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Histoire de l'altimétrie

Depuis longtemps, on s'interroge sur le fonctionnement des océans. L'apparition des techniques spatiales d'observation de la Terre et de son environnement a permis aux scientifiques de poser les problèmes dans un cadre global. De nombreux instruments ont été embarqués pour mesurer la température, la couleur ou la diffusion à la surface de l'eau. Mais ce sont les missions altimétriques qui ont révolutionné la vision des océans.
Observer globalement pour mieux comprendre les phénomènes océaniques est une réalité : le rôle de l'océan dans l'évolution du climat passé et à venir est désormais affirmé et démontré. Et demain, grâce à la poursuite des efforts déjà engagés pour l'accès aux données altimétriques en temps quasi-réel et pour l'amélioration des techniques, les progrès de l'océanographie opérationnelle se rapprocheront des côtes ...

De l'Antiquité à l'ère spatiale

Ce sont les anciens marins de commerce qui les premiers ont mesuré la vitesse et le parcours des courants marins, en particulier en Mer Rouge et en Méditerranée, afin d'optimiser leurs routes. Puis les Vikings ont traversé l'Atlantique nord vers l'an mille, mais c'est au début de la renaissance que les expéditions portugaises, espagnoles, anglaises et françaises ont entrepris l'exploration systématique des mers et révélé ainsi les dimensions de notre planète océane.

Pour réduire la durée du voyage New York - Londres, Benjamin Franklin établit la première carte des courants dans l'Atlantique. En 1777, il traça les limites du Gulf Stream en mesurant la température de l'eau et recommanda aux capitaines qui transportaient le courrier entre l'Amérique et l'Europe de chercher à suivre ce courant pour gagner du temps.

En 1849, Matthew Maury publiait les premières cartes mondiales des vents et des courants à partir de données recueillies par les bateaux. L'année 1872 vit la première campagne purement consacrée à l'océanographie scientifique: pendant 42 mois, l'expédition Challenger arpenta systématiquement les océans et collecta depuis la surface jusqu'au fond des données de bathymétrie (mesures par sondage des profondeurs marines), des données de température et de courant. Ces données constituèrent les fondations de l'océanographie moderne.

L'ère spatiale de la géodésie : des débuts prometteurs par mesures laser et Doppler

Station laser terrestre.

À l'échelle planétaire, en 1957, la Terre est une planète mal connue. La création de l'Année Géophysique Internationale (1957-1958) (AGI) en 1957-1958 viendra combler cette lacune. Son objectif était de mesurer des paramètres significatifs (comme la dissymétrie des hémisphères terrestres) afin d'avoir une première vision globale de certains phénomènes essentiels.

1957 est aussi l'année du 1er satellite artificiel dont nous venons de fêter les 50 ans. Au-delà des stratégies politiques qu'avait suscitées son lancement, Spoutnik montra une nouvelle voie d'exploration : l'espace.

Une première phase exploratoire débute dans les années 60 lorsque des satellites géodésiques mesurent la première orbite calculée à partir de mesures de distance par télémétrie laser. Ce calcul des paramètres de trajectoire d'orbite seront bientôt doublés avec l'utilisation de l'effet Doppler.

L'avènement de l'altimétrie satellitaire

Très rapidement, la faisabilité d'une nouvelle discipline comme l'océanographie spatiale par instrumentation radar est abordée au congrès de Williamstown en 1969. L'altimétrie spatiale est donc initialement conçue pour mesurer le niveau des océans par la combinaison d'une technique radar (permettant de mesurer la distance du satellite à une surface réfléchissante) et d'une technique de positionnement (permettant la localisation très précise du satellite sur son orbite).

S'ensuivront l'époque des premières mesures altimétriques pour déterminer la topographie de la surface océanique. Les Etats-Unis sont les premiers à avoir fait voler un altimètre à bord de satellites, sur Skylab et Geos3, puis sur Seasat en 1978, le premier satellite dont les résultats seront réellement exploitables, et Geosat en 1985. L'Esa concrétise le lancement de  ERS-1 en 1991 : successivement transposé sur 3 orbites différentes, il regroupe plusieurs instruments dont un radar altimètre.

En 1981, l'altimètre Poséidon est soumis au Cnes avec une proposition d'embarquement sur le satellite Spot-1. À la Nasa, dans le même temps, on souhaite continuer le succès de Seasat, en proposant Topex (Topography Experiment). Aucune des deux agences n'ayant cependant les budgets pour ce genre de projet. Dès 1983, un rapprochement des deux projets est à l'étude.

En 1987, le Cnes et la Nasa s'associent officiellement pour un projet commun embarquant des instruments français et américains, sur une plateforme américaine, lancé par une fusée européenne : Topex/Poséidon est né.

L'observation globale des océans est un de ses atouts : un cycle de mesures de 10 jours de Topex/Poséidon fournit plus de détails que cent ans d'observations in-situ en mer. La qualité croissante des données (grâce au retraitement des mesures),  la continuité et l'homogénéité des données  sur plus de 13 années, la collaboration scientifique, technique et humaine entre équipes, tout cet ensemble a contribué à façonner le succès de cette mission.

Modèle océanique Soprane dans l'Atlantique nord-est : l'assimilation des données, à chaque passage du satellite Topex/Poséidon, améliore le modèle. Cliquer sur l'image pour voir l'animation(19.3Mo). Crédits SHOM/CLS.

 

 

 

Combinaison de satellites

Une combinaison de plusieurs satellites (ici Topex/Poséidon et ERS) permet une meilleure observation de tourbillons dans le Gulf Stream.

Pendant la durée de la mission de Topex/Poséidon, de nouvelles missions altimétriques sont lancées : ERS-2 (1995), GFO (1998), Jason-1 (2001) et Envisat (2002).

L'association de plusieurs satellites en orbite permet des mesures de haute précision et de faire taire le compromis : résolution spatiale versus résolution temporelle. De ce point de vue, l'association Topex/Poséidon-ERS et Jason-Envisat est exemplaire.

Ces missions s'intègrent à un grand nombre de programmes océaniques et météorologiques internationaux dont les programmes Woce et Toga (Tropical Ocean and Global Atmosphere), tous les deux liés au programme de recherche mondial sur le climat, WCRP.

C'est déjà demain avec l'océanographie opérationnelle

La mise en place de chaînes de traitement de plus en plus rapides a permis la livraison de données altimétriques en temps quasi-réel. Leur assimilation dans des modèles, en association avec d'autres sources de données (in-situ, température de l'eau, salinité...) a permis de mettre en œuvre l'altimétrie opérationnelle. Mercator Océan a ainsi délivré son premier bulletin de prévision océanique le 17 janvier 2001.

Au terme de plus de 15 années de progrès en altimétrie, il apparaît nécessaire de poursuivre et toujours confirmer les efforts engagés pour garantir une résolution spatiale suffisante pour l'observation à méso-échelle et les applications opérationnelles. Ainsi, L'existence d'au moins deux satellites fonctionnant simultanément est requise pour l'observation à méso-échelle tandis que pour l'opérationnel, trois, voire mieux, quatre satellites en même temps sont requis.

L'histoire continue : des résultats nouveaux sont obtenus chaque jour, les thèmes abordés se diversifient, comme, par exemple en hydrologie concernant le suivi des variations de niveau de lacs, de rivières ou de zones humides ou en glaciologie où l'altimétrie apporte sa contribution pour la détermination d'épaisseur de glace de mer ou les périodes de gel/dégel...

Plus d'information :

  • Missions : Passage en revue des missions depuis Geosat jusqu'aux futures missions altimétriques.
  • Historique et mise à jour des modifications des chaînes de traitement :

  • Site externe, Le club des Argonautes : Un article résumant quarante ans de recherches, de projets et de collaboration de la géodésie et de l'altimétrie spatiale.
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