouve une mesure cruciale. En chronométrant le trajet des photons depuis l’émission de l’Atlas jusqu’à la surface de la Terre, puis de nouveau jusqu’au satellite dans l’espace, ICESat-2 peut discerner de minuscules changements d’altitude dans le monde d’en dessous. Par exemple, si la glace d’un glacier de l’Antarctique ou du Groenland devait fondre et perdre ne serait-ce que quelques centimètres d’altitude en quelques mois, ICESat-2 le remarquerait. Il en serait de même pour la glace de mer.

Les glaces de mer n’ont jamais semblé aussi précaires.

Au bâtiment Goddard, explique Neumann : ICESat-2 « envoie une impulsion de six faisceaux, simultanément, 10 000 fois par seconde. » C’est un rythme rapide, dit-il, notant que  » si vous clignez des yeux, cela prend environ une demi-seconde. En ce temps-là, Atlas aura tiré son laser 5 000 fois, parmi six faisceaux, recueillant 30 000 mesures. »

Pendant l’orbite du satellite, ces données seraient téléchargées selon un horaire régulier vers une station au sol à Svalbard, un petit groupe d’îles situé dans les régions les plus septentrionales de l’Arctique.

M. Neumann ne doutait guère que le nouveau satellite recueillerait une quantité extraordinaire d’informations sur les régions polaires de la Terre. Il lui semblait également évident qu’il s’agirait d’une amélioration significative par rapport au satellite ICESat original, qui prenait 40 mesures par seconde au lieu de 10 000.  » Nous allons faire mieux avec les calottes glaciaires, nous ferons mieux avec les glaciers de sortie, nous ferons mieux avec la glace de mer « , a déclaré M. Neumann. « Mais je suis presque sûr qu’il y aura quelque chose que nous pourrons faire avec ça et auquel nous n’avons jamais pensé auparavant. Il y a quelques semaines, quelqu’un m’a demandé si on pouvait l’utiliser pour mesurer la hauteur des pingouins. » Il y a réfléchi sérieusement. « Et j’étais comme, ouais, en fait, probablement que je pourrais. »

Mais il ne pouvait pas en être sûr. C’était encore une demi-année avant le lancement. La première mission ICESat avait finalement été entravée par un dysfonctionnement catastrophique de ses lasers. Les choses pourraient mal tourner ici aussi.

Les ensembles de données non terminées des satellites ne suscitent pas l’intérêt du grand public comme le drame d’une mission en équipage vers Mars. Mais au cours des deux dernières décennies, les satellites d’observation de la Terre ont sans doute changé notre vision de l’évolution de la planète plus que tout autre effort technologique ou scientifique.

Le premier ICESat, par exemple, a été conçu au milieu des années 1990, et son lancement en janvier 2003 a fait naître la perspective de compiler quelque chose qui n’avait jamais existé auparavant : une mesure régulière des changements de l’élévation de la glace aux deux pôles (et à proximité).

En fait, ICESat s’inscrivait dans une stratégie plus vaste. L’année précédente, la NASA avait lancé un autre satellite qui devait également permettre de compiler un enregistrement des changements dans les régions polaires. Cet autre satellite – connu sous le nom de Grace, qui signifiait  » gravity recovery and climate experiment  » – était curieux de par sa technologie et son approche. Plutôt que d’utiliser un altimètre laser pour mesurer l’élévation de la surface de la Terre, Grace utiliserait les variations de la gravité terrestre pour mesurer le mouvement de l’eau d’un endroit à l’autre. Non seulement cela serait utile pour mesurer les changements dans la cryosphère terrestre, mais cela pourrait aussi servir à détecter les diminutions des réserves d’eau souterraine dans des endroits comme le Sud-Ouest américain.

Au cours des deux dernières décennies, les satellites d’observation de la Terre ont sans doute changé notre vision de l’évolution de la planète plus que toute autre technologie ou activité scientifique de terrain.

L’idée était élégante dans sa simplicité, mais complexe dans son exécution. Grace n’était pas une machine mais une paire de modules, chacun de la taille d’une petite voiture de sport, mis en orbite à une altitude d’environ 500 km. Un module était destiné à suivre l’autre à une distance de 220 km. La clé était que chaque module utilisait un système de communication par micro-ondes d’une sensibilité fine pour garder un enregistrement précis des minuscules changements dans leur écart orbital de 220 km.

Même à des centaines de kilomètres au-dessus de la planète, ces modules étaient sensibles aux forces gravitationnelles venant d’en bas. Lorsque le module de tête s’approchait d’une partie de la Terre ayant plus de masse – et donc plus de force gravitationnelle – il était tiré vers l’avant, littéralement par une fraction de la largeur d’un cheveu humain. Mais la force de cette minuscule traction pouvait à son tour être mesurée par la liaison de communication par micro-ondes.

Ainsi, lorsque Grace passait au-dessus de l’immense calotte glaciaire du Groenland, par exemple, le module de tête réagissait aux forces gravitationnelles et avançait d’un cheveu. Au cours de milliers d’orbites, en mesurant la variation de la distance entre les deux modules – essentiellement, la variation de la force gravitationnelle au fil du temps – les scientifiques de la NASA pouvaient déterminer la quantité de glace perdue au Groenland et en Antarctique. En 2016, les données de Grace indiquaient que le Groenland perdait, en moyenne, environ 286 milliards de tonnes par an. L’Antarctique, quant à lui, perdait environ 127 milliards de tonnes. Et toute cette glace tombait dans les océans et faisait monter le niveau des mers.

Même à des centaines de km au-dessus de la planète, ces modules étaient sensibles aux forces gravitationnelles venant d’en bas.

Les satellites ne durent pas éternellement. Ils n’ont plus de carburant – généralement des réservoirs d’azote comprimé – pour faire des corrections d’orientation cruciales dans l’espace. Ou ils souffrent de problèmes techniques avec les batteries ou les équipements de communication. Ou encore, comme le satellite ICESat original, leurs systèmes de mesure cessent de fonctionner correctement et ils doivent être ramenés de leur orbite.

Grace a eu une durée de vie extraordinairement longue de 15 ans, mais il a cessé de fonctionner en octobre 2017, et a été mis hors service par la NASA. Mais à ce moment-là, la NASA avait déjà commencé à construire un système de remplacement en collaboration avec le Centre aérospatial allemand. Le satellite de remplacement a été appelé «  Grace Follow-On  » – ou plus simplement, Grace-Fo. Il était presque une réplique exacte de son prédécesseur et fut lancé dans l’espace en mai 2018.

Tout comme ICESat-2, le nouveau Grace n’était pas le genre de projet qui semblait alimenter l’imagination du public. Son but était de continuer à produire un enregistrement à long terme des changements ici sur Terre, et en particulier des changements dans les régions polaires glacées. Il était particulièrement crucial de mesurer l’Arctique, une région qui se réchauffe déjà deux fois plus vite que le reste de la planète, et de garder un œil sur l’Antarctique, où plusieurs énormes glaciers de la partie occidentale du continent – Thwaites en particulier, qui a à peu près la taille de la Floride – semblent de plus en plus instables.

Avec ICESat-2, Grace-Fo a commencé à fournir des données à la communauté scientifique peu de temps après son lancement en 2018. Et depuis lors, la deuxième génération de satellites de télédétection terrestre – dont CryoSat-2, qui est exploité par l’Agence spatiale européenne – a continué de parler, avec une précision remarquable, de ce qui arrive à la Terre dans des endroits que peu d’humains visitent.

Au milieu du mois de décembre, ICESat-2 était opérationnel depuis environ 14 mois. M. Neumann a récemment déclaré que le satellite avait jusqu’à présent pris environ 376 milliards de  » tirs  » laser, contre 2 milliards au total pour le premier ICESat. La quantité de données comprenant les nouvelles observations, en d’autres termes, a déjà éclipsé ce qui est ressorti de l’ensemble de la mission initiale. Il était également clair, a-t-il ajouté, que le laser Atlas d’ICESat-2 dépassait de loin les attentes de l’équipe scientifique.

Depuis une altitude de 220 km, le laser a pu voir en profondeur et en largeur les crevasses de la calotte glaciaire. En même temps, Atlas a pu descendre dans les bassins de fonte d’été de l’inlandsis groenlandais et en mesurer la profondeur, un type de mesure qui indiquait une nouvelle façon d’évaluer la quantité d’eau qui s’accumule sur la glace à un moment donné. Étant donné que la calotte glaciaire du Groenland a connu une saison de fonte extraordinaire l’été dernier, cette technique pourrait s’avérer extrêmement importante pour comprendre comment (et dans quelle mesure) la calotte glaciaire fond dans les mois plus chauds.

Ce qui a été particulièrement surprenant pour l’équipe de la NASA, cependant, c’est la façon dont le laser d’ICESat-2 a pu cartographier les eaux peu profondes près de diverses côtes du monde – une mesure connue sous le nom de bathymétrie. En d’autres termes, le satellite peut aider à créer une vaste carte de la profondeur des eaux côtières près du rivage.

Cela peut être crucial pour les projections d’inondation. Une nouvelle compréhension des profondeurs des eaux autour de la côte de la Caroline du Nord, par exemple, pourrait s’avérer particulièrement utile pour les modélisateurs informatiques qui tentent de prévoir les ondes de tempête aggravées par l’intensification de l’activité des ouragans et l’élévation du niveau de la mer provoquée par le retrait des glaciers de l’Antarctique et du Groenland.

En attendant, l’urgence de la situation dans l’Arctique – outre la fonte estivale du Groenland, il y a eu un retrait spectaculaire de la couverture de glace de mer flottante dans l’océan Arctique – rend l’examen du nouveau satellite d’autant plus crucial. Au cours des derniers mois, une équipe travaillant avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA a analysé les données de Grace-Fo pour voir combien de milliards de tonnes de glace ont été perdues au Groenland au total en 2019. (Selon certaines estimations préliminaires des scientifiques européens, lors d’une vague de chaleur en juillet, la calotte glaciaire du Groenland a perdu environ 11 milliards de tonnes de glace en une seule journée).

Landerer, le scientifique du projet de la mission Grace-Fo, a déclaré qu’il est convaincu que 2019 a été une fonte aussi importante que le record actuel, qui s’est produit en 2012.  » Le décompte final n’est pas encore connu « , a-t-il noté, mais il est évident pour lui, d’après les données, que la calotte glaciaire du Groenland a largement dépassé l’année de fonte moyenne, ce qui signifie que ses pertes ont probablement été égales ou supérieures à 300 milliards de tonnes.

Ce qui semble émerger d’ICESat-2 et de Grace-Fo est cependant plus que des données. Les deux missions de détection améliorées travaillent de façon complémentaire dans un but plus large. En mesurant la hauteur des calottes glaciaires polaires, par exemple, ICESat-2 est bon pour évaluer les changements de volume ; en mesurant l’attraction gravitationnelle de la glace, Grace-Fo est bon pour évaluer les changements de masse.

L’urgence de la situation dans l’Arctique rend l’examen des nouveaux satellites d’autant plus crucial.

Entre-temps, ICESat-2, avec son laser de précision, donne une résolution spatiale fine des glaciers qui s’amincissent et des régions vulnérables – une résolution bien meilleure que celle de Grace. Mais comme ICESat-2 ne surveille la même zone que tous les 91 jours, la surveillance fréquente de Grace peut aider à combler les lacunes. Mais comme ICESat-2 ne surveille la même zone que tous les 91 jours, la surveillance fréquente de Grace peut aider à combler les lacunes. Cela conduit à une  » fusion des données  » entre les deux enregistrements satellitaires. « La somme des parties ici est vraiment plus grande que les parties seules « , a déclaré Landerer.

De plus, en intégrant ces missions de télédétection à d’autres études (missions européennes, observations sur le terrain par les scientifiques sur la glace et une mission en cours de la NASA connue sous le nom de OMG, ou Oceans Melting Greenland, qui mesure les températures de la mer dans l’Arctique et la façon dont elles érodent les glaciers côtiers), les scientifiques peuvent avoir une vue d’ensemble. C’est à partir de ces trois mesures, ICESat-2, Grace-Fo et OMG, que  » nous arrivons vraiment à la question  » : Quel est le processus à l’origine de la fonte et de la perte de glace ? a déclaré Frank Webb, directeur du Bureau de recherche en sciences de la Terre et de formulation des missions du JPL.

En d’autres termes, ces outils de détection ne font pas que nous montrer ce qui se passe. Ils nous aident à voir comment cela se passe. Les observations nous montrent précisément où les glaciers du Groenland s’amincissent le plus, et si les zones instables de l’Antarctique occidental – les régions qui inquiètent le plus les experts en élévation du niveau de la mer – entrent dans une phase d’effondrement irréversible.

Bien sûr, il ne s’agit pas seulement d’une avancée significative de la science, mais de données utiles pour des millions de personnes vivant près des côtes et à quelques pieds au-dessus du niveau de la mer. Ensemble, ICESat-2 et Grace-Fo nous donneront à terme la possibilité de mieux modéliser l’avenir des régions polaires et des établissements côtiers vulnérables.

Et pourtant, ces satellites sont aussi les sentinelles d’un avenir sombre.

Dans leur veille constante, ils nous rappellent, orbite après orbite, que notre monde fond à un rythme accéléré. En démontrant notre ingéniosité technologique supérieure et en faisant pleuvoir sur nous leurs flux de données, ils démontrent également notre négligence. Nous voyons les problèmes de la planète s’étendre et s’intensifier, année après année. Et avec une vue de Dieu, nous pouvons maintenant nous tenir prêts et voir cela se produire en temps réel.

Jon Gertner est un journaliste qui écrit sur la science, la technologie et l’innovation. Il est l’auteur, plus récemment, de  » The Ice at the End of the World  » : An Epic Journey Into Greenland’s Buried Past and Earth’s Perilous Future « , et peut être joint sur Twitter à @jongertner.

Via Undark

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.