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L'observation des calottes polaires

Benoît Legrésy, Frédérique Rémy (LEGOS/CNES/CNRS/UPS, France), Patrick Vincent (CNES, France)

Le lancement du satellite ERS-1 a donné un grand élan à l'altimétrie satellitaire sur les calottes polaires. En effet, on peut maintenant cartographier 80% du continent Antarctique et la quasi-totalité du Groënland de façon précise, ce qui ne pouvait être fait auparavant (Figure 1A & B). Les données de l'altimètre bi-fréquence TOPEX ont été utilisées pour étudier les effets qui dépendent de la fréquence du radar altimètre sur les glaces continentales.

Figure 1 : Topographie des calottes glaciaires du Groënland (A) de 0 à 3200 m et de l'Antarctique (B) de 0 à 4000 m à partir des données de l'altimètre d'ERS-1. L'échelle du Groënland est 1.75 fois celle de l'Antarctique.

L'observation des calottes glaciaires par altimétrie répond à au moins trois objectifs distincts :

  • contraindre les modèles d'écoulement de glace par l'étude de leur forme,
  • suivre leur bilan de masse par topographies successives: une précision décimétrique est alors requise,
  • décrire et suivre l'évolution des caractéristiques climatologiques de la surface (type de neige, rugosité de la surface...) à partir de l'analyse des échos radar.

La hauteur altimétrique peut être biaisée sur les calottes polaires, du fait de la pénétration des ondes radar dans le manteau neigeux. L'estimation du biais induit est difficile car le nombre de paramètres contrôlant la rétrodiffusion de surface et de volume est très important. L'écho radar de la surface de la calotte dépend de la microrugosité de surface, de la rugosité kilométrique, de la stratification du manteau neigeux, de l'extinction radar dans la neige et du diagramme d'antenne. L'écho radar résultant dépend donc de la fréquence utilisée. L'altimètre bifréquence TOPEX est une opportunité pour détecter ce biais empiriquement (Rémy & al. 1996) en augmentant le nombre de données par rapport au nombre d'inconnues. TOPEX/POSEIDON ne couvre qu'une petite partie du Groënland et ne survole pas l'Antarctique, mais permet une première analyse.

La différence de hauteur mesurée entre les bandes C et Ku sur l'océan est due a l'allongement du temps de trajet des ondes radar dans l'ionosphère. Sur les calottes polaires, le même phénomène existe, mais la correction est interpolée à partir des données sur l'océan de part et d'autre de la calotte. Par des simulations théoriques, d'après des topographies réalistes, on peut montrer (Legresy 1995) que la bande C est plus sensible au phénomène de pénétration car l'extinction est moins importante (via la diffusion par les grains de neige). On peut aussi montrer que l'écho radar en bande C est très peu sensible à la pente et à la courbure de la surface aux échelles supérieures au kilomètre.
22 traces passant sur le Groënland durant le second cycle TOPEX (du 3 au 12 octobre 1992) ont été sélectionnées. Les échos radar ont été traités (retraitement par ajustement d'une fonction de type erf, voir Féménias & al. 1993), les erreurs affectant simultanément les 2 fréquences n'ont pas été corrigées.

La rétrodiffusion altimétrique dans chaque bande a été cartographié Figure 2 (A&B). Le biais moyen de 4 dB de rétrodiffusion entre les deux bandes présent aussi sur l'océan est retiré ici. On a également cartographié le paramètre de flanc de l'écho radar (Figure 2 C&D) qui indique la présence de signal de volume ou de pente (ou de dépointage) lorsqu'il est élevé ou l'aspect spéculaire de la réflexion sur le sol lorsqu'il est particulièrement bas (Legrésy & Rémy, 1996).

 

 

 

Figure 2 : Rétrodiffusion en bande C (A) et Ku (B) en dB, et Paramètre de flanc en bandes C (C) et Ku (D) en 10-4 Np/porte à partir des données de l'altimètre TOPEX.

 

 

On observe un signal géophysique cohérent. La rétrodiffusion en bande Ku est faible sur les pentes et plus forte à haute altitude. En bande C, la rétrodiffusion est très importante à l'Ouest, mais comparable à la bande Ku au centre et à l'Est. Le paramètre de flanc de l'écho radar est particulièrement faible à l'Ouest dans les deux bandes, alors qu'au centre et à l'Est du continent, les deux bandes ont des valeurs plus élevées.
Ces valeurs suggèrent la présence d'un fort signal de volume au centre et à l'Est de la calotte. Elles suggèrent également un signal de surface de type spéculaire à l'Ouest (seule une petite zone autour du point d'impact participe à l'écho radar).

En effet la bande C étant plus sensible au phénomène de pénétration, est vue plus basse au centre et à l'Est (Figure 3). A l'Ouest du continent la pente de surface est forte (supérieure à 0.7°). Cette pente est supérieure à la demi-ouverture d'antenne de la bande Ku ce qui explique la faible rétrodiffusion observée. La hauteur mesurée en bande Ku est alors sous estimée (à cause du gain d'antenne), alors qu'en bande C la mesure reste robuste.
Au niveau de l'estimation de paramètres géophysiques, la combinaison des deux bandes permet donc de mieux décrire la surface et d'estimer la profondeur de pénétration des ondes radar, liée à la stratification et à la taille des grains de neige. Cependant, les valeurs du paramètre de flanc en bande C sont toujours très inférieures à la normale (cas d'une réponse par une surface diffuse), ce qui suggère que la sensibilité de la rétrodiffusion à la rugosité doit être différente de celle en bande Ku, comme le suggèrent des études océaniques (Chapron & al., 1996).

 

 

Figure 3 : Carte de différence de hauteur mesurée en bande C et en bande Ku en m

 

 

 

Cette étude a montré que l'on pouvait détecter, au moins empiriquement, la pénétration des ondes radar dans le manteau neigeux en utilisant l'altimétrie bi-fréquence. Elle a également montré que dans les zones de topographie prononcée, l'altimétrie avec des fréquences radar plus basses est plus robuste, particulièrement dans les zones spéculaires. L'utilisation des deux bandes de fréquence est complémentaire et permet de détecter des erreurs de mesures conséquentes (à comparer avec le signal ionosphérique décimétrique). Le lancement de la plate-forme EnviSat comportant un altimètre radar bifréquence (Ku et S) avec la même couverture spatiale qu'ERS promet de grands progrès dans l'altimétrie sur les calottes polaires. Le satellite altimétrique Jason comportant un altimètre bifréquence (Ku et C), associé à EnviSat (Ku et S), devrait permettre une bonne calibration des effets dépendant de la fréquence radar.

Bibliographie

  • Chapron, B., K. Katsaros, T. Elfouhaily et D. Vandemark, A note on relationships between sea surface roughness and altimeter backscatter, Remote Sensing and Global Modelling, 869-878, 1995.
  • Féménias, P., Rémy F., Raizonville P. et J.F. Minster, Analysis of satellite altimeter height measurements above ice sheet, J. of Glaciol., 133, 591-600, 1993.
  • Legrésy, B. "Etude du retracking des formes d'onde altimétriques au-dessus des calottes polaires", rapport CNES CT/ED/TU/UD/96.188, contract n° 856/2/95/CNES/006, 1995.
  • Legrésy B. et F. Rémy, Surface characteristics of the Antarctica ice sheet and altimetric observations, à paraître dans J. of Glaciology, 1996.
  • Rémy F., B. Legrésy, S. Bleuzen,P. Vincent, et J.F. Minster, Dual-frequency TOPEX altimeter observation above Greenland. J. of Electromagnetic waves and application. vol. 10, 1505-1523, 1996b.
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