Dossier Océanographie opérationnelle

Observation de l'océan depuis l'Espace

Mars 2005 - Dernière mise à jour Avril 2010

Des progrès énormes ont été réalisés ces trente dernières années en particulier grâce à l’avènement de nouveaux outils d’observation, les satellites, qui ont offert une vision globale, continue et homogène des océans.  

Le tableau résume les paramètres permettant de décrire  la surface océanique dans l'ordre où ils ont été observés depuis l'espace (pour plus de détails voir page CNES).

Ce tableau appelle plusieurs observations :

• Parmi les quatre paramètres du tableau ci-dessus, observés en routine depuis des années, seuls l'altimètre et le diffusiomètre ne sont pas tributaires d'une faible couverture nuageuse.

• La topographie dynamique fournie par l'altimètre permet d'accéder à l'information intégrée sur toute  la hauteur de la colonne d'eau : température et salinité qui déterminent les écarts de densité des masses océaniques. C'est une grandeur intégrale qui joue pour l'océan le même rôle que la pression atmosphérique en météorologie.

• La salinité de surface fait désormais partie des mesures réalisées depuis l'espace (SMOS et Aquarius).

• Certains  radars sur satellites dédiés (TRMM) permettent de mesurer les précipitations. L'océan représentant 70% de la surface de la Terre, ces mesures sont aussi des mesures océaniques!

• Parmi les mesures considérées comme vitales pour les modèles numériques, il y a la topographie (dont la pente par rapport au géoïde dénote un courant océanique). La mise en orbite de Jason 2, longtemps attendue, est venue limiter en juin 2008  le risque d'interruption des mesures altimétriques. En effet, depuis 2007/2008, Jason 1 et ENVISAT avaient tous deux dépassé la durée de vie prévue ; en outre, le successeur d'ENVISAT, Sentinel 3A n'arrivera qu'en 2012.

• La complexité, la turbulence, la diversité du spectre spatio-temporel des phénomènes océaniques ne peuvent être appréhendés qu'à l'aide d'un nombre considérable de mesures; Un échantillonnage insuffisant peut dégrader la qualité des prévisions. L'analyse confirmée par plus de quinze ans d'expérience montre qu'il faut au moins 2 missions (sur des orbites distinctes), pour avoir une richesse de mesures suffisante. Pour les besoins de prédiction et de surveillance dans le domaine côtier, c'est même une constellation de microsatellites qui sera nécessaire. Dans le cas particulier de l'altimétrie océanique, le fait que l'une des 2 missions (TOPEX-Poséïdon hier, Jason 1 et Jason-2 aujourd'hui) soit une mission dédiée permet d'accéder à une précision de mesure inaccessible aux satellites Multi-Mission, tels qu'ERS ou ENVISAT . 
  A partir de Jason-1 et ENVISAT, cette complémentarité est confortée par l'emploi du système d'orbitographie précise DORIS, (présent sur ces 2 missions, ainsi que sur TOPEX-Poséïdon ). L'orbitographie précise est aussi assurée par télémétrie laser et GPS.

• Comme indiqué ci-dessus, à l'exception de TOPEX-Poséïdon, Jason-1 & Jason-2, tous les autres systèmes sont mis en place pour des finalités multiples (observations de l'atmosphère, et/ou de la biosphère, et/ou de l'océan). 

• A l'exception de ASCAT/METOP, tous les systèmes existants ou prévus, et utiles pour la prévision océanique, sont des systèmes expérimentaux mis en place à des fins de recherche ou de démonstration, que la communauté internationale s'efforce de pérenniser : Jason-3 Sentinel 3A et 3B. Alors que l'expérience mondiale GODAE est concluante, le risque d'interruption des observations, irréparable en ce qui concerne le suivi du niveau de la mer dans les diverses provinces océaniques, semble s'éloigner.

Les données issues des mesures spatiales sont transmises en temps réel aux centres d'exploitation qui les rediffusent aux laboratoires et centres opérationnels.

Pour la France, c'est le Cnes via AVISO  et le CERSAT, centre de traitement de données de l'Ifremer,  qui mettent à la disposition des utilisateurs ces données en temps quasi réel. 

Exemple de cartographie de l'océan 

Ce volet “observations spatiales” s’appuie depuis décembre 2001 sur le satellite dédié Jason1, puis Jason 2, successeurs de TOPEX-Poséïdon. Ces trois satellites, conçus exclusivement pour restituer le relief de la surface océanique, mesurent avec une précision de l’ordre du centimètre le niveau local des mers, paramètre très sensible aux fluctuations de la circulation océanique, et des transports d'énergie et de matière associés. 

Pour mieux comprendre l'acharnement mis dans l'amélioration des mesures altimétriques, il faut savoir ce que représente un centimètre de dénivellation : il peut dénoter un courant moyen de 1 à 7 millions de tonnes par seconde (selon la latitude). Comme l'expérience l'a bien montré, dans le cas du phénomène El Niño 97, le réalisme des prévisions est totalement tributaire de la précision des mesures injectées dans le modèle (ainsi, bien entendu, que du degré de sophistication de celui-ci).

TOPEX-Poséïdon, Jason 1 ont été le fruit d’une coopération exemplaire entre le CNES et la NASA débutée il y a plus de 20 ans. Grâce à la durée de vie exceptionnelle de Topex Poséidon, ces deux "arpenteurs des océans" ont pu voler côte a côte avec un écart de 500 Km environ, de décembre 2001 à août 2002. 

Ce "vol en formation", qui préfigurait d'ailleurs les "flottilles de satellites spécialisés" qui se mettent en place, a permis un "inter-étalonnage", une comparaison sans précédent de 2 systèmes de haute précision, conçus et lancés à 9 ans d'intervalle ! 

De même Jason 1 et Jason 2  ont volé en formation serrée depuis juillet 2008, et ce jusqu'en février 2009.

Les mesures sont utilisées par plusieurs centaines d'équipes scientifiques de par le monde, en synergie avec celles fournies par d’autres instruments (altimètres, diffusiomètres, radiomètres des satellites ERS, ADEOS, NOAA...).

Les mesures spatiales, les mesures In-Situ, et les Modèles numériques qu'elles alimentent, constituent les trois piliers de "l'approche intégrée", fondement de "l'Océanographie Opérationnelle". 

Les mesures In Situ donnent accès à la température et la salinité en fonction de la profondeur. Combinées à la topographie mesurée par satellite, elles permettent une description tridimensionnelle de l'état de l'océan.

A titre indicatif, les satellites réalisent 50 000 mesures par jour et par altimètre, tandis que l'on dispose de quelques centaines de mesures In Situ chaque jour. 

L'ensemble de ces mesures peut paraître redondant. Compte tenu de l'ampleur et de la complexité de la tache, il s'agit en réalité d'un minimum tout juste suffisant ! En outre, cet ensemble permet d'estimer en permanence la cohérence des diverses mesures et de contrôler les risques d'erreur ou de dérive instrumentale ("validation croisée" et/ou inter étalonnage direct).

Voir aussi :

• Émergence de l'océanographie opérationnelle

• Les modèles numériques

• L'observation de l'océan depuis l'océan (mesures in-situ)

• Une grande "Cause mondiale"

News d'avril 2010 : En bonne posture pour observer la Terre sur le long terme

Sites internet :

Jason oceanobs gulf_stream

CNES Jason Centre National d'Étude Spatiales

AVISO Altimétrie

ESA  European Space Agency

NASA Topex/Jason National Aeronautics and Space Administration