Les yeux de la NOAA dans le ciel

Après cinquante années de prévision à l’aide des satellites environnementaux, que réserve l’avenir à la météorologie et à la société?

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Par Derek Hanson¹, James Peronto², Douglas Hilderbrand³

Une foule de tâches importantes sont accomplies grâce aux satellites d’observation de l’environnement, l’une des principales étant la fourniture aux météorologistes indispensables pour produire des prévisions fiables qui sauveront des vies. Ces «yeux dans le ciel» tournent en permanence autour de la Terre. Ils observent l’atmosphère pour alimenter les modèles de la prévision numérique du temps (PNT). Ils procurent les images de phénomènes météorologiques qui permettent de surveiller les tempêtes à la surface du globe, de repérer les nuages de cendres volcaniques et les fumées dégagées par les feux incontrôlés et de suivre la formation des ouragans. Pour toutes ces raisons, l’Administration américaine pour les océans et l’atmosphère (NOAA) considère depuis longtemps que les satellites sont essentiels à l’accomplissement de sa mission de protection des personnes et des biens; elle continuera donc de préserver et d’étendre ces capacités cruciales.

Lorsque la Veille météorologique mondiale (VMM) a été créée en 1963, l’utilisation des satellites environnementaux commençait à peine. Faute d’une couverture mondiale et d’un échantillonnage quasi constant de l’atmosphère, on s’en remettait aux données sporadiques recueillies par ballon, à l’analyse de phénomènes passés et aux comptes rendus transmis par les météorologistes situés plus près du phénomène attendu. Les rares observations effectuées au-dessus des vastes étendues océaniques et des régions faiblement peuplées du globe n’étaient pas suffisantes pour garantir la fiabilité des prévisions. Au cours des cinquante années qui ont suivi, les capacités des satellites d’observation de l’environnement se sont considérablement accrues, tout comme l’aptitude des scientifiques à les utiliser. Et nous sommes aujourd’hui impatients de voir entrer en service une toute nouvelle génération de satellites environnementaux.

Il sera tout d’abord question ici de la manière dont les météorologistes utilisent les satellites à orbite polaire ou géostationnaires pour prévoir le temps. Nous rappellerons ensuite l’évolution des satellites environnementaux exploités par les États-Unis d’Amérique, des premiers engins dotés d’une simple caméra aux appareils d’échantillonnage et d’imagerie ultra performants que nous connaissons aujourd’hui. Enfin, nous présenterons la prochaine génération de satellites américains d’observation de l’environnement et ce qu’ils apporteront aux météorologistes et à la société en général.


Les satellites environnementaux au service de la prévision du temps

Ces satellites tournent autour de la Terre selon différentes orbites et fournissent divers types de données aux météorologistes. Nous verrons quelles catégories de nous examinerons succinctement les possibilités offertes par chacune des deux principales orbites terrestres.

Imagerie et modélisation

Les satellites d’étude de l’environnement offrent un point de vue unique – ils observent la Terre de très loin, à partir de l’espace, ce qui permet aux météorologistes de suivre la formation et l’évolution des tempêtes en fonction du mouvement des nuages et de la vapeur d’eau. C’est ce que nous appelons «l’imagerie». Quoique cette technique formes de tempête, elle s’est avérée inestimable quand on a commencé à mettre au point des satellites pour prévoir et surveiller les ouragans. Sans cette capacité, la prévision des fortes tempêtes au-dessus des océans était difficile, avec parfois des conséquences catastrophiques. L’ouragan qui a soudainement frappé les habitants de Galveston (Texas) en 1900 en est un parfait exemple. Il était très difficile aux prévisionnistes, à partir des seuls rapports transmis par des sources terrestres et quelques navires en mer, de localiser le phénomène sur le golfe du Mexique et d’anticiper sa trajectoire pour alerter la population. Ce puissant ouragan a été le plus meurtrier de l’histoire des États-Unis d’Amérique, causant la mort d’environ 8 000 personnes.

L’imagerie n’est pas la seule possibilité intéressante offerte par les satellites environnementaux. Ces appareils fournissent les observations atmosphériques indispensables à la PNT. Des modèles tels le GFS (Global Forecast System) américain ou le système du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme créent à partir de ces données un instantané de l’état de l’atmosphère et réalisent des calculs extrêmement complexes pour prédire son évolution. Les météorologistes utilisent les résultats des modèles, fournis sous la forme d’«indications de prévision», pour préparer leurs propres prévisions. Cette approche a révolutionné le domaine et a considérablement augmenté la fiabilité des produits.

Il faut connaître avec précision l’état des différentes couches de l’atmosphère autour de la Terre, notamment en termes de température, de pression et de vapeur d’eau, pour pouvoir exploiter avec efficacité les modèles de PNT. Les satellites environnementaux à orbite polaire de la NOAA et de l’Organisation européenne pour l’exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT), capables d’échantillonner rapidement l’atmosphère autour du globe, constituent la première source de données traitées par ce type de modèles et s’avèrent irremplaçables pour établir des prévisions exactes à échéance de trois jours et au-delà. Les sondeurs, sortes de radiomètres embarqués sur les satellites, fournissent les profils verticaux de la température, la pression et la vapeur d’eau dont a besoin la PNT. Les ballons et d’autres formes de sondage procurent également des données essentielles, mais rien n’égale la capacité qu’ont les satellites environnementaux de procéder à un échantillonnage précis et complet des températures dans l’ensemble de l’atmosphère et les océans.

Satellites à orbite polaire et satellites géostationnaires

Les satellites à orbite polaire évoluent autour de la Terre à une altitude légèrement supérieure à 800 km et passent au-dessus des pôles Nord et Sud toutes les 100 minutes environ. Comme la Terre tourne sous eux, ils balaient une bande différente de la surface à chaque rotation et finissent par échantillonner la planète entière. Ces satellites fournissent également des images, mais les sondeursembarqués transmettent surtout des profils de température très précis de l’atmosphère et des océans qui sont ensuite intégrés dans les modèles de PNT.

Les satellites géostationnaires tournent autour du globe à plus de 35 000 km au-dessus de l’Équateur, à la même vitesse que la Terre, ce qui donne l’impression d’un vol stationnaire au-dessus d’une même partie du globe. Ils assurent ainsi une surveillance constante des phénomènes météorologiques qui évoluent rapidement. Les satellites géostationnaires servent essentiellement à obtenir des la Terre qui, mises bout à bout, permettent aux météorologistes et au grand public de voir les nuages et les tempêtes se former et se déplacer dans l’atmosphère. Cette information revêt une importance toute particulière pour la prévision à courte échéance, ou immédiate, des phénomènes météorologiques extrêmes.


Bref historique des satellites environnementaux

Satellites à orbite polaire

Première image transmise par TIROS-1 en 1960, premier satellite environnemental américain

Le 1er avril 1960, les États-Unis d’Amérique lançaient le tout premier satellite météorologique au monde, le satellite d’observation télévisuelle à infrarouge TIROS-1. Muni de enregistreurs vidéo, il ne pesait les images envoyées ont prouvé que les satellites pouvaient météorologique. TIROS-1, ainsi que les autres satellites TIROS de première génération, ont démontré l’intérêt des satellites et ont stimulé un soutien en faveur de nouveaux lancements et de la poursuite de l’exploitation au service de la prévision du temps.

De nouvelles générations de satellites à orbite polaire, intégrant de nets progrès technologiques, ont été développées et lancées après les premières missions. En 1978, une grande génération de satellites à orbite polaire a vu le jour, la série TIROS-N perfectionnée, suivie en 1998 par la toute dernière génération de satellites environnementaux à orbite polaire, les POES (satellites à défilement pour l’étude de l’environnement). Outre des sondeurs et imageurs, les satellites POES emportent des instruments spéciaux fournis par la communauté internationale, afin de capter les signaux émis par les balises d’aéronefs et de navires et de localiser des randonneurs en situation de détresse. Ils font en effet partie du système international de satellites de recherche et de sauvetage (SARSAT). En 2012, plus de 250 opérations de sauvetage ont bénéficié de l’appui de SARSAT. Le dernier des satellites POES, NOAA-19, a été lancé en février 2009; il fournit encore aujourd’hui des données capitales pour les modèles de PNT.

La mission Suomi NPP1 (Partenariat NOAA-NASA pour le système national en orbite polaire), lancée le 22 octobre 2011, assure la transition entre les véhicules spatiaux POES de la NOAA (et les missions d’observation de la Terre héritées de la NASA) et la génération suivante de la série JPSS (système conjoint de satellites polaires) de la NOAA. Suomi NPP étant la première mission à emporter les instruments novateurs qui seront utilisés en exploitation par le JPSS, elle sera décrite plus avant dans la présentation de la nouvelle génération de satellites environnementaux.

Satellites géostationnaires

Illustration du futur satellite JPSS

Le premier satellite environnemental en orbite géostationnaire, l’ATS-1 (satellite pour les technologies d’application), a été lancé par les États-Unis d’Amérique le 6 décembre 1966. Sa caméra à balayage rotatif pour la prise de vues de la couverture nuageuse fournissait des images visibles du globe toutes les 20 minutes. Le satellite étant stationnaire par rapport à la Terre et pouvant voir une grande portion de sa surface, la succession d’images permettait aux scientifiques de suivre le mouvement des nuages à grande échelle. D’autres satellites ATS ont été lancés jusqu’au milieu des années 1970, chacun faisant la démonstration de nouvelles technologies instrumentales. La série a connu son apogée avec l’ATS-6. Premier satellite météorologique géostationnaire à ne pas tourner sur lui-même, l’ATS-6 observait en continu la surface de la Terre, et non plus uniquement lorsque l’instrument était orienté vers le globe.

Les météorologistes ont commencé à exploiter les images des satellites ATS au début des années 1970. Vu le succès remporté, la NOAA et la NASA ont élaboré en étroite concertation le programme GOES (satellites géostationnaires d’exploitation pour l’étude de l’environnement). GOES-1, lancé en 1975, avait à son bord un radiomètre capable d’effectuer des observations de jour comme de nuit.

Tempête de neige en janvier 2011, un des trois types d’images envoyées par les satellites GOES

Avec le lancement de GOES-2 en 1977, la NOAA mettait en place la constellation de deux satellites géostationnaires qu’elle emploie encore aujourd’hui – GOES E couvrant la moitié Est du territoire américain et la majorité de l’océan Atlantique, GOES W balayant la moitié Ouest du pays, une grande partie de l’océan Pacifique et Hawaï. C’est GOES-13 qui, depuis 2006, fait office de GOES-E, tandis que GOES-15, lancé en 2010, tient lieu de GOES-W. Par ailleurs, la NOAA possède un satellite géostationnaire de secours au-dessus de la partie centrale des États-Unis d’Amérique; il s’agit actuellement de GOES 14, qui peut entrer en service advenant une défaillance de l’un des satellites opérationnels.


Les satellites environnementaux promis à un brillant avenir

Les cinquante années qui se sont écoulées depuis la création de la Veille météorologique mondiale ont été marquées par d’incroyables progrès dans le développement et l’utilisation des satellites environnementaux. Nous entrons aujourd’hui dans une ère riche de promesses, celle de satellites plus performants et perfectionnés qui donneront aux météorologistes du monde entier les moyens de mieux accomplir leur mission. Nous présentons ici un aperçu de ces nouveaux satellites en orbite polaire ou géostationnaire.

Une image «plein disque», par opposition à une image rapprochée, provenant du satellite GOES-E

Satellite Suomi NPP et série JPSS

On a indiqué plus haut que le lancement réussi, le 28 octobre 2011, d’un nouveau satellite environnemental à orbite polaire, Suomi NPP, avait servi de trait d’union entre les POES de la NOAA (sans oublier les missions d’observation de la Terre de la NASA) et la génération suivante de satellites à orbite polaire de la série JPSS. Suomi NPP, de la taille d’une grosse fourgonnette et pesant quelque 2 000 kg, est actuellement exploité par la NOAA afin de fournir l’information nécessaire pour diffuser des prévisions et des alertes fiables de conditions météorologiques dangereuses, comme les tornades ou les inondations meurtrières, les vagues de chaleur accablante, les violentes tempêtes de neige et les incendies dévastateurs.

Image de l’ouragan Sandy prise de nuit par le satellite Suomi NPP, montrant les lumières des villes et les formations nuageuses éclairées par la Lune

Image infrarouge de Sandy transmise par Suomi NPP

Première image produite par l’imageur visible de Suomi NPP, montrant le couloir observé à chaque passage d’un satellite en orbite polaire

La quasi-totalité des instruments embarqués par Suomi NPP sont des versions perfectionnées d’appareils placés sur les satellites POES, qui intègrent les progrès technologiques survenus entre la fin des années 1980 et le début des années 1990. Parmi les instruments essentiels figurent deux sondeurs (un sondeur hyperfréquence de haute tehchnologie et un sondeur infrarouge à balayage transverse), une suite radiomètre-imageur dans le visible et l’infrarouge, une suite profileur/cartographie de l’ozone et un système d’étude du bilan radiatif de la Terre et des nuages. La NOAA alimente ainsi les modèles de PNT et exploite elle-même les données recueillies pour offrir des dizaines de produits supplémentaires, notamment des mesures de la nébulosité, de la végétation, de la couleur des océans et de la température à la surface des terres et des mers.

La NOAA et la NASA profitent de l’expérience acquise avec Suomi NPP pour concevoir le satellite JPSS-1. Les instruments embarqués sur Suomi NPP seront également déployés sur JPSS-1, dont le lancement est prévu en 2017. On commence tout juste à entrevoir les avantages de ces données et les nouvelles applications qu’elles pourraient avoir; il semble déjà que le programme JPSS apportera énormément aux météorologistes et à la société en général.

Série GOES-R

La NOAA et la NASA collaborent à la mise au point d’une nouvelle génération de satellites GOES, la série GOES-R. Il s’agit de satellites géostationnaires perfectionnés d’étude de l’environnement; le lancement du premier engin est prévu à la fin de l’année 2015. Les images devraient présenter une clarté quatre fois supérieure à celle des satellites GOES et le volume des données devrait être multiplié par plus de vingt. La série GOES-R comportera quatre satellites (GOES-R, S, T et –U), prolongeant ainsi la mission opérationnelle GOES jusqu’en 2036 au moins.

La transmission d’un flux continu d’images et de mesures atmosphériques de l’hémisphère occidental ouvre une ère nouvelle pour les satellites géostationnaires. Les instruments perfectionnés de la série GOES R, en particulier l’imageur ABI (imageur de référence perfectionné), amélioreront sensiblement l’imagerie produite, triplant le volume d’information spectrale, quadruplant la couverture spatiale et quintuplant la résolution temporelle par rapport aux imageurs GOES. Un nouvel instrument GML (cartographie géostationnaire des éclairs) assurera en continu et en temps quasi réel la surveillance des décharges orageuses sur une zone allant du milieu de l’océan Pacifique au milieu de l’océan Atlantique. En outre, la série GOES-R améliorera sensiblement la surveillance du Soleil et les prévisions météorologiques à partir de l’espace.

La série GOES-R permettra de suivre l’évolution des ouragans dans l’océan Atlantique aussi bien que les conditions météorologiques dans les grandes plaines du centre des États-Unis d’Amérique, ce qui constitue une avancée remarquable par rapport aux capacités des satellites géostationnaires actuels de la NOAA. Ces améliorations, comme celles permises par les satellites SUOMI NPP et JPSS à orbite polaire, présenteront de nombreux avantages pour les météorologistes et pour ceux qui utilisent leurs prévisions.

Autres satellites environnementaux

En plus des missions classiques assurées par les satellites environnementaux à orbite polaire ou géostationnaire, les prochaines années pourraient voir l’étude de l’environnement bénéficier de nouveaux types de données. Beaucoup de satellites déjà en orbite suscitent un vif intérêt et les météorologistes et les scientifiques étudient de nouveaux moyens d’intégrer dans les prévisions les données qu’ils transmettent.

Les satellites de la série Jason en sont un exemple éclatant. Jason-2 est équipé d’un altimètre qui mesure avec précision la hauteur de la surface de la mer dans le cadre d’une mission internationale axée sur la topographie superficielle de l’océan. La température de l’eau et les courants modifient la hauteur de la mer, ce qui peut avoir une incidence sur le temps à l’échelle de la planète, et notamment sur les tempêtes tropicales. Jason-2 a grandement aidé à améliorer la modélisation du temps et les prévisions de l’intensification des tempêtes tropicales. L’aventure se poursuit avec la mise au point de Jason-3.

Citons également le programme COSMIC (système d’observation par une constellation de satellites pour l’étude du temps, du climat et de l’ionosphère), une mission internationale qui met en oeuvre six microsatellites dotés de récepteurs perfectionnés faisant appel à la radio-occultation GPS. Grâce à la mesure des écarts que présentent les signaux GPS à cause des gradients de température et d’humidité dans l’atmosphère, les données transmises permettent d’établir des profils verticaux très précis de la température et de l’humidité. Une fois introduites dans les modèles de PNT, ces données supplémentaires améliorent l’exactitude des résultats.


Les satellites perfectionnés et la prévision du temps

La prévision météorologique a profondément changé depuis les débuts de la Veille météorologique mondiale. L’augmentation de la puissance de calcul, l’amélioration des communications et l’élaboration des modèles de PNT ont modifié le métier des météorologistes. Mais on peut penser que rien n’a eu autant d’impact que la mise au point et le perfectionnement des satellites environnementaux.

Depuis le lancement des premiers satellites d’étude de l’environnement il y a plus de 50 ans, les énormes progrès réalisés en termes de fiabilité, de couverture et de performance ont aidé à déterminer la composition de l’atmosphère en temps réel et à suivre l’évolution des phénomènes météorologiques dangereux comme on n’aurait jamais pu l’imaginer. La vaste coopération établie entre des partenaires d’Europe, d’Asie et d’autres continents perpétue la longue tradition de collaboration internationale dans le domaine de l’observation du temps et permet de mettre ces améliorations au service des populations dans le monde entier.

Et l’avenir semble prometteur. Les difficultés financières qui ont frappé de nombreux pays rendent difficile le maintien de la couverture satellitaire indispensable. Pourtant, les États-Unis d’Amérique et d’autres nations concernées n’ont pas remis en question la nécessité de préserver cette couverture au service de la prévision du temps et de la protection des personnes et des biens. La prochaine génération de satellites de la NOAA (JPSS et GOES-R) et le recours à de nouvelles technologies devraient, dans les décennies à venir, étendre encore les capacités des satellites environnementaux et améliorer sans cesse les prévisions météorologiques destinées au public.