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Dossier Océanographie opérationnelle

Observation de l'océan depuis l'Espace

Mars 2005 - Dernière mise à jour : Mars 2017

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

La période actuelle, dont cette page s'efforce de rendre compte, met en évidence la transition toujours délicate des missions expérimentales consacrées au progrès des connaissances vers les applications opérationnelles des résultats acquis. Pour avoir une idée de ces applications voir la News 2014 : Un point sur les satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie en 2014 et la News 2016 : Lancement de Jason-3- Le point sur l'altimétrie au 18/01/2016

Envisat Source ESA et Jason2 Source CNES

Le tableau ci-dessous 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 et page AVISO Alimetry).

Paramètre mesuré 

Instruments

Mission

Température de surface (plusieurs systèmes complémentaires) 

Radiomètres infrarouge ou micro-onde

AVHRR sur satellites NOAA, ATSR  sur satellites ERS-1 &2, puis sur ENVISAT lancé en 2002 (précision 0,5°K, ou mieux)

À partir d'avril 2014, SLSTR/Sentinel 1A  qui sera suivi par une constellation de satellites Sentinel  qui donneront des images radar de la surface de la Terre, de jour comme de nuit, et quelles que soient les conditions météorologiques. (plus de détails ci-dessous)

Topographie océanique (au moins 2 missions complémentaires) 

Radar Altimètre ET orbitographie de précision 

TOPEX-Poséïdon avec DORIS, complété par l'altimètre d'ERS -1 & 2.

Jason-1 (décembre 2001) & Jason 2 (juin 2008), complétés par l'altimètre d'ENVISAT, puis Jason 3 (janvier 2016).

En avril 2010,SIRAL-2  surCryosat 2, mission d'abord conçue pour la mesure des variations d'épaisseur de glace aux pôles (continentale et banquise).

Février 2013,Altika/SARAL (altimètre large bande, 500MHz à 35,75 GHz)  

En début 2016, Sentinel 3 A et en 2017, 3 B (altimètre bi-fréquence dans les deux bandes : 12-18 GHz et 4 - 8 GHz) 

À partir de 2020, une mesure altimétrique étendue en surface de part et d'autre de la trace sous satellite, à l'aide du nouveau système spatial SWOT.

Vent de surface (2 missions complémentaires)  

Diffusiomètre SAR

AMI d'ERS-1&2 + NSCAT/ADEOS1, QuickSCAT (en fin de vie), SEAWIND/ADEOS2 +ASCAT/METOP (METOPA lancé en 2006 et METOPB lancé en 2012) +SCAT/Oceansat depuis 2009

CFOSAT satellite héliosynchrone franco-chinois prévu en 2018 avec un radar diffusiomètre bande Ku et un radar altimétrique SWIM .

Couleur (=indicateur de l'activité biologique...) 

Radiomètre dans le visible & l'IR.

OCTS &, POLDER/ADEOS-1&2 SeaWIFS sur SEASTAR, MERIS sur ENVISAT; OCM sur Oceansat, satellite indien lancé en septembre 2009;

OLCI sur Sentinel 3 A en début 2016 et Sentinel 3B en 2017

Salinité de surface

Radiomètre interférométrique en bande L.

SMOS a été mis en orbite le 2 novembre 2009. Aquarius entièrement dédié à la mesure de salinité de surface, satellite de la NASA qui a été lancé en juin 2011.

Ce tableau ne prétend pas être exhaustif. 

Le site internet OSCAR de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale) donne la liste complète de tous les programmes satellites passés, en service et à venir. à vocation météorologique et observation de la Terre. Cette base de donnée unique fournit aussi le détail des programmes et des instruments de mesure.

http://www.wmo-sat.info/oscar/satelliteprogrammes

Ce tableau appelle plusieurs observations :

Les données issues des mesures spatiales sont transmises en temps réel aux centres d'exploitation qui les rediffusent aux laboratoires et centres opérationnels. =>Plus de détails sur Copernicus.

Pour la partie observation spatiale de l'océan, plusieurs organismes mettent à la disposition des utilisateurs les données en temps quasi réel, en particulier pour le Marine Core Service de Copernicus opéré par Mercator Ocean.  Il s'agit du Cnes via AVISO, du SAF Océan et glaces de mer, sans oublier le CERSAT, centre de traitement de données de l'Ifremer.

Exemple de cartographie de l'océan 

   

Topographie dynamique absolue - 2 février 2009 - Source Aviso     Température de surface 4 février 2009 - Source Mercator

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 aux profils de température et de salinité en fonction de la profondeur. Combinées à la topographie mesurée par satellite, ces deux grandeurs fondamentales de l'océanographie physique 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 :

Sur ce site :

Lancement de Jason-3- Le point sur l'altimétrie au 18/01/2016

Un point sur les satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie en 2014

Année 2012 : de nouveaux satellites disponibles pour la météorologie et l'océanographie-Perspectives 2013 et au-delà.

En bonne posture pour observer la Terre sur le long terme 2010

SMOS : "Soil Moisture and Ocean Salinity" - Humidité des sols et salinité des océans 2009.

Quelles sont les variations actuelles du niveau de la mer ? Observations et causes - 2012.

Sur internet

Aviso Users News Letter de juillet 2016 : panorama des diverses missions d'altimétrie spatiale, passees, presentes, et futures (SARAL, Jason , Hy2A, Cryosat 2, CFOSAT etc.

http://..aviso-techniques.html

http://smsc.cnes.fr/...

http://www.esa..the_Earth 

https://sealevel.jpl.nasa.gov/

Quelques définitions (extraites de la page glossaire)

Hauteur (topographie) dynamique

Élévation locale du niveau de l’océan par rapport à une immersion de référence où le courant géostrophique est supposé nul (ou faible). Le plan horizontal à cette immersion est alors considéré comme une surface isobare (l’absence de gradient horizontal de pression implique un courant nul). Entre deux stations hydrologiques donnant la répartition de la densité jusqu’à cette immersion, la station présentant la densité moyenne la plus faible (sur toute cette profondeur) aura en surface une hauteur dynamique plus grande. À cette station, la surface de la mer se trouve à une altitude plus grande que celle de la seconde. Ainsi les thermographies satellitaires permettent de définir aisément la topographie dynamique des tourbillons océaniques. Un tourbillon «froid» (températures centrales plus basses que sur les bords), a les eaux les plus denses au centre. Ainsi on a un «creux» de la topographie (équivalent à un centre de basses pressions atmosphérique) et le tourbillon est cyclonique. À l’inverse, un tourbillon «chaud» est anticyclonique car il est caractérisé par une «bosse» de cette topographie (centre de hautes pressions). 

La hauteur dynamique est une "grandeur intégrale", représentative de toute la colonne d'eau: une carte de ce paramètre océanique, (c a d la "topographie dynamique"), permet de déduire les courants géostrophiques, (comme on le fait, pour les champs de vents, à partir des cartes de pressions atmosphériques). Les satellites altimétriques exploitent cette particularité pour observer en quelque sorte "sous la surface"... ce qui explique l'importance de cette technique d'observation.

 

Hauteur significative des vagues

La hauteur significative est une quantité statistique utilisée pour caractériser l'état de la mer. Elle est souvent abrégée en Hs ou H1/3 (ou SWH : Significant Wave Height en anglais). Elle représente la moyenne des hauteurs (mesurées entre crête et creux) du tiers des plus fortes vagues.

 

Chlorinité, Salinité

Teneur en chlore de l’eau de mer. On a longtemps évalué la salinité de l’eau de mer en mesurant, par des méthodes chimiques, sa chlorinité et en faisant l’hypothèse, vérifiée avec une bonne précision, d’un rapport constant entre salinité et chlorinité. Les chlorures représentent 88,7 % de la salinité, les sulfates 10,8 % et les autres sels 0,5 % ; cette constance dans les rapports est dite loi de Dittmar, chimiste anglais qui analysa les échantillons d’eau collectés par le Challenger. Cette constance est à rapprocher de celle du rapport oxygène/azote de l’atmosphère. Ainsi la salinité est la masse de sels contenus dans un kilogramme d’eau de mer ; elle est, en moyenne pour l’ensemble des océans et mers, de 35. 
La mesure de la salinité s’effectue maintenant par conductivité. Aussi, les nouvelles conventions internationales recommandent l’UPS (unité pratique de salinité, PSU en anglais) Certains auteurs l’expriment en UPS (unité pratique de salinité) à peu près égale à 1 mg de sels dissous par gramme d’eau de mer. Il est ainsi conseillé de ne plus la faire suivre d’unités ; on écrira donc une salinité de 35,25.

Voir aussi ce document.

Géoïde

Forme qu’adopterait la surface de la mer en l’absence de toute perturbation (marée, vent, courant, etc.). Le géoïde reflète la gravité de la Terre, avec des irrégularités sur des grandes distances (cent mètres sur des milliers de kilomètres) dues aux inhomogénéités de l’intérieur de la planète (croûte, manteau, noyau). D’autres irrégularités, moins hautes (un mètre) et s’étendant sur de plus petites distances reflètent le relief des fonds océaniques.