Objectifs et applications

Les agences spatiales française, américaine, canadienne et britannique (respectivement, le Cnes, la Nasa, le CSA et l'UKSA) proposent une mission spatiale : Swot, dont le lancement s'est fait en décembre 2022. Swot est la première mission capable de réunir des objectifs à la fois océanographiques et hydrologiques. Utilisant un nouveau concept technique, un altimétre interférométrique large fauchée, Swot constitue une rupture de concept majeure dans l'évolution de la technique altimétrique. Cette mission ouvre une nouvelle filière scientifique et crée une filière opérationnelle.

L'eau, un besoin vital

La Terre est recouverte d'eau à environ 71% dont une très grande proportion (97.5%) est de l'eau salée (océans, eaux souterraines et lacs salés). L'eau douce sur Terre est donc présente en quantité limitée (2.5 %). La majeure partie de cette eau douce est contenue dans les glaciers, dans les calottes polaires et dans les sols. L'infime partie restante de cette eau douce (1.2%), directement disponible et exploitable pour les besoins vitaux de toutes formes de vie, est contenue en surface, dans les fleuves, rivières et lacs.

Proportion des réservoirs d'eau douce sur Terre. Les calottes polaires, glaciers et couches de neige permanentes renferment 68.7% de l'eau douce, les eaux souterraines (30.1%), le pergélisol (terres gelées en permanence, 0.86%), les lacs (0.26%), l'humidité du sol (0.05%), l'atmosphère (0.04%), les zones humides (0.03%) et les rivières (0.006%). Source USGS.

Dédié à la mesure des eaux de surface des lacs et des rivières et à la mesure très précise de la topographie des océans, la mission Swot contribue à comprendre et caractériser le cycle de l'eau et à relever le défi du changement climatique en aidant à la gestion durable des ressources en eau.

Objectifs scientifiques

La mission SWOT a pour objectifs de mesurer des hauteurs d'eau (et leurs dérivées spatio-temporelles) des fleuves, lacs et zones inondées ainsi que la circulation mésoéchelle et sub-mésoéchelle des océans. L'altimétrie interférométrique permet de fournir une image bidimensionnelle avec une résolution horizontale de l'ordre de 5 m (le long de la trace) x 10-70 m sur terres, et 250 m x 250 m sur océan.

En océanographie

Sur les océans, l'altimétrie conventionnelle au nadir est une technique mature dotée d'une expérience longue de plus de 30 ans de mesures et d'analyse continues. Cette technique conventionnelle est capable de décrire l'océan à des échelles spatiales proches de 200 km. L'instrument principal de Swot est un radar interférométrique en bande Ka (KaRIn, voir la pages des Instruments et Technique interférométrique), capable de réaliser des mesures à la fois à haute résolution pour accéder à des échelles spatiales plus petites et sur une grande zone.

Le premier objectif "océanographique" de la mission Swot est donc de décrire la circulation océanique mésoéchelle et sub-mésoéchelle jusqu'à des résolutions spatiales de 15 km. Ces processus de circulation à de telles échelles spatiales, tels que la formation, l'évolution et la dissipation des structures tourbillonnaires (courants étroits, fronts, filaments et turbulence quasi-géostrophique) contiennent une part importante de l'énergie cinétique océanique. Ces processus jouent un rôle essentiel dans le transport vertical et horizontal des flux d'énergie (chaleur), de carbone et nutriments. Leur prise en compte dans les études climatiques constitue une avancée importante.

Plus d'information dans l'article "White Paper" (mars 2015, P.Klein, pdf) et sur la page Applications - Circulation Mésoéchelle.

Simulation de la hauteur de mer (en haut), et des courants (en bas). A gauche, le modèle comme "vérité terrain", au milieu ce que voient les altimètres au nadir (constellation en 2008-2013 de Jason-1+Jason-2, mais Jason-2 et 3 reviendraient au même), et à droite ce qui a été simulé pour Swot. Bien plus de détails sont vus par Swot, y compris sur les courants (donc, sur l'énergie cinétique). (Crédits JPL).

En fournissant des observations à haute résolution jusqu’au plus près des côtes, Swot est capable d’observer les courants côtiers et les surcôtes lors de tempêtes. Sa fauchée permet de caractériser les structures spatiales de la dynamique des processus côtiers. Plus d’information dans l’article « White Paper » sur le Côtier et les Estuaires (mars 2015, B.Laignel and N.Ayoub) et sur la page Applications > Observations côtières à hautes résolution.

La capacité nouvelle de Swot à accéder aux petites échelles spatiales de l’ordre de 15 km, permet de mieux caractériser les marées côtières et les ondes internes de marées, qui ne sont pas bien échantillonées par l’altimétrie conventionnelle. Plus d’information dans l’article « White Paper » (janvier 2015, K.Brian, pdf) et sur la page Applications > Ondes internes de marées.

Les données issues de la mission Swot sont ainsi capables de contribuer à un large champ d’applications potentielles : gestion intégrée des estuaires, prévisions météorologiques et climatiques plus précises, aide à la navigation et au sauvetage en mer, aide aux pêcheurs, assistance aux plateformes pétrolières.

En hydrologie

Bien qu'initialement développée pour l'étude des surfaces océaniques, l'altimétrie satellitaire a rapidement vu son champ d'application élargi à la surveillance du niveau des grands plans d'eau continentaux tels que les grands lacs américains ou les mers fermées. Progressivement, la maîtrise croissante de la technique altimétrique, avec l'application de traitements et de corrections spécifiques au milieu continental, a permis le suivi d'objets de taille plus réduite, et d'améliorer la qualité des mesures. Une autre limitation provient de la technique de radar altimétrique elle-même. L'altimètre fournit une mesure exactement au nadir du satellite, c'est-à-dire sur une surface restreinte le long de la trace du satellite, ce qui limite l'échantillonnage spatial et empêche toute surveillance globale et systématique des eaux continentales. Les altimètres au nadir ne survolent pas tous les lacs sur Terre et manquent ainsi ~60% de ces surface. La mesure des variations des stocks globaux contenus dans les lacs est donc sous-échantillonée.

Grâce à la technique interférométrique, Swot sera capable de fournir des données (aussi) sur les milieux continentaux, à une résolution capable d’identifier et mesurer précisément presque tous les milieux en eau tels que des petits lacs ou réservoirs (surface de 250 m x 250 m avec un objectif de 100 m x 100 m), des rivières (largeur de 100 m avec un objectif de 50 m) mais aussi les zones humides, les canaux…Ainsi, Swot est capable de mesurer 65% des variations des stocks globaux contenus dans les lacs.

(Haut): Vue schématique des mesures Swot sur les rivières.
(Bas): extrait vidéo illustrant ce type de mesures en hydrologie. La vidéo intégrale est disponible en téléchargeant le fichier .mp4 ici. Crédits Cnes, Mira Productions, 2015.

Les principaux objectifs de Swot, en hydrologie, sont de caractériser selon une couverture globale, les variations spatio-temporelles des eaux de surface, en terme de variations des stocks d’eaux de surface et d’estimation des variations globales des débits des rivières.

Ces observations hydrologiques sont primordiales pour améliorer notre connaissance de la dynamique globale des eaux continentales et leur interaction avec les zones côtières au niveau des estuaires. Cette capacité nouvelle permet de suivre l'évolution de l'approvisionnement en eau douce dans le contexte du changement climatique, notamment dans les régions où les observations sont rares.

Les mesures Swot se révèlent précieuses pour une foule d'applications hydrologiques: la gestion du partage des eaux (internationale, interrégionale), meilleure modélisation des inondations, gestion des stocks d'eau douce pour la consommation urbaine, industrielle et agricole, gestion de la production hydroélectrique, prévention de la propagation des épidémies, aide à la navigation fluviale.