Du radar altimètre à la distance altimétrique (distance R)

Un radar altimètre embarqué à bord d'un satellite émet un signal à très haute fréquence (plus de 1700 impulsions par seconde) à la verticale de celui-ci en direction du sol et reçoit en retour l'écho réfléchi par la surface de la mer. L'analyse de l'écho permet d'extraire une mesure très précise du temps de trajet aller-retour entre le satellite et la surface de la mer, mais aussi de la hauteur des vagues et de la vitesse du vent. Ce temps est ensuite transformé en distance par simple multiplication avec la vitesse de la lumière, vitesse à laquelle se propagent les ondes électromagnétiques émises. En moyennant sur une seconde les distances estimées, on obtient une mesure très précise de la distance satellite-océan.
Toutefois les ondes électromagnétiques peuvent être ralenties pendant leur traversée dans l'atmosphère, cet effet étant lié au taux d'humidité, et au taux d'ionisation. Une fois appliquées les corrections nécessaires pour prendre en compte ces phénomènes physiques, la distance finale (distance R) est estimée avec une précision de 2 centimètres.
L'objectif final étant de mesurer le niveau de la mer par rapport à un référentiel terrestre, il est nécessaire de connaître de manière indépendante la trajectoire du satellite sur son orbite, soit sa position en latitude, longitude, et son altitude exacte.

Orbite du satellite et localisation (S)

Prenons le satellite Jason-1. Celui-ci vole à une altitude de 1336 km sur une orbite inclinée à 66° par rapport à l'équateur - de ce fait la couverture est limitée à 66° Nord et Sud en latitude. Son orbite est dite répétitive, c'est-à-dire que le satellite repasse sur les mêmes points au sol tous les 10 jours, offrant ainsi un échantillonnage homogène de la surface du globe pendant cette même période. Altitude, inclinaison et période de répétitivité sont des paramètres caractéristiques des missions altimétriques.
La localisation précise du satellite peut se faire à l'aide de plusieurs méthodes. Celle employée par le système Doris, système développé par le Cnes et embarqué sur les satellites altimétriques Topex/Poséidon, Jason-1&2, Envisat, repose sur un réseau de balises au sol émettant en direction du satellite. Environ 50 balises sont actuellement en fonctionnement de par le monde. Un tel réseau permet de connaître très précisément, par effet Doppler, la vitesse du satellite sur son orbite. En s'appuyant ensuite sur des modèles dynamiques d'orbitographie, on déduit de cette vitesse la trajectoire exacte du satellite, soit sa position par rapport à la terre.

Cette position est calculée par rapport à une surface de référence arbitraire, une ellipsoïde. Cette ellipsoïde de référence correspond à la forme élémentaire de la Terre, une "sphère" aplatie aux deux pôles.
L'altitude du satellite au dessus de l'ellipsoïde de référence (distance S) est calculée avec une précision meilleure que 3 centimètres.

Niveau des océans (hauteur SSH)

Le niveau des océans ou hauteur de la mer (hauteur SSH) correspond à la mesure du niveau des océans à un instant donné par rapport à une ellipsoïde de référence. La profondeur réelle de l'eau n'étant pas connue partout avec précision, cette référence permet un repérage précis et homogène.
Le niveau des océans s'obtient par simple différence entre l'orbite du satellite et la distance altimétrique:

SSH= S - R

Le niveau des océans SSH représente plusieurs effets combinés:

• la surface de la mer qu'elle aurait en absence de toutes perturbations (vent, marées, courants, etc.). Cette surface appelée géoïde reflète les variations d'attraction terrestre d'un point à l'autre de la Terre, variations liées aux différences de masses et de densité importantes du sous-sol marin. Ainsi une zone de roches denses déforme le niveau de la mer de plusieurs dizaines de mètres, faisant apparaître une "bosse" sur le géoïde.
• la circulation océanique appelée encore topographie dynamique. La circulation océanique qui comprend une partie permanente stationnaire (circulation permanente liée à la rotation de la terre, aux vents permanents, etc.) et une partie fortement variable (liée aux vents, à la variabilité saisonnière, etc.), représente des amplitudes de l'ordre du mètre en moyenne.

Pour accéder au seul effet de la topographie dynamique, il suffirait de retrancher la hauteur de géoïde G à la hauteur du niveau de la mer SSH. En pratique, le géoïde n'est pas connu avec suffisamment de précision, et c'est donc le niveau moyen de la mer (géoïde plus circulation permanente) qui est retranché à SSH, donnant ainsi l'accès à la partie variable du signal océanique.