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SWOT : l’eau de la Terre depuis l’espace

Publié le 19 décembre 2022

Placé sur orbite à 891 km, le satellite franco-américain SWOT (Surface Water Ocean Topography) mesure la hauteur des océans et surveille aussi les lacs, rivières ou fleuves. Une mission essentielle pour mieux comprendre le cycle de l’eau sur Terre.

L’agence spatiale française CNES et la NASA mènent ensemble depuis plusieurs décennies ce qu’on appelle des missions d’altimétrie spatiale qui visent à notamment mesurer précisément la hauteur des océans, un paramètre primordial afin de suivre le changement climatique. Avec SWOT, lancé le 16 décembre dernier, cette alliance scientifique franco-américaine se dote d’un outil révolutionnaire qui permet en plus de scruter une grande partie des eaux dites de surface, soit les lacs et cours d’eau.

L’eau douce sous le radar

L’outil révolutionnaire en question est le radar américain KaRIN (Ka-band Radar INterferometer), un des instruments du satellite de 2 tonnes dont la plateforme a été fabriquée en France pour le CNES par Thales Alenia Space. Son mode de fonctionnement donne à SWOT son apparence si particulière avec ses 2 grands mâts de part et d’autre du satellite, chacun doté d’un radar. Travaillant de concert, ils balayent notre planète sur une largeur de 120 km. La nouveauté réside dans la mesure de la hauteur des fleuves de 50 m et plus ainsi que celle des étendues d’eau de 250 m de côté minimum et plus. Cette capacité inédite concernant l’hydrologie continentale fait de SWOT une sorte de sentinelle de l’eau douce alors que les précédentes missions se focalisaient sur celle qui est salée, les océans. L’enjeu est bien évidemment un suivi des stocks d’eau, une information capitale pour la bonne gestion de cette indispensable ressource ainsi qu’une compréhension plus fine du cycle du précieux liquide sur Terre. Le CNES estime ainsi que SWOT mesurera la hauteur de 2 millions de lacs sur le globe.

Schéma de fonctionnement de l’instrument KaRIN de SWOT. Les 2 radars (qui émettent et reçoivent), dénommés Interferometer Antenna 1 et 2 sont situés au bout des mâts qui les séparent de 10 m.
© JPL/NASA

La mise à poste du satellite après son lancement le 16 décembre par SpaceX depuis la Californie a été contrôlée par le Centre Spatial de Toulouse du CNES. Ici, une répétition des procédures au mois d’octobre.
© CNES/Frédéric Lancelot

La mesure des océans

SWOT n’en oublie pas pour autant un grand classique de l’altimétrie spatiale : la hauteur des océans. Ici intervient également un autre altimètre, français, nommé Poseidon-3C qui donne en plus la hauteur des vagues et la vitesse du vent ! Doté d’une précision centimétrique, le satellite observera la dynamique océanique selon une grille de lecture de quelques dizaines de kilomètres. Outre une meilleure connaissance des courants, on sait que ce type de mesure est aussi un indicateur de premier choix pour suivre le changement climatique en cours. Concrètement, SWOT permettra de prévoir quelles zones en bordure des mers sont menacées par la montée des océans et ainsi de protéger les populations. Il ne s’agit là que d’un exemple parmi d’autres applications.

La hauteur du satellite en question

Le satellite franco-américain héberge d’autres instruments des 2 pays principalement conçus afin d’assurer sa redoutable précision de travail. Pour obtenir la hauteur d’un océan, il «suffit» d’évaluer la distance entre le satellite et la mer… Sauf que cette mesure isolée, aussi précise soit-elle, ne signifie pas grand-chose ! En effet, il convient de savoir tout aussi précisément la hauteur réelle du satellite qui peut connaître quelques variations. Et une variation d’un seul centimètre non perçue de l’altitude du satellite se traduit par une erreur équivalente dans la hauteur des océans ou des lacs. Pour éviter cela, SWOT est doté d’un GPS (ça marche dans l’espace !), d’un rétroréflecteur laser (qui réfléchit les tirs laser de stations au sol pour obtenir la hauteur du satellite) et du système de positionnement DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) développé par le CNES dès les années 1980. Au sol, des dizaines de stations émettent un signal radio que la balise DORIS embarquée utilise pour déterminer la position de SWOT. Enfin le radiomètre AMR (Advanced Mirowave Radiometer) fourni par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA détermine la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère, car sa concentration altère les mesures de KaRIN et Poseidon-3. l’AMR indique donc les correctifs à appliquer pour augmenter la précision de ces deux altimètres.
Après son lancement réussi du 16 décembre, SWOT est entré dans une phase de mise à post suivie d’une calibration de ses instruments afin de s’assurer de la précision de ses mesures. Au bout de quelques mois il pourra devenir, pour reprendre une expression du CNES, la «vigie des eaux».

En raison de la coopération franco-américaine sur SWOT, le lancement était à la charge de la NASA qui a confié la prestation à SpaceX. Le Falcon 9 de cette société dédié au satellite a décollé de la base de Vandenberg en Californie le 16 décembre 2022.
© NASA/Keegan Barber