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Jason-1 sur les traces de Topex/Poséidon

Y. Ménard (Cnes, France), L. Fu (Nasa/JPL, USA)

Les résultats exceptionnels de la mission Topex/Poséidon (T/P) [voir la Newsletter Aviso n°6, Fu et al, 1996] ont rapidement convaincu la communauté scientifique de la nécessité de prévoir sa succession. Les missions d’altimétrie radar haute précision sont en effet particulièrement bien adaptées à l'observation globale des courants océaniques, permettant ainsi de mieux comprendre leurs variations sur le court et le long terme et leur influence sur le climat.

Peu après le lancement de T/P en août 1992, et suite à l'analyse détaillée des performances du système, le groupe scientifique de la mission a vivement recommandé de maintenir un tel système sur le long terme. Début 1993, le CNES et la NASA ont commencé à travailler sur un nouveau projet commun : un satellite baptisé Jason-1. L'objectif principal de ce programme est de continuer à mesurer la topographie de la surface de la mer dans les mêmes conditions et avec une précision au moins égale à celle de T/P. Les performances incroyables du satellite T/P sont avant tout le fruit des efforts d'optimisation du système : les instruments, le satellite, les paramètres de l'orbite ont tous été spécialement étudiés pour répondre aux objectifs de la mission. Jason-1 s'inscrit dans le même esprit et se fonde sur l'expérience acquise avec T/P même si la taille du satellite a été réduite afin de minimiser les coûts. Des applications s'appuyant sur la mise à disposition des données en temps très peu différé font également partie de la liste des objectifs principaux de la mission. Jason-1 participera ainsi au travers de grands programmes internationaux à la préparation et à la mise en place des futurs systèmes opérationnels d'observation et de prévision des océans.

Les objectifs scientifiques

Ils découlent principalement des retours d'expériences de la mission T/P [Aviso Newsletter n°6, 1998, Fu et al, 1996] et ont été définis avec le concours du groupe scientifique T/P :

La circulation océanique  moyenne

T/P a contribué de manière significative à la description des principales caractéristiques des courants marins, leur position, leur intensité, leur transport, ainsi que leur interaction avec les mouvements transitoires. Caractériser les courants moyens à partir des mesures altimétriques est indispensable pour mieux comprendre la physique des phénomènes en jeu et les modéliser, et pour affiner l'état initial de l'Océan. Toutefois, la connaissance précise de l'Océan "moyen" est limitée actuellement par le manque d'informations disponibles sur les courtes longueurs d'onde du niveau de référence utilisé, i.e. le géoïde marin. Le lancement prochain de satellites dédiés à l'étude du champ de gravité terrestre (CHAMP en 2000, GRACE en 2001, puis GOCE en 2003) permettra de résoudre en grande partie ces problèmes. Les données qui en découleront, combinées aux mesures altimétriques, amélioreront alors grandement les résultats obtenus sur la circulation océanique moyenne, permettant d'initialiser au mieux les modèles océaniques.

La variabilité intrasaisonnière à interannuelle

Cette variabilité océanique a un effet considérable sur les changements climatiques. Les signaux correspondants, s'étendant généralement sur plusieurs centaines de kilomètres, étaient relativement difficiles à détecter dans les premières données altimétriques, car masquées par des erreurs d'orbite importantes. La mission T/P a marqué un tournant essentiel dans l'observation de ce type de variabilité du fait d'une précision accrue des mesures et d'une réduction considérable des erreurs sur le calcul d'orbite obtenue en particulier grâce au système Doris. De plus, le cycle orbital (10 jours), a été choisi afin d'offrir un échantillonnage spatio-temporel adapté. Jason-1 sera d'ailleurs placé exactement sur la même orbite. La variabilité intrasaisonnière (10 à 100 jours) de quelques centimètres qui affecte le niveau de la mer, est principalement due à des oscillations qui sont cohérentes sur des milliers de kilomètres et qui sont la réponse directe du forçage des vents à haute fréquence. D'autres oscillations, sur des périodes dépassant 100 jours, sont dues à la propagation des ondes de Rossby dans les bassins océaniques. Leur vitesse de propagation telle qu'elle a été mesurée à partir des observations de T/P, a abouti à une révision de la théorie alors en vigueur sur ces ondes. Des variations intrasaisonnières importantes ont aussi été détectées près des courants de bord ouest (Kuroshio, Gulf Stream).

Figure 1 : Variations de hauteur de mer observées entre février et octobre 1997 sur l'Atlantique Nord. Ces variations sont dues aux refroidissements et réchauffements successifs de l'eau pendant l'hiver et l'été (source Cnes)

A l'échelle de la saison, le cycle annuel est le résultat d'interactions complexes entre océan et atmosphère (variations du rayonnement solaire, du flux de chaleur, du forçage des vents...). Les observations de T/P ont permis de mieux caractériser ce cycle saisonnier et sa dépendance géographique, ce qui est essentiel pour l'évaluation et l'ajustement au premier ordre des modèles océaniques et climatiques. L'amplitude du signal saisonnier peut atteindre jusqu'à 15 cm en certains endroits mais elle peut varier significativement d'une année sur l'autre en raison de changements interannuels. Les épisodes du phénomène "El Niño", dont celui particulièrement marqué de 97-98, dans le Pacifique tropical, sont des exemples extrêmes de ces anomalies interannuelles. Ils correspondent à de fortes interactions entre l'océan et l'atmosphère. D'autres événements interannuels ont été détectés par T/P (notamment dans l'Atlantique en 1995), alors que des signaux s'étalant sur de plus longues périodes (5 ans et plus) commencent à être observables. Le mélange de ces différents modes de variabilité rend complexe et difficile leur compréhension. Pourtant, la modélisation et la prédiction de ces phénomènes sont des facteurs essentiels d'amélioration des prévisions climatiques. L'intégration des données altimétriques, ainsi que d'autres types de données, dans les modèles couplés océan-atmosphère jouera un rôle de tout premier plan dans ce domaine. Ceci met en évidence le besoin de disposer de longues séries temporelles altimétriques présentant les mêmes caractéristiques que les données de T/P et une qualité au moins égale.

Figure 2 : Moyennes annuelles des anomalies de hauteur de mer (en mm) pour 1995-98 réalisées à partir des données Topex/Poséidon, par rapport à une moyenne sur la période 1993-96. Les anomalies en 1999 sont basées sur les données de janvier à mai (source JPL)

Variabilité mésoéchelle et côtière

Le signal dit mésoéchelle, est caractérisé par des échelles spatiales s'étendant typiquement sur 30 à 300 km et des échelles temporelles de 1 à 3 mois. Il est associé aux variations de flux à courte période et aux déplacements des courants océaniques, et à la formation et à la propagation de tourbillons océaniques très énergétiques. Ces tourbillons, qui jouent un rôle capital dans le transport de chaleur des basses vers les hautes latitudes, sont générés par les instabilités du flux moyen et/ou des interactions avec la topographie sous-marine. On les retrouve partout, mais ils sont particulièrement nombreux au voisinage des courants intenses, comme le Gulf Stream, le Kuroshio ou le courant circumpolaire antarctique. La répartition de cette énergie mésoéchelle a été mise en évidence par les cartes de variabilité globale, qui ont été parmi les premiers résultats issus de l'altimétrie. La variabilité maximale peut atteindre 40 cm (à proximité des courants forts), alors qu'une variabilité minimale inférieure à 3 cm reste significative dans les régions plus calmes. Seules des données d'une qualité de la classe T/P permettent de détecter et de suivre d'aussi faibles signaux.

Les zones côtières représentent 8 % de la surface des océans. L'industrie de la pêche et les plates-formes "offshore" sont essentiellement concentrées dans ce secteur. Il s'agit d'un domaine fragile et complexe soumis à de multiples influences, comme l'accumulation de matières organiques et d'eau douce charriées par les cours d'eau, l'action de la glace à des latitudes élevées, les marées côtières, et les interactions entre les courants côtiers et les courants de haute mer. Les données altimétriques sont particulièrement utiles pour résoudre la variabilité mésoéchelle et côtière du domaine littoral. Il est cependant nécessaire de disposer d'un échantillonnage suffisamment dense en combinant, de manière optimale, différents ensembles de données altimétriques, comme les données T/P et ERS-2 actuelles ou les futures données Jason-1 et Envisat.

L'évolution du niveau moyen de la mer

Le niveau moyen de la mer est un indicateur significatif du réchauffement de la planète. En effet, lorsque la température s'élève, les océans occupent un volume plus important, sous l'effet de la dilatation thermique. Un réchauffement d'un degré sur une profondeur de 100 m suffit pour faire remonter le niveau de la mer de quelques centimètres. Autre cause importante de la montée du niveau de la mer : la fonte des glaces, due au réchauffement des températures. L'élévation du niveau de la mer, si elle se prolongeait pendant cent ans, aurait d'énormes conséquences socio-économiques et écologiques. Les données fournies par T/P (cf. figure 3 de l'article de J. Dorandeu et al. dans ce numéro), grâce à une exceptionnelle cohérence spatio-temporelle, ont permis de confirmer la tendance qui avait été détectée préalablement par les marégraphes (élévation d'environ 15 cm au cours des cent dernières années). Toutefois, ce signal ne représente que 1 à 2 mm par an, ce qui exige une vigilance extrême dans l'interprétation des résultats T/P, tant il est difficile de détecter un signal aussi faible. C'est pourtant un des objectifs de la mission Jason-1. Il faut pour cela contrôler au millimètre près les éventuelles dérives des composantes du système altimétrique (altimètre, radiomètre, orbite, système de référence...). Pour réduire l'erreur sur l'estimation de l'évolution du niveau de la mer, il importe aussi de disposer d'observations altimétriques sur plusieurs décennies  et d'établir une connexion précise entre les séries temporelles successives recueillies par satellite.

Les marées

Grâce aux données T/P, plusieurs modèles de marées océaniques d'une précision exceptionnelle (2 à 3 cm rms) ont été élaborés pour les principales composantes diurnes et semi-diurnes. La correction des données altimétriques de l'effet des marées s'en est ainsi trouvé considérablement améliorée. La meilleure appréhension des marées (par l'analyse directe des données T/P ou en les intégrant dans des modèles hydrodynamiques) résulte de l'excellente qualité des données T/P. Elle s'explique également par l'échantillonnage spatio-temporel, i.e. le phasage de l'orbite T/P, optimisé pour distinguer au mieux les différentes composantes des marées. L'accumulation des observations au-delà de la mission T/P permettra de résoudre les longues périodes des marées océaniques ainsi que les composantes masquées par un aliasing défavorable (comme K1, proche de la période semi-annuelle). Dans les régions côtières, la combinaison des données Jason-1 et Envisat sera particulièrement bénéfique pour résoudre les signaux à faible extension des marées.

L'état de la mer

L'altimètre fournit également une estimation de la hauteur significative des vagues et de la vitesse du vent qui sont d'un grand intérêt scientifique et opérationnel en météorologie marine. D'un point de vue climatologique, les nombreuses mesures altimétriques acquises dans des régions où les observations conventionnelles sont particulièrement rares, permettent de mieux caractériser ces paramètres d'état de mer, en précisant entre autres les échelles spatio-temporelles et leurs variations intrasaisonnières à interannuelles. D'autres thèmes de recherche portent sur la propagation de la houle, les interactions entre l'état de la mer et les courants, etc. Ces études sont indispensables pour améliorer les modèles météorologiques et donc la fiabilité des prévisions qui en découlent. L'ajustement de ces modèles par les mesures altimétriques disponibles en temps très peu différé est une autre source d'amélioration des prévisions. Plusieurs centres météorologiques utilisent déjà les mesures altimétriques en entrée de leurs modèles opérationnels et bénéficieront donc de l'apport des données vent-vagues Jason-1 disponibles en temps très peu différé (moins de 5 heures).

Autres applications en géodésie, géophysique, glaciologie et hydrologie

La mesure altimétrique du niveau de la mer représente au premier ordre le signal du géoïde marin, effet de la gravité terrestre sur l'océan, dont l'amplitude est 10 à 100 fois supérieure à celle de la topographie dynamique des océans. Après un filtrage adéquat des signaux océaniques variables, des cartes très détaillées du géoïde marin ont été obtenues en utilisant notamment les données altimétriques haute densité Geosat et ERS. Les données T/P, malgré un échantillonnage spatial moins approprié, ont généralement servi de données de référence pour recaler les autres données satellitaires. Les géophysiciens ont ainsi accès à une multitude d'informations sur les ondulations tectoniques à courtes longueurs d'ondes (10 à 500 km) présentes dans ces surfaces moyennes altimétriques. Ils ont également accès à d'autres informations pertinentes, en traitant de manière adéquate les données de trajectographie. En effet, les orbites T/P, de même que la position des stations de poursuite au sol, sont déterminées avec une grande précision par les systèmes Doris, GPS et laser. Ces observations ont une incidence très bénéfique sur la qualité du système de référence et des paramètres dérivés, comme la rotation de la Terre, la mesure des déplacements verticaux des stations, le rebond glaciaire ainsi que les effets de charge atmosphériques ou océaniques. La détermination de ces mouvements avec une précision de l'ordre du millimètre est essentielle pour les différencier de l'élévation du niveau moyen de la mer, tel qu'on peut le mesurer grâce à l'altimétrie ou aux marégraphes. D'autres résultats relatifs à l'études des glaces, des mers fermées, des lacs, du débit des grands fleuves et de la topographie des déserts ont été obtenus à partir des données T/P bien que la conception technique et la géométrie orbitale de la mission soient mal adaptées à de telles applications. Ces investigations demandent généralement le retraitement des mesures brutes altimétriques, du fait de caractéristiques de réflexion différentes par rapport aux océans. Pour mener à bien toutes ces études, l'accès à des données de positionnement et de distance d'une grande précision, de la classe T/P et Jason-1, et  leur combinaison avec d'autres données satellitaires (ERS et Envisat), présentant un meilleur échantillonnage spatial, sont des atouts essentiels.

 

 

 

 

 

 

Figure 3 : Vue d'artiste de Jason-1 en orbite

 

Performances et données

La mission Jason-1 a été définie de façon à assurer la continuité de la mission scientifique T/P et à satisfaire les exigences d'observations sur le long terme. Le satellite, qui devrait être lancé fin 2000, est conçu pour une durée de vie minimale de 3 ans, avec un objectif affiché de 5 ans. Tous les 10 jours, il survolera à 1 km près les traces de référence au sol de T/P, mesurant le niveau de la mer avec une précision au moins égale à T/P, comme indiqué dans le tableau 1. Les exigences sur la précision des données géophysiques GDR (Geophysical Data Record) sont dérivées du bilan d'erreur des GDR T/P. Le satellite, l'altimètre bifréquence, le radiomètre à trois fréquences, et les systèmes Doris et GPS de détermination précise d'orbite, ont été conçus pour répondre à ces exigences. La hauteur du niveau de la mer sera ainsi fournie dans les GDR avec une précision globale de 4,2 cm rms (1 s, pour une mesure moyennée sur 1 seconde). Cette précision tient compte du niveau de bruit de l'altimètre, des incertitudes sur les corrections atmosphériques (ionosphère et troposphère) et sur les corrections d'état de la mer et de l'erreur d'orbite. La précision des données géophysiques préliminaires IGDR (Interim GDR) est la même que pour les GDR, sauf pour l'orbite, qui n'est pas entièrement validée dans les IGDR. En plus de ces exigences, des objectifs de performance plus ambitieux ont été fixés. L'amélioration potentielle des algorithmes de traitement devrait ainsi vraisemblablement ramener l'erreur à 2,5 cm rms pour la hauteur du niveau de la mer moyennée sur 1 seconde. Quant à la dérive du système (après étalonnage), elle ne devra pas excéder 1 mm/an, afin de répondre aux exigences de suivi de l'évolution du niveau moyen de la mer.

Les données GDR constitueront le produit final entièrement validé. Elles seront systématiquement fournies aux utilisateurs sous 30 jours et seront archivées. Elles contiendront, au rythme d'un enregistrement par seconde, la mesure de distance, la date et la localisation, les corrections instrumentales et environnementales associées et l'altitude orbitale du satellite. Tous ces paramètres seront vérifiés et validés durant la phase de vérification de la mission, soit les huit premiers mois suivant le lancement. Les données GDR, structurées comme pour la mission T/P, contiendront également la hauteur des vagues et la vitesse du vent. Le biais et la dérive de l'altimètre, et le biais relatif entre les séries temporelles T/P et Jason-1 seront indiqués. Pour des applications spécifiques (au-dessus des zones côtières, des lacs, de la terre ou de la glace), les données brutes SGDR (Sensor Geophysical Data Records) seront mises à la disposition des utilisateurs.

 

 

OSDR

3 heures

IGDR

3 jours

GDR

30 jours

OBJECTIFS

Bruit de l'altimètre

2,5 (a)(c)(d)

1,7 (b)(c)(d)

1,7 (b)(c)(d)

1,5 (b)(c)(d)

Ionosphère

 

0,5 (e)(d)

0,5 (e)(d)

0,5 (e)(d)

Biais électroma­gnétique

2 (f)

2 (f)

2 (f)

1

Biais de l'estimateur

2

1 (g)

1 (g)

0,2 (g)

 

Skewness

2

 1 (g)

1 (g)

0,.2 (g)

 

Troposphère sèche

 

0,7

0,7

0,7

Troposphère humide

1,2

1,2

1,2

1

 

 

 

 

 

Distance altimétrique RSS

 

3,3

3,3

2,25

Orbite RMS

(composante radiale)

Spec: 30 (h)

 

< 4

2,5

1

 

 

 

 

 

Hauteur de mer,

RSS

 

5

4,2

2,5

Hauteur de vagues

10% ou 0,5m (i)

10% ou 0.5 m (i)

10% ou 0,5 m (i)

5% ou 0,25 m (i)

Vitesse du vent

2 m/s

1,7 m/s

1,7 m/s

1,5 m/s

sigma0 absolu

0,7 dB

0,7 dB

0,7 dB

0,5 dB

 

Tableau 1 : Spécifications de la précision des mesures pour la mission Jason-1 (en centimètres sur 1 seconde)
(pour 2 mètres de hauteur significative des vagues, et 11 dB de sigma0)
(a) mesures en band C et Ku combinées, (b) Bande Ku après retraitement sol, (c) moyenné sur 1 s, (d) pour une bande C de largeur 320 MHz, (e) filtré sur 100 km, (f) peut aussi être exprimé comme 1% de H1/3, (g) après retraitement sol,  (h) éphémérides Doris temps réel, (i) la plus grande de ces 2 valeurs

Les IGDR et les produits temps réel OSDR (Operational Sensor Data Records) sont destinés à des activités nécessitant un accès rapide aux données. C'est notamment le cas pour les applications mésoéchelle, côtières et en météorologie marine dont les clients potentiels sont, entre autres, issus de l'industrie de la pêche, de l'offshore, de la navigation commerciale et de la défense. La prédiction climatique, comme par exemple celle de phénomènes de type El Niño, est de première importance, car de tels événements ont des incidences profondes sur le climat terrestre et donc sur les activités socio-économiques des régions touchées. L'exigence majeure pour une utilisation opérationnelle des données altimétriques est la rapidité de livraison des données. Les données IGDR seront livrées dans les 3 jours, ce qui est plus particulièrement adapté aux applications mésoéchelle et climatiques. Les produits OSDR, livrés dans les 3 heures, seront principalement destinés aux applications de météorologie marine. Ils contiendront, à un rythme d'un enregistrement par seconde, tous les paramètres nécessaires à de telles applications, en particulier la hauteur des vagues, la vitesse du vent et l'orbite temps réel Diode, tous ces paramètres étant calculés à bord du satellite. La précision des données OSDR, bien que moins bonne que celle des IGDR (tableau 1), satisfait pleinement les besoins exprimés.

Conclusion

Suite au succès de la mission Topex/Poséidon, Jason-1 continuera d'apporter une contribution essentielle aux activités de recherches nécessaires à une meilleure compréhension de la circulation océanique et de son influence sur le climat. Mais Jason-1, qui sera un élément majeur des programmes Mercator, Godae et Goos dédiés à l'observation et à la modélisation des océans à l'échelle globale, marquera aussi le début d'une nouvelle ère dans l'océanographie opérationnelle. La continuité de telles missions après 2004 est largement plébiscitée par la communauté des utilisateurs. La suite Jason-2 de la mission Jason-1 a déjà été proposée et devrait être décidée dans les prochains mois, afin de poursuivre l'indispensable observation altimétrique des océans depuis l'espace.

Références :

  • Aviso Newsletter n°6, 1998
  • Fu, L.L., C.J. Koblinsky, J.F. Minster, J. Picaut, 1996: Reflecting on the first three years of Topex/Poseidon, EOS Trans.77 (12), 109.
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