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05/10/11
CNES - CNRS - IRD - Institut PSL

Megha-Tropiques, premier satellite pour l’étude du cycle de l’eau

Lancé le 12 octobre 2011 depuis l’Inde, le satellite Megha-Tropiques permettra pour la première fois d’étudier le cycle de l’eau atmosphérique et les échanges d’énergie dans les régions intertropicales. Menée en partenariat avec le CNES, le CNRS et de nombreux laboratoires français cette mission scientifique est l’aboutissement d’accords de coopération signés en 2004 entre la France et l’Inde.

Megha signifie nuage en sanskrit et s’ajoute au français tropiques pour identifier poétiquement une mission spatiale très originale. Megha-Tropiques propose une combinaison unique d’instruments dédiée à l’étude de l’eau atmosphérique, associée à une orbitographie particulièrement adaptée à l’étude des régions tropicales.

La mission Megha-Tropiques a été conçue pour étudier le cycle de l’eau atmosphérique et les échanges d’énergie du système Terre-océan-atmosphère dans les régions intertropicales, car ces régions reçoivent en moyenne plus d’énergie du Soleil qu’elles n’en renvoient vers l’espace. De ce fait, l’énergie excédentaire est transportée vers les régions tempérées et polaires par les mouvements de l’atmosphère et de l’océan. Toute modification du bilan énergétique des zones tropicales a donc des conséquences sur le climat de la planète toute entière. Cette mission va ainsi aider les chercheurs à mieux comprendre ces phénomènes qui ont des conséquences très importantes sur l’économie des pays tropicaux.

L’utilisation des activités spatiales s’attache à répondre aux besoins environnementaux du XXIe siècle. Mieux comprendre les mécanismes du climat tropical afin de mieux anticiper et gérer leur impact sur les populations (en particulier via les moussons et les cyclones) et les économies locales fait partie des préoccupations de l’Inde. Par ailleurs, le développement durable et la lutte contre le réchauffement climatique constituent un enjeu majeur sur lequel le CNES oriente son activité. La mission Megha-Tropiques issue de ces deux enjeux, témoigne ainsi de la volonté commune de développer des technologies spatiales pour la protection de notre planète.

Ce programme a été réalisé par le CNES (l’agence spatiale française) et l’ISRO (Agence spatiale indienne) suite à la signature, en novembre 2004, d’un Mémorandum d’accord de coopération relatif à cette mission, et en collaboration étroite avec les scientifiques français. De nombreux laboratoires français du CNRS préparent cette mission, dont le LMD, le LATMOS et le LOCEAN, tous trois de l’IPSL, le GET, le LTHE et le GAME.

Cette mission scientifique s’inscrit dans la thématique « Terre, environnement, climat », un des cinq axes stratégiques définis par le CNES. Initialement proposée par les scientifiques au séminaire de prospective de Saint-Malo en 1993, elle a été décidée par le CNES en octobre 2004. Acteur majeur dans l’observation de la Terre par satellite, le CNES s’impose dans ce domaine pour l’étude de l’environnement et du climat. Pour cela, il participe activement avec ses partenaires français, européens et internationaux, au développement des programmes destinés à mieux comprendre l’évolution du climat de notre planète.

LA MISSION MEGHA-TROPIQUES : INFORMATIONS TECHNIQUES

> Le satellite d’environ 1 tonne, sera mis en orbite par le lanceur indien PSLV depuis la base de Srihari kota en Inde. L’intégration du satellite est effectuée à Bangalore (Inde). Une fois en orbite, le satellite sera opéré par l’ISRO.

> Il est constitué d’une plate-forme indienne IRS et d’une charge utile comportant quatre instruments qui fonctionneront simultanément.

- Le radiomètre micro-ondes MADRAS, instrument principal de la mission, destiné à l’étude des précipitations et des propriétés des nuages, est réalisé conjointement par les agences CNES et ISRO. EADS-ASTRIUM a développé sous contrat CNES, les sous ensembles micro-ondes de cet instrument.

- Le sondeur micro-ondes SAPHIR qui restituera les profils de vapeur dans l’atmosphère entre 0 et 12 km est réalisé sous la responsabilité du CNES.

- L’instrument SCARAB qui mesurera les fllux radiatifs résultant du rayonnement solaire réfléchi au sommet de l’atmosphère et du rayonnement infrarouge émis par la terre vers l’espace a été réalisé également sous la responsabilité du CNES.

- Le récepteur GPS ROSA en radio-occultation fourni par l’ISRO, délivrera les profil de température et d’humidité dans l’atmosphère.

L’originalité de la mission Mégha-Tropiques

> les instruments micro-ondes, qui peuvent pénétrer les nuages, pourront fournir des mesures complémentaires avec une bonne répétitivité temporelle liée au choix de l’orbite (865Km, 20° d’inclinaison). L’orbite choisie permet d’obtenir 3 à 6 observations par jour de chaque point de la zone compris ente 25°N et 25°S.

> Un accord de coopération entre le CNES et la NASA visant à mutualiser les données scientifiques de Megha-Tropiques avec celles de la mission GPM - Global Precipitation Measurement a été signé à Washington le 8 septembre 2011. GPM sera une constellation dédiée à l’étude globale des précipitations, qui doit assurer à terme une couverture de la quasi-totalité de la planète. Un accord similaire doit être signé prochainement entre l’ISRO et la NASA. Cette coopération va décupler l’impact scientifique et la notoriété de Megha-Tropiques, qui va devenir d’une certaine façon le premier satellite de la constellation mondiale GPM (sachant cependant que la mission spatiale américano-japonaise TRMM, prédécesseur de l’Observatoire principal GPM, est toujours en exploitation).

>> Dans le détail

Inclinée sur l’équateur à 20°, la mission MT offre une revisite sans égal (jusqu’à 6 fois par jour) de la ceinture intertropicale. Les objectifs scientifiques de la mission s’articulent autour de trois grand axes : la mesure du bilan d’eau et d’énergie de la région tropicale, l’étude du cycle de vie des orages tropicaux et enfin la prévision météorologique des cyclones et autres évènements intenses. MT contribuera à améliorer l’estimation des précipitations, avec des applications attendues en hydrologie tropicale et pour le suivi du cycle de l eau continental.

Ces objectifs sont soutenus par l’accumulation des observations de 4 instruments aidés de la flotte des satellites météorologiques opérationnels pendant les 5 ans de durée initialement prévue de la mission. MADRAS est le principal instrument de la mission. C’est un radiomètre imageur micro-onde qui observe l’atmosphère avec un angle constant (conical scanning) dans plusieurs canaux polarisés situés dans différentes régions spectrales. Les 9 canaux de MADRAS couvrent les fréquences comprises entre 18GHz et 157 GHz, alternant les fenêtres atmosphériques avec les régions de forte absorption. L’utilisation principale de cet instrument est tournée vers l’estimation instantanée de l’eau atmosphérique précipitante dans les nuages sous forme solide (glace) et liquide (pluie). Un second radiomètre micro-onde est aussi embarqué, cette fois–ci dédié au sondage de la distribution verticale de l’eau sous forme vapeur de l’atmosphère. SAPHIR possède à cet effet 6 canaux situés sur les bords de la forte ligne d’absorption de la vapeur d’eau aux alentours de 183 GHz. La présence d’un receveur GPS permet de compléter ses sondages à l’aide de mesures par radio-occultation aux limbes du profil d’humidité par l’instrument ROSA. Finalement, le bilan d’énergie au sommet de l’atmosphère sera fermé par les mesures dans l’infrarouge et dans les ondes courtes du radiomètre à bandes large SCARAB.

Au contraire de nos latitudes, où nous possédons de nombreuses sources d’observations pour fermer le bilan d’eau et d’énergie, dans les régions tropicales, l’absence de réseaux opérationnels requiert l’utilisation de l’observation spatiale. La compréhension de l’équilibre énergétique du climat tropical est donc un défi pour les satellites. Cet équilibre est central à notre compréhension du climat de la planète entière et de son évolution future. C’est sous les tropiques que les échanges entre l’énergie du soleil, l’effet de serre et la libération de chaleur latente dans les orages tropicaux sont maxima et que les rétroactions climatiques du cycle de l’eau, importante pour le réchauffement climatique, sont à l’œuvre. Les observations de la mission Megha-Tropiques vont contribuer à contraindre les estimations des précipitations de surface. Pour cela, les mesures de MADRAS seront inversées en sous la forme de flux instantané d’eau à la surface et combinées aux mesures des satellites météorologiques géostationnaires afin de former des estimations des cumuls journaliers puis mensuels de précipitations. Les algorithmes d’inversion ont été développés par les chercheurs et ingénieurs du CNRS et les enseignants-chercheurs de l’UVSQ dans les laboratoires de recherche de l’IPSL. Ils sont implémentés dans le segment sol scientifique de la mission hébergée au Centre de Gestion et Traitement des Données du Pôle ICARE de l’Institut National des Sciences de l’Univers du CNRS et du CNES. De la même manière, une cartographie moyenne de l’énergie solaire entrante et de l’énergie infrarouge sortante au sommet de l’atmosphère sera construite en partenariat avec les équipes NASA. Ces deux principaux termes du bilan d’énergie du climat tropical compléteront les efforts de la communauté scientifique internationale, regroupé en particulier autour du programme mondial GEWEX. Une spécificité de la mission Megha-Tropiques consiste en la mesure simultanée de l’énergie infrarouge sortante et du profil d’humidité dans la troposphère. Cette combinaison instrumentale originale va permettre de surveiller l’effet de serre atmosphérique et d’explorer sa sensibilité à la distribution verticale d’humidité, élément encore méconnu des mécanismes d’amplification des réponses climatiques de la vapeur d’eau.

La mission Megha-Tropiques va permettre, en plus de l’élaboration de bilans à grande échelle important pour le climat tropical, d’explorer le fonctionnement de la machine atmosphérique en nous délivrant des informations cruciales sur la vie des orages tropicaux. Les nuages convectifs organisés naissent, grossissent, précipitent puis commencent à diminuer d’intensité, décroissent pour enfin se dissiper lentement dans l’atmosphère. La haute répétitivité des mesures de la mission offre une documentation précise de ces différentes phases caractéristiques des développements orageux. Ainsi, MT va nous renseigner sur les processus physiques à l’œuvre au cours de la vie des orages à l’aide d’une combinaison des mesures de MADRAS, SCARAB et des images des satellites géostationnaires. Il sera alors possible, pour la première fois, de contraster le déroulé du développement orageux d’une région à l’autre des tropiques. De comparer précisément par exemple, les orages de moussons avec les orages océaniques. D’évaluer l’importance de la distribution verticale d’humidité mesurée par SAPHIR sur les développements de nuages convectifs au sein de la ceinture intertropicale et en particulier de mieux comprendre le rôle de l’air sec dans ces développements.

Un meilleur suivi des précipitations tropicales, de l’échelle du système pluvieux aux estimations globales, nous aidera à mieux contraindre le bilan d’eau continental, dans des zones souffrant actuellement d’un déficit chronique d’observation pluviométrique ( le bassin amazonien et le sahel sont deux exemples contrastés de zones très vulnérables à la variabilité pluviométrique, et mal couvertes par les réseaux pluviométriques opérationnels). La pluie est une entrée principale des modèles représentant le fonctionnement des surfaces continentales, les écosystèmes, l’hydrologie ; modèle que des observations spatiales des différents compartiments du cycle de l’eau, contribuent à améliorer. Les observations MT devraient nous aider à mieux comprendre et appréhender les risques liés à la variabilité pluviométrique , que le lien avec la pluie soit immédiat comme pour les inondations, ou plus indirect comme pour la propagation des maladies à vecteurs...

Si les deux premiers objectifs de la mission relèvent principalement d’un effort de recherche tourné vers la communauté des chercheurs, le troisième axe de travail concerne la météorologie opérationnelle. La mission MT va en effet délivrer ses observations en temps réel auprès des agences météorologiques du monde entier. L’apport des observations spatiales est déterminant pour la prévision dans les tropiques ou peu d’observations conventionnelles sont disponibles. Les observations de MADRAS et de SAPHIR y seront assimilées par les modèles de prévision numérique du temps. La communauté de la météorologie opérationnelle et en particulier les centres de prévision cyclonique tout autour des tropiques attendent MT avec impatience. La cellule de Recherche Cyclonique de l’Ile de la Réunion, structure conjointe à l’INSU du CNRS et à METEO-FRANCE est très active dans ce domaine et prévoit une utilisation systématique des observations de MT dans leur modèle de prévision à haute résolution spatiale pour la région de l’Océan Indien.

Aucun de ses objectifs scientifiques ne sauraient être atteints sans que l’ensemble des instruments et des produits issus de ces mesures ne fussent validés. Peut être pour la première fois dans l’histoire de l’observation de la terre, une mission ne passera pas au dessus de la majeure partie de l’un des pays qui la réalise ! La phase de validation est par conséquent très particulière car elle se déroule hors de la métropole, dans les Tropiques. A ce titre la mission MT est encore une fois originale ! En plus d’utiliser les radars guyanais et antillais pour contrôler nos estimations de la pluie, un plan de validation tropical de grande ampleur est en cours de mise en oeuvre. L’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) fort de ses infrastructures tropicales et de son réseau de partenaires au Sud porte cet effort. Le principal aspect consiste en la construction d’un super site, en Afrique de l’Ouest, composé d’un radar polarimétrique et d’observations raffinées de la vapeur d’eau atmosphérique. Le site sera opéré pendant plusieurs saisons des pluies de mousson par les chercheurs du GET et du LTHE, et le personnel IRD déployé pour l’occasion au Burkina-fasso pour offrir un ensemble d’observations à même de qualifier les produits satellites. Ce super site burkinabè complète les observatoires hydrométéorologiques IRD du Niger et Bénin. Le deuxième effort consiste à exploiter conjointement avec nos collègues indiens, un bassin instrumenté du Sud de l Inde où le réseau pluviométrique densifié sera utilisé pour la validation des précipitations. En complément de ces deux principales actions, notons la participation à des croisières océaniques ainsi que de nombreuses activités collaboratives au Brésil. Le programme de validation va occuper l’équipe scientifique pendant les prochains 18 mois de manière intensive et permettre la mise à disposition de la communauté scientifique des observations qualifiées et facilement exploitable pour l’étude du climat tropical.

Là où d’autres missions s’adressent à un petit groupe d’experts, MT se démarque encore. Le groupe scientifique international de la mission, construit 2 ans avant le lancement, concerne 21 équipes issues de 11 pays et recouvrent plus de 100 chercheurs et ingénieurs ! Parti d’une initiative indienne et française, la mission possède clairement une dimension mondiale qui s’est récemment renforcée à la signature officielle de la participation de MT à l’effort nippo-américain GPM. Cette très large adhésion de la communauté scientifique augure des discussions stimulantes et une exploitation scientifique très complète à la hauteur des enjeux pour le climat et la météorologie tropicale.

>> Pour télécharger la présentation de Megha-Tropiques :
http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/6115-communiques-de-presse.php