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Les satellites en météorologie

HD Sciences n°19
January 10, 2024
3-5 min

HD Sciences n°17 - Les satellites en météorologie

L'observation de l'atmosphère est vitale pour la surveillance et la prévision de notre météo, ainsi que pour l'évaluation de l’impact du changement climatique sur la Terre. La télédétection par satellites joue un rôle central dans la réalisation de ces objectifs. Bien que cette technique ait ses racines dans l'invention de la photographie et l'avènement de l'aviation, son essor véritable se produit dans les années 1960, propulsé par le développement des satellites d'observation de la Terre, symbolisé par le lancement réussi du satellite TIROS-1. Ce dernier était spécifiquement conçu pour surveiller les conditions météorologiques et la couverture nuageuse de la Terre depuis l'espace. Cet article se penchera sur la manière dont la météo est observée au moyen de ces instruments, en explorant également les divers types de satellites qui contribuent à cet objectif.

Le principe de la télédétection

La télédétection spatiale (remote sensing from space), englobe l'ensemble des savoirs et des méthodes employés pour identifier les caractéristiques de la surface et de l'atmosphère de la Terre (ou d'une autre planète). Cela s'opère par le biais de mesures effectuées à partir d'un satellite en orbite. Le principe sous-jacent de la télédétection est élémentaire, reposant essentiellement sur la mesure des rayonnements électromagnétiques émis ou réfléchis par le satellite. Ces deux approches, que l'on désigne respectivement sous les termes de télédétection active et passive, se distinguent par leur nature distincte.

@ Arkarjun, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29727605

La télédétection active implique l'émission d'un signal par le satellite vers la surface de la Terre (1) (voir la Figure ci-dessus en bas), suivi par la mesure du signal réfléchi ou diffusé (2). Cette approche permet d'obtenir des informations détaillées sur la topographie, la structure des surfaces et d'autres caractéristiques spécifiques. À l'inverse, la télédétection passive se base sur la détection des radiations émises naturellement par la Terre ou la planète cible (2) à partir du soleil (1) (voir la Figure ci-dessus en haut), sans émission préalable de signaux depuis le satellite. Les données récupérées sont ensuite transmises vers une station terrestre (3) pour être exploitées par les experts du domaine.

D’après une étude de l’UCS (Union of Concerned Scientists) en 2020, plus que 2 787 satellites en orbite gravitent autour de nos têtes. **Sur ce total, 35% de ces satellites servent à l’observation de la Terre (météo, étude du climat, surveillance des phénomènes météorologiques extrêmes, etc.). De plus, 75% sont des satellites de basse altitude ou défilants et les 25 % restants sont des satellites de haute altitude ou géostationnaires (Figure ci-dessous).

@ Météo France

Les satellites météorologiques géostationnaires

Les satellites géostationnaires demeurent en permanence au-dessus d'une même zone géographique. Ceci s’explique par sa synchronisation avec la rotation de notre planète. Tournant à la même vitesse et dans la même direction que la Terre, leur période de révolution sidérale est équivalente à sa période de rotation (soit 23 h 56 min). Ces satellites suivent une orbite circulaire autour du plan équatorial, à une altitude d'environ 35 800 km. Cette configuration permet une couverture continue d'une vaste zone circulaire, centrée sur un point fixe de l'équateur et englobant environ 42 % de la surface terrestre. Les satellites géostationnaires offrent une surveillance ininterrompue et étendue à l’échelle régionale des conditions météorologiques en temps réel avec une résolution temporelle jusqu’à 5 minutes sur la même zone.

Les agences spatiales responsables de ces satellites varient selon les régions. La NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) gère les satellites GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) pour l'Amérique. l'Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT) supervise les satellites Meteosat pour l'Europe et l’Afrique, tandis que les agences spatiales chinoises et japonaises gèrent les satellites Feng-Yun et HIMAWARI pour la partie asiatique (Figure ci-dessous).

@ Météo France

Au moment d’écrire cet article, voici que l’on observe à partir du satellite Meteosat - 0 degré (canal visible 0.6) :

@EUMETSAT

Les satellites météorologiques défilants

D'un autre côté, les satellites en orbite basse ou défilants suivent des orbites plus proches de la Terre (entre 600 et 1500km du sol) et dont le plan passe pratiquement par les pôles Nord et Sud. Ce type de satellites mesure une large bande de la surface de la Terre en dessous de lui pendant son déplacement. En raison de l'orbite relativement basse de ces satellites, les données sont généralement d'une résolution spatiale élevée. Cependant, la résolution temporelle de ces satellites dépend de leur orbite et des caractéristiques de leurs capteurs qui peut aller jusqu’à 35 jours : le temps nécessaire pour revisiter le même endroit au-dessus de la surface de la Terre. Bien que leur couverture ne soit pas constante, ces satellites sont efficaces pour des applications nécessitant une résolution élevée, comme la surveillance locale et les prévisions météorologiques à court terme.

Une exemple de ces satellites, MetOp-SG (Figure ci-dessous) développé par l’ESA (European Satellite Agency) et EUMETSAT pour avoir des données opérationnelles pour les services météorologiques et la surveillance du climat.

L'utilisation combinée de satellites géostationnaires et de satellites en orbite basse permet d’obtenir une vision plus complète et précise des phénomènes météorologiques, améliorant ainsi la capacité à prédire les conditions météorologiques à court et moyen terme. Par exemple le GPM (Global Precipitation Measurement) est une mission satellitaire internationale visant à fournir des observations des précipitations dans le monde toutes les trois heures en utilisant un algorithme unifié (IMERG) qui fournit des estimations en combinant les données de tous les instruments à micro-ondes passives de la Constellation GPM.

Au moment d’écrire cet article, voici que l’on observe à partir du satellite METOP-C (canal IR 10.8) avec une accumulation de plusieurs passages:

@EUMETSAT

Avantages et inconvénients

Les satellites géostationnaires et les satellites défilants présentent des avantages et des inconvénients distincts en fonction de leurs caractéristiques et de leurs applications. Voici un aperçu des principales différences :

Avantages des satellites géostationnaires :

  1. Surveillance continue : Les satellites géostationnaires restent constamment au-dessus d'une même zone géographique ce qui permet d’avoir un historique à une résolution temporelle fine, offrant une surveillance continue des conditions météorologiques et environnementales dans cette région.
  2. Imagerie en temps réel : En raison de leur position fixe, ces satellites peuvent fournir des images en temps réel avec une bonne résolution, ce qui est particulièrement utile pour suivre l'évolution rapide des phénomènes météorologiques.

Inconvénients des satellites géostationnaires :

  1. Limitation de couverture : En raison de leur position fixe au-dessus de l'équateur, les satellites géostationnaires ne peuvent pas couvrir quelques zones spécifiques comme les pôles.
  2. Altitude élevée : L'orbite géostationnaire est située à une altitude élevée d'environ 35 800 km, ce qui peut entraîner des retards de transmission de données et une faible résolution spatiale.

Avantages des satellites défilants :

  1. Couverture globale : Les satellites défilants suivent des orbites qui couvrent l'ensemble de la surface terrestre, ce qui les rend idéaux pour une surveillance mondiale et en particulier les zones non couvertes par les satellites géostationnaires.
  2. Résolution spatiale élevée : En raison de leur proximité avec la Terre, les satellites défilants peuvent offrir une résolution spatiale plus élevée par rapport aux satellites géostationnaires, permettant une observation plus détaillée de la surface terrestre.

Inconvénients des satellites défilants :

  1. Fréquence d'observation limitée : En raison de leur mouvement orbital, les satellites défilants ne passent au-dessus d'une zone donnée que quelques fois par jour, limitant la fréquence d'observation en comparaison des satellites géostationnaires.
  2. Complexité des systèmes : La gestion des données provenant de satellites défilants peut être plus complexe en raison de la nécessité de combiner des images provenant de différentes orbites pour obtenir une couverture globale.

En résumé, les satellites géostationnaires sont avantageux pour une surveillance continue et en temps réel de zones spécifiques, tandis que les satellites défilants offrent une couverture globale, mais avec une fréquence d'observation plus limitée. Le choix entre les deux dépend des besoins spécifiques de la mission ou de l'application.

Références :

https://eumetview.eumetsat.int/static-images/latestImages.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Satellite_météorologique

https://neosat.info/univers-thd/tous-les-dossiers/satellite-geostationnaire-vs-basse-altitude/

https://fr.wikipedia.org/wiki/TIROS-1

https://view.eumetsat.int

http://www.meteo-spatiale.fr/src/images_en_direct.php