Les satellites mesureurs des océans

Document extrait du cédérom “Les Géonautes enquêtent sur les océans”, OCA/CNES © 2000
Les satellites mesureurs des océans
Introduction
Issu d’une coopération franco-américaine, le satellite TOPEX/Poséidon a été
placé sur orbite par la fusée Ariane 4 (vol 42) en 1992. L’objectif de cette
mission est de mesurer la hauteur des océans avec une précision centimétrique.
Ce satellite a une orbite de 1336 kilomètres d’altitude, et une inclinaison de
66 degrés par rapport à l’équateur. Il fournit des mesures très précises de la
hauteur de mer tous les 7 kilomètres, le long de sa trajectoire. Après avoir
effectué 127 tours, le satellite repasse autour des mêmes points à 1 kilomètre
près tous les 10 jours, en se déplaçant à une vitesse proche de 28 000
kilomètres par heure.
Un instrument de haute précision : l’altimètre
L’instrument utilisé pour effectuer les mesures est un altimètre. Celui-ci émet
une onde radar d’environ 13 Giga Hz (pour comparaison, la radio FM utilise des
ondes de fréquence proche d'une centaine de Méga Hz) qui se réfléchit sur la
surface de la mer et est renvoyée vers le satellite. La mesure du temps allerretour et l’analyse de la forme de l’onde reçue par le satellite permettent
respectivement de déterminer la distance entre le satellite et la surface de la
mer ainsi que l’estimation de la hauteur des vagues. Ayant par ailleurs calculé
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l’altitude du satellite, la hauteur de la surface de la mer par rapport au centre
de la Terre à l’instant de la mesure est déduite de la soustraction suivante :
altitude du satellite - distance mesurée. La précision instantanée de la mesure
est de 2 à 3 centimètres. La précision de l’orbite est l’un des domaines qui a
connu les progrès les plus importants ces dernières années, permettant de
passer d’une précision d’un demi-mètre dans les années 80 (Seasat, Geosat) à
2 à 3 centimètres dans le cas du satellite TOPEX/Poseidon (lancé en 1992).
Cette extrême précision nécessite la prise en compte des éléments
perturbateurs qui faussent la propagation de l’onde radar donc la mesure, que
sont : la quantité d’électrons présents dans la ionosphère, la pression
atmosphérique, ainsi que la vapeur d’eau. La concentration de cette dernière est
mesurée par un radiomètre installé sur le satellite. Il s’agit ensuite d’appliquer
les corrections à la mesure de distance effectuée par l’altimètre radar.
Les systèmes de positionnement
L’incertitude sur la position du satellite a longtemps limiter les performances des
systèmes altimétriques. La mesure altimétrique de distance entre le satellite et
l’océan, réalisée à 2-3 centimètres près, nécessite une localisation très précise
du satellite par rapport à la Terre. Grâce au système DORIS et à la télémétrie
laser, la position du satellite est connue en permanence à 3 centimètres près,
contribuant ainsi pour une large part, à la réussite de la mission
TOPEX/Poséidon.
À titre expérimental, un récepteur GPS (système de positionnement américain) a
été placé sur TOPEX/Poséidon : il permet d’obtenir sa position par rapport aux
autres satellites de la constellation GPS. En combinant tous leurs résultats, on
obtient la position précise du satellite.
Le mouvement du satellite artificiel
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Entre le satellite et la Terre, une force mutuelle et invisible agit : l’attraction
due à la gravité. Le satellite n’a pas de moteur et c’est l’attraction terrestre qui
lui permet de décrire sa trajectoire autour de la Terre. En effet, la gravité
force le satellite à “ tomber ” sur la Terre, mais grâce à la grande vitesse
horizontale qui lui a été donnée par le lanceur, lors de la mise en orbite, il peut se
maintenir “en l’air”. Le satellite devient donc “ captif ” de la Terre par la
combinaison de l’impulsion de départ et de l’attraction terrestre. Cette simple loi
permet de calculer le mouvement du satellite artificiel avec une précision de
l’ordre du kilomètre (ce qui n’est bien sûr pas suffisant dans le cas des satellites
altimétriques). Le satellite subit d’autres petites forces (dites non
gravitationnelles), qui vont modifier sa trajectoire comme celle du freinage due à
l’atmosphère terrestre qui, de densité beaucoup plus faible, existe encore à près
de 1000 kilomètres d’altitude et plus. Ce freinage conduit à une diminution de
l’altitude du satellite : c’est pourquoi TOPEX/Poséidon a une orbite inhabituelle
de 1336 kilomètres (contrairement aux autres satellites océanographiques placés
à 800 kilomètres environ), ceci afin de limiter le freinage engendré par
l’atmosphère. Tous les satellites situés en dessous de 10 000 kilomètres
retomberont donc un jour sur Terre, après une longue vie spatiale (environ
1000 ans pour un satellite comme TOPEX/Poséidon), mais ils seront brûlés avant
même de toucher le sol à cause de l’échauffement intense dû au freinage dans
les basses couches de l’atmosphère.
Vénus déshabillée par l'altimétrie radar
L'altimétrie radar n'est pas une technique seulement réservée à
l'étude du “ relief ” des océans. Sa capacité à mesurer une
topographie continentale a été utilisée dès 1978 pour déterminer
celle de la planète Vénus grâce à un radar embarqué à bord de la
sonde spatiale Pioneer Venus (États-Unis). Cette planète,
considérée comme la sœur jumelle de la Terre par sa masse et sa
taille, nous cache la nature de son sol et de son relief par une
épaisse couverture nuageuse. C'est en 1990 que la mission Magellan
(sonde spatiale américaine) mettra à nu cette pudique planète
dévoilant 98 % de son relief grâce à un altimètre radar. La sonde
Magellan fut nommée ainsi en hommage au célèbre navigateur portugais qui, lors
de son tour du monde au début du XVIe siècle, révéla la diversité des paysages
sur Terre ainsi que la répartition des océans et des continents. Cette mission
spatiale a, à elle seule, récolté plus de mesures que toutes les autres missions
planétaires réunies ; elle a permis d'apporter de nombreuses informations sur
cette planète et d'établir une carte détaillée du sol vénusien avec une précision
d'une centaine de mètres sur l'altitude des reliefs. Le paysage de Vénus est
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globalement assez plat (en moyenne de l'ordre de 1000 mètres) et est composé
de cinq continents principaux séparés par de larges et profonds bassins
parsemés d'îles. Mais ces bassins ne contiennent pas d'eau car il règne une
température élevée à la surface de Vénus (400 degrés Celsius), due à l'effet de
serre engendré par la très forte concentration de gaz carbonique dans son
l'atmosphère. Par ailleurs, des reliefs relativement élevés existent (jusqu'à
12000 mètres pour le mont Maxwell). Ils sont situés près du pôle Nord. Au sud
s'étend une zone sillonnée de grandes failles.
Les satellites altimétriques peuvent eux aussi contribuer à la connaissance du
relief terrestre car des radars continuent les mesures lorsqu'ils survolent les
terres. C'est ainsi que les données du satellite ERS-1 (Agence Spatiale
Européenne) ont été utilisées pour déterminer le relief de certaines régions pour
lesquelles la topographie était peu voire mal connue (zones désertiques, calottes
polaires). La précision n'est pourtant pas aussi bonne que pour les océans et est
souvent de l'ordre de un à quelques mètres.
Bibliographie
BT (Bibliothèque de Travaille) TOPEX/Poséidon, mesureur des océans, édition
PEMF, n° 1103, décembre 1998.
La mesure : Science et Philosophie, de Jean Perdijon, Collection Dominos, n° 186.
Le point sur… Sciences de la terre I, Géophysique, terre solide et océans,
Edition scientifiques et médicales, Elsevier SAS 2000.
Les planètes et leur environnement, de Daniel Benest, Claude Froeschlé, François
Barlier, Michel Blanc, Sylvestre Maurice, Jean-Paul Parisot, Jean-Pierre
Peulvast, et Françoise Suagher, Hachette.
Longitude, de Dava Sobel, Edition Lattes, Collection Points Science.
Newton et la mécanique céleste, de JP Maury, Collection Gallimard Découvertes,
n° 91.
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