3 Juin 2015

Un peu de vulgarisation : l'altimétrie

Présentation détaillée du fonctionnement de l'altimétrie

Comment ça marche... l'altimétrie ?

Crédits : NOAA
Crédits : NOAA

L’observation des océans a certainement débuté avec le premier navire à prendre le large. D’abord par soucis d’efficacité en matière de commerce. Puis, l’exploration amenant autant de questions que de réponses, l’étude des océans est devenue une discipline scientifique.

A la base de l'océanographie moderne, les données obtenues in situ pendant des siècles ont notamment permis de se rendre compte de la complexité des phénomènes océaniques, et servi à inventer de nouveaux instruments de mesures.

Les outils spatiaux en font partie. De nombreux instruments ont été embarqués à bord des satellites, mais ce sont surtout les missions altimétriques qui ont révolutionné la vision des océans.
Basé sur une technique de mesure d'altitude, le satellite altimétrique récolte aujourd'hui plus de données sur la circulation océanique en 10 jours qu'il n'en avait été emmagasiné pendant plusieurs siècles par bateaux.

Plus de données et plus de précision : aussi paradoxal que cela puisse sembler, un altimètre détecte un creux de quelques centimètres à l'échelle d'un océan...

Le saviez-vous ?

La Terre est bien mal nommée… Quelques chiffres sur les océans :
  • Surface totale : 360 millions de km2, soit 71 % de la planète (700 fois la surface de la France)
  • Masse totale : 1,4 milliards de milliards de tonnes, soit 300 fois la masse de l'atmosphère
  • Profondeur moyenne : 3 800 m (11 000 m au maximum, alors que l'Everest n'atteint pas 9 000 m)
  • Températures : de - 4°C (régions polaires) à +30°C (régions tropicales)
  • Age : 4,5 milliards d'années
  • Vitesse d’écoulement des courants : 1 mm/s à 1 m/s

 Une histoire de courants

Dès l’Antiquité, les marins étudient les courants afin d’optimiser leurs routes.

Plus tard, en 1777, Benjamin Franklin trace les limites du Gulf Stream à partir de mesures de températures, et recommande de le suivre pour réduire la durée du voyage entre New-York et Londres.


Dès 1777, le Gulf Stream a été cartographié pour faciliter la traversée de l'Atlantique. Crédits : NOAA

En 1849, Matthew Maury publie les premières cartes mondiales des vents et des courants à partir de données recueillies par bateaux. L'exploration des océans à vocation purement scientifique commence réellement en 1872, lorsque l'expédition Challenger arpente les océans pendant 42 mois et collecte des données de la surface jusqu'au fond.

A partir des années 1970, les outils spatiaux s'imposent et révolutionnent les moyens d'étude de la planète. Proposée la première fois en 1965 lors d'un colloque à Athènes, la technique d'altimétrie spatiale est mise en œuvre sur les satellites américains GEOS 3 (1975), SEASAT (1978) et GEOSAT (1985). La première grande mission altimétrique est le satellite franco-américain TOPEX/POSEIDON (1992), suivi de JASON-1 (2001) et ENVISAT (2002).

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Les différentes missions altimétriques. Crédits : AVISO

Les progrès sont sans commune mesure : désormais, les scientifiques étudient la planète dans un contexte global. La Terre est considérée comme un système unique combinant différents éléments en constante interaction : les terres émergées, les océans, l’atmosphère et la biosphère.

Autre révolution : le suivi en temps réel d’un même phénomène, avec la possibilité d’observer un même point avec une fréquence régulière de quelques jours.

Le saviez-vous ?

Les courants tempèrent l’Europe
Le Gulf Stream est un courant chaud qui circule des Caraïbes à l’Europe. Sa température oscille entre 18°C et 28°C, et son débit peut atteindre 100 fois celui de tous les fleuves du monde réunis. Il adoucit l’air en Europe : sans lui, les hivers de l’ouest européen seraient aussi froids qu’au Québec !

L'altimétrie en théorie

Installé sur un satellite à défilement en orbite basse, de façon à pouvoir repasser régulièrement au-dessus d’un même point, l’altimètre est un appareil radar : il émet un signal à très haute fréquence (typiquement 2 000 impulsions par seconde) à la verticale du satellite, qui voyage jusqu’à rencontrer un obstacle. L’antenne de l’altimètre reçoit en retour « l’écho radar » réfléchi.

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Principe général de l'altimétrie. L'altimètre émet un signal et l'antenne reçoit en retour l'écho radar. Crédits : CNES, ill D.Ducros

Le temps écoulé entre l’émission du signal et la réception de l’écho permet, par calcul, d’obtenir la distance entre l’obstacle (dans notre cas l’océan) et le satellite : elle est obtenue par simple multiplication du temps par la vitesse de la lumière, à laquelle se propagent les ondes électromagnétiques (voir encadré).

Quelques formules Formule générale de la vitesse :

v = d/t
d est la distance (en km) et t le temps de parcours (en s).
Donc :
d = v.t
Dans notre cas, la vitesse v est égale à la vitesse de la lumière
c = 300 000 km/s

L’observation des océans se heurte à un obstacle majeur : les ondes radio ne pénètrent pas en profondeur, les mesures se limitent donc à la surface. La hauteur des mers par rapport à la Terre doit ensuite être estimée d’après une surface de référence terrestre choisie arbitrairement.

En pratique, cette mesure théorique doit, pour atteindre le niveau de précision souhaité, subir des corrections qui tiennent compte des perturbations du satellite sur son orbite et de celles des ondes lors du passage dans l’atmosphère.

Principales missions altimétriques actuelles

Satellites                Origine                  Altitude                Répétitivité exacte     Ecart des traces au sol entre 2 passages                  
ERS-1 (1991), ERS-2 (1995), ENVISAT (2002)Europe800 km35 jours80 km
TOPEX/POSEIDON (1992), JASON-1 (2001)France/Etats-Unis1 330 km10 jours315 km
GFO (1998)Etats-Unis880 km17 jours

Le choix de l’orbite d’un satellite altimétrique est un compromis : en effet, plus la période est courte, et donc la répétitivité importante, moins la zone couverte est large.

De l'altitude à la hauteur

Puisque l’altimètre ne fournit que la distance entre le satellite et la surface de la mer – qu’on appellera R, il est nécessaire de calculer la hauteur des océans par rapport au référentiel terrestre.

Pour cela, il faut d'abord définir une surface de référence, choisie arbitrairement. Les informations sur le fond des océans n'étant pas connues partout avec précision, on se réfère à une surface régulière et immatérielle, approchant la forme élémentaire de la Terre, c'est-à-dire une sphère aplatie aux 2 pôles : l'ellipsoïde de référence. Les données peuvent ainsi être étalonnées de façon précise et homogène.

L'altitude du satellite par rapport à l'ellipsoïde de référence – qu'on appellera S - est calculée avec une précision de 3 cm, à partir des paramètres orbitaux du satellite et des instruments de localisation.

Le niveau des océans ou hauteur des mers correspond ainsi à la différence entre l'altitude du satellite par rapport à l'ellipsoïde de référence et celle de la surface de la mer, autrement dit S-R.

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Principe de l'altimétrie, le satellite envoie une onde radar et mesure le temps de retour de l'écho. Crédits : CNES.

Le principe de l'altimétrie. Le niveau des océans correspond à la différence entre l’altitude du satellite par rapport à l’ellipsoïde de référence (S) et celle de la surface de la mer (R), autrement dit S-R. Crédits : CNES

Cette hauteur résulte du niveau supposé de la mer en l’absence de toute perturbation, le géoïde, et de la circulation océanique plus ou moins variable, appelée topographie dynamique, conséquence de la rotation terrestre, des vents et des marées.


Le géoïde correspond à la forme qu’adopterait la surface de la mer en l’absence de toute perturbation (marées, vents, courants etc). C'est une surface très irrégulière et bosselée qui reflète les variations de gravité. La topographie dynamique (TD), de l'ordre de 1 m, correspond à l'écart entre cette surface et la surface réelle de la mer. Conception : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

Le saviez-vous ?

Une mer d’huile ?
La surface des océans est très agitée. Le responsable ? Le Soleil ! L’axe de rotation du globe étant incliné, notre astre ne dispense pas la même quantité de chaleur partout. Pour homogénéiser les écarts, une circulation naturelle s’établit entre atmosphère et océans par le biais des courants marins et des vents.

Les corrections, gages de précision

Les ondes radio émises et reçues traversent un milieu qui n’est pas vide : lors du passage dans l’atmosphère, certains éléments peuvent ralentir la propagation et fausser les mesures.

C’est le cas des électrons, très abondants vers 400 km d’altitude, de l’air sec de l’atmosphère et de la vapeur d’eau, qui peuvent provoquer des erreurs allant de quelques centimètres à plus de 2 m.

Compte tenu de l'extrême précision recherchée, les éléments perturbateurs doivent être identifiés afin de déduire les corrections à apporter. Des instruments sont spécifiquement étudiés et embarqués pour mesurer ces paramètres physiques. Au final, la distance entre le satellite et l'océan est estimée avec une précision de 2 cm.

Par ailleurs, l'objectif est d'obtenir des mesures précises du niveau des mers par rapport au référentiel terrestre, donc indépendantes du satellite. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément sa position sur son orbite.

C'est le rôle des appareils d'orbitographie embarqués, qui s'appuient par exemple sur un réseau de balises au sol et des modèles de trajectoire. Couplés avec des instruments de localisation de type GPS, ils permettent de déduire très précisément la position du satellite par rapport à la Terre : altitude, longitude, latitude et orientation.

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Les instruments destinés à corriger les mesures altimétriques sur le satellite JASON-1. Crédits : CNES

Les instruments destinés à corriger les mesures altimétriques sur le satellite JASON-1. Crédits : CNES

Une mine d'informations


Topographie dynamique des océans vue par l'altimétrie. Crédits : CNES

L’altimétrie spatiale permet, à partir de mesures de surface, d’obtenir des informations de plusieurs natures :

Des informations sur les propriétés des océans :

Le satellite fournit des renseignements en tout point de la surface océanique, mais ces mesures renferment une mine d’informations sur toute la colonne d’eau, entre la surface et le fond : vitesse et direction des courants, hauteur des vagues, force du vent.

Ces données sont utilisées en océanographie pour cartographier les courants, étudier les saisons océaniques, mieux connaître les marées, surveiller le niveau moyen des mers et détecter certaines anomalies comme .

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Le système MERCATOR, en place depuis 2001, produit chaque semaine une analyse en 3D et une prévision à 15 jours de l'état de l'océan, sous la forme de cartes de courants, de topographie dynamique, de salinité et de température.

Le géoïde. Crédits : CNES

L'altimétrie fournit également des informations sur le fond :

La topographie de la surface des océans reproduit, en l’atténuant, le relief des fonds sous-marins. Une bosse en surface peut provenir d’un volcan ou d’une montagne. L’excès de matière engendre ainsi un surplus de gravité, qui retient une couche d’eau plus importante à cet endroit.

Indirectement, l’altimétrie permet donc d’obtenir une image du géoïde et s’applique également à la géophysique et à la géodésie, étudiant les propriétés physiques de la Terre solide.


Voir aussi

Approfondir