30 Septembre 2014

Mission

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Le contexte programmatique

La mission OSTM (Ocean Surface Topography Mission) fait suite aux missions TOPEX/POSEIDON et JASON-1 et permet d'en assurer la continuité. D'une durée objectif de 20 ans, cette mission est assurée par une série de satellites, dont le premier est JASON-2. La durée de vie du satellite JASON-2 est prévue pour 5 ans (phase d'observation étendue incluse) à partir du lancement. Cette mission a donc pour objectif d'assurer la continuité opérationnelle de la collecte et de la distribution de données de haute précision sur l'étude des courants océaniques et la mesure des niveaux marins, afin d'améliorer la compréhension de ces phénomènes et leur impact sur le climat.

Le projet JASON-2 s'inscrit dans un programme français de développement de l'océanographie opérationnelle incluant notamment le développement de mesures in situ (projet CORIOLIS) et le développement d'un centre d'analyse et de prévision (projet MERCATOR). Ces deux programmes sont la contribution française à GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment), première expérience internationale d'océanographie opérationnelle.

Cette mission a été décidée dans le cadre d'un accord entre 4 partenaires : le CNES, la NASA, la NOAA et EUMETSAT.

Les besoins élémentaires de la mission

La circulation océanique est étudiée à partir de la mesure de la hauteur du niveau de la mer, dérivée de 2 données élémentaires :

  • la distance altimétrique, entre le satellite et le niveau de la mer, déduite des mesures de l'altimètre,
  • la hauteur radiale du satellite par rapport à l'ellipsoïde de référence déduite des mesures de différents systèmes de localisation.

En outre, la distance altimétrique mesurée doit être corrigée des effets de propagation du signal radar dans la troposphère et dans l'ionosphère. C'est ainsi que l'altimètre utilisé est bi-fréquence (pour estimer le retard ionosphérique), et que la charge utile comporte aussi un radiomètre, qui permet de calculer le contenu en eau de la troposphère et d'en déduire la correction appropriée.

Les satellites TOPEX/POSEIDON, JASON-1 et JASON-2 utilisent la même orbite non héliosynchrone circulaire inclinée à 66° et d'altitude 1336 km. 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. L'altitude de l'orbite est lié au besoin d'orbitographie précise (les frottements de l'atmosphère sont moindres, et les variations courtes échelles du champ de gravité terrestres y ont un effet minime). De plus, le fait que cette orbite soit non héliosynchrone évite l'"aliasing" des différentes composantes de la marée.

Objectifs Scientifiques


Les variations du niveau de la mer

L'altimétrie par satellite permet de mesurer finement (avec une précision centimétrique), globalement et quasiment instantanément (à l'échelle de la dynamique océanique) les variations de hauteur de la surface des océans. Cette topographie de surface est en effet variable sur de nombreuses échelles de temps et d'espaces, reflétant un grand nombre de phénomènes :

  • L'écart permanent par rapport à l'ellipsoïde de référence, de l'ordre de la centaine de mètres, est principalement le reflet de la structure géographique du géoïde terrestre, et donc la répartition inhomogène des masses à l'intérieur de notre planète.

  • L'écart de la surface de la mer par rapport au géoïde terrestre (qui peut être déterminé indépendamment grâce aux satellites gravimétriques comme CHAMP et GRACE), de l'ordre du mètre, est appelé "topographie dynamique". Il s'agit de déformations de la surface de la mer liées à la circulation océanique globale. De façon analogue aux cartes de pression atmosphérique utilisées pour la météorologie, les courants océaniques de surface suivent les courbes de niveau avec une vitesse proportionnelle à sa pente locale. On peut ainsi cartographier les grands courants marins, tels le Gulf Stream ou le Kuroshio.

  • Les variations temporelles de la topographie de surface permettent également l'observation et le suivi de la variabilité océanique (tourbillons, ondes de Rossby...), des marées, et de phénomènes saisonniers et/ou climatiques tels El Niño.

  • Enfin, sur le long terme il est possible de suivre le niveau moyen des mers. Depuis le début de la mission TOPEX/POSEIDON en 1992, une augmentation moyenne globale du niveau de la mer d'environ 3 mm/an est observée, avec une forte variabilité spatiale (jusqu'à ± 20 mm/an selon les régions). Cette augmentation est un indicateur du réchauffement climatique, et donc à ce titre un enjeu majeur des missions d'altimétrie est de maintenir la continuité et la précision de cette mesure.

Produits dérivés de la mesure altimétrique

Outre la topographie de surface, le signal enregistré par les altimètres permet de mesurer deux autres paramètres très utiles pour la météo marine : la hauteur moyenne des vagues, et la vitesse du vent de surface. Disponibles en temps quasi-réel, ces mesures sont utilisées pour la prévision météorologique.

L'altimétrie sur les continents

Bien que conçus pour la mesure de hauteur des eaux océaniques (dont la "signature radar" est bien identifiée), les altimètres ont aussi la capacité d'acquérir des observations au dessus des continents, en particulier sur toute étendue d'eau suffisamment large pour être détectable. Cette capacité a ouvert de nouvelles perspectives pour l'hydrologie continentale. Grâce aux satellites altimétriques il est ainsi possible de suivre les variations saisonnières du niveau des lacs et de certains fleuves majeurs. Ces applications trouvent toute leur importance dans les zones faiblement instrumentées car difficiles d'accès, comme le bassin amazonien.

Combinaison de l'altimétrie et des mesures in-situ : océanographie opérationnelle

L'assimilation de données consiste en la combinaison d'observations et de modélisation pour pouvoir prédire avec précision les évolutions de systèmes complexes. Largement utilisé pour les prévisions météorologiques, ce type de système peut être transposé pour l'océanographie opérationnelle. En 2003 a débuté l'expérience internationale GODAE, première expérience d'océanographie opérationnelle internationale "vraie grandeur". Il s'agit de montrer qu'il est possible d'observer, modéliser et prévoir l'océan global dans ces trois dimensions, en routine et en temps réel.

Systèmes pilotes du programme GODAE, le Groupement d'Intérêt Public (GIP) Mercator Océan, créé en avril 2002, a mis en œuvre un système permettant de décrire à tout instant, et dans tous les recoins de notre planète bleue, l'état de l'océan, composante incontournable de notre environnement.

Le système Mercator se nourrit, en entrée, des observations de l'océan mesurées par satellites (altimétrie, mais aussi température de surface) ainsi que des mesures in situ (bouées dérivantes, capteurs et profileurs de température, de salinité et de courants). Ces mesures sont "ingérées" (assimilées) par le modèle d'analyse et de prévision. L'assimilation de données d'observation dans un modèle permet ainsi la description et la prévision de l'océan jusqu'à 14 jours. Depuis octobre 2005, Mercator opère un modèle de prévision océanographique globale à la résolution du ¼°, soit environ 28 kilomètres à l'équateur.

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