Mission

Le spatial au service de la gestion de l’eau

Des missions satellitaires ont permis de grandes avancées dans le domaine de l’environnement. Entre autres, l’altimétrie océanographique depuis l’espace a révolutionné la connaissance des océans et de leur influence sur le climat (l’appréhension globale des phénomènes El Nino en est l’exemple le plus frappant). Cette technique de mesure de la hauteur des océans par satellite, élaborée depuis une trentaine d’années est le fruit d’une coopération très fructueuse entre la France et les Etats-Unis.

Les activités de recherche et développement dans le domaine ont montré qu’il était possible d’augmenter les capacités des prochaines générations d’instruments altimétriques au-dessus des océans (balayage d’une plus grande zone) tout en accédant à un nouveau champ de mesure : la hauteur des eaux de surface continentale (lacs, fleuves)…

L’hydrologie repose essentiellement sur des limnigraphes et des sondes installées au bord des cours d’eau ou des lacs. Mais ces instruments sont répartis très inégalement à la surface du globe, leur maintenance et leur étalonnage sont souvent problématiques (Figure ci-dessous). La mesure depuis l’espace permettra d’assurer la régularité et l’homogénéité des mesures sur tous les lacs et fleuves majeurs.

Seuls 30% des bassins Africains disposent de mesures in situ.

Le contexte programmatique

Le CNES et la NASA, en collaboration avec l’Agence Spatiale Canadienne (CSA) et l’Agence Spatiale Britannique (UKSA), ont développé une mission spatiale utilisant un nouveau concept technique : l'altimétrie interférométrique. Cette mission, appelée « SWOT » (Surface Water & Ocean Topography), permet d’améliorer l’observation des océans, hauturiers et côtiers, et d’accéder à la mesure globale des hauteurs d'eau (et leurs dérivées spatio-temporelles) des fleuves, lacs et zones inondées. Ce partenariat repose sur 25 ans de coopération entre le CNES et la NASA dans le domaine de l’altimétrie océanographique avec les satellites Topex-Poséidon et la série des Jason (1, 2 et 3).

Par rapport à l'altimétrie conventionnelle qui fournit des données ponctuelles le long de profils espacés de plusieurs dizaines/centaines de km, l'altimétrie interférométrique fournit une image bidimensionnelle avec une résolution horizontale de l'ordre de 50 à 100 m.

Couvertures respectives d’un altimètre nadir (à gauche) et d’un altimètre à fauchée (à droite).

La mission SWOT constitue une rupture de concept majeure dans l’altimétrie spatiale, elle ouvre une nouvelle filière scientifique et crée des perspectives pour une filière opérationnelle en y positionnant l’industrie française.

Objectifs scientifiques de SWOT

Océanographie

SWOT fournit des données altimétriques sur une fauchée de 2*50 km avec une résolution spatiale d’observation de 15 km, améliorée d’un facteur 10 par rapport à celle des altimètres précédents, limitée par la mesure sous la trace. Son principal apport dans le domaine de l’océanographie consiste à caractériser précisément les circulations de type méso-échelle et sub-méso échelle (Figure ci-dessous) qui jouent un rôle majeur dans le transport d’énergie dans les océans, les mécanismes d’absorption du CO2. SWOT donne également accès aux effets de la circulation côtière sur la vie marine, les écosystèmes, la qualité de l’eau, les transports, et permettra une meilleure modélisation du couplage océan/atmosphère. C’est une contribution majeure à l’océanographie opérationnelle (GMES, Météorologie).

90% de l’énergie cinétique de l’océan est transportée par des tourbillons.

Échelle de temps et d’espace pour les phénomènes océaniques.

Hydrologie

Dans le domaine de l’hydrologie des surfaces continentales, la mission SWOT permet d'une part de mesurer à grande échelle les changements de stockage d'eau des principales zones humides, lacs et réservoirs (on estime à plus de 30 millions le nombre de lacs dans le monde qui ont une superficie supérieure à 1 hectare, cf. Figure suivante), et d'autre part d’évaluer plus précisément l’évolution du débit des principaux fleuves :

• SWOT permet de cartographier et de suivre les hauteurs de tous les plans d’eau de superficie supérieure à 250 x 250 m2, par tous les temps (dans la limite d’un taux de précipitation important) puisque la mesure n’est pas impactée par le couvert nuageux.
• SWOT permet de mesurer les hauteurs des fleuves de largeur supérieure à 100 m (50 m en objectif) et leurs débits.

Ces observations hydrologiques sont extrêmement importantes pour notre connaissance de la dynamique globale des eaux des surfaces terrestres et de leurs interactions avec la partie côtière des océans au niveau des estuaires. Cette nouvelle capacité permet de surveiller l’évolution des stocks d’eau douce dans le contexte du changement climatique, notamment dans les zones où peu d’observations existent. Les mesures in-situ (limnigraphes) ou à partir d’avion ne délivrent que des données parcellaires et aucun autre instrument embarqué à bord d’un satellite n’est capable aujourd’hui de mesurer régulièrement et globalement les plans d’eau sur toute la surface de la planète.

En outre, les données de SWOT combinées aux autres observations spatiales (radar, SAR, InSAR, optique...), aux prévisions météorologiques et à la modélisation hydrologique et hydraulique des fleuves, contribuent significativement à l’amélioration des systèmes de prévision des crues. SWOT permet également d’améliorer la cartographie des bassins d’inondation après les crues.

Modélisation du nombre de lacs (de superficie comprise entre 1 km2 et 10 km2) par millions de km2.

Objectifs secondaires

Outre ses contributions uniques à l’hydrologie et l’océanographie haute résolution, la mission SWOT permet d’observer et d’analyser les processus de dynamique des estuaires, le géoïde marin, la bathymétrie océanique, ainsi que la glace d’une partie des calottes polaires et de la banquise.