Les satellites ` a l’´ echelle globale

De nombreux satellites ont ´et´e lanc´es depuis 1960 pour observer la Terre. Le premier satel- lite op´erationnel se nommait TIROS-1 (Television InfraRed Observation Satellite lanc´e par la NASA) avec comme objectif l’observation de la couverture nuageuse. Malgr´e sa courte dur´ee de vie (78 jours), de nombreuses photos et vid´eos de la Terre ont pu ˆetre transmises aux m´et´eorologues am´ericains afin d’am´eliorer leurs pr´edictions. La d´emonstration de la faisabilit´e d’un tel satellite et de l’utilit´e de ses images fut un succ`es.

Les premiers satellites d´edi´es `a l’observation de la Terre n’utilisaient que quelques bandes de fr´equence pour acqu´erir des informations. La gamme de fr´equence observ´ee est tr`es large et chaque bande de fr´equence correspond `a une utilisation particuli`ere. La t´el´ed´etection est la me- sure de l’´energie ´emise ou r´efl´echie par tout corps, `a la surface de la Terre ou dans l’atmosph`ere. Cette mesure est caract´eris´ee par une longueur d’onde et une puissance. Les capteurs embarqu´es `

a bord des satellites mesurent la quantit´e d’´energie que leur apporte ce rayonnement dans un angle de vue instantan´e et `a une fr´equence donn´ee.

Les ondes qui composent le spectre ´electromagn´etique (figure 1.5) ne peuvent ˆetre utilis´ees pour l’observation de la surface de la Terre que dans des gammes du spectre (fenˆetres) dans lesquelles l’atmosph`ere n’interf`ere pas excessivement. Si le passage d’une onde `a travers l’at- mosph`ere est trop alt´er´e, aucune information utilisable pour la surface ne pourra ˆetre retir´ee de cette acquisition. Il existe plusieurs fenˆetres exploitables pour l’observation de la Terre :

– la gamme du visible : zone qui comprend la gamme des longueurs d’onde correspondant `a la vision humaine (0.4 − 0.7 µm) et celle du proche infrarouge (0.7 − 1.1 µm), la source du rayonnement est la lumi`ere r´efl´echie du soleil (rayonnement solaire allant de 0.4 `a 2 µm), il est donc uniquement possible d’acqu´erir des informations en journ´ee et lorsqu’il n’y a aucun nuage.

– le domaine de l’infrarouge thermique : zone qui s’´etend de 7 `a 25 µm. Ce rayonnement transf`ere la chaleur de l’objet observ´e et sa longueur d’onde d’´emission maximale est fonction de sa temp´erature. Ce transfert de chaleur peut ˆetre capt´e de jour comme de nuit car il est ´emis naturellement et n’a pas besoin de l’´eclairement du soleil `a condition qu’il n’y ait pas de nuage.

– le domaine micro-onde : zone qui correspond `a une gamme de longueur d’onde de 25 µm `

a 300 mm.

En utilisant le domaine micro-onde du spectre ´electromagn´etique, on observe des ph´enom`enes qui sont compl´ementaires de ceux observ´es dans les fr´equences plus ´elev´ees. En effet, les inter- actions micro-ondes sont en g´en´eral gouvern´ees par des param`etres physiques diff´erents de ceux

Contexte 7

Figure 1.5 – Spectre ´electromagn´etique, source web : NASA (2008).

qui sont observ´es dans d’autres bandes spectrales.

Par exemple, la quantit´e d’´energie micro-onde rayonn´ee par une feuille verte est reli´ee `a sa taille, sa forme et son contenu en eau plutˆot que son contenu en chlorophylle (”verdure” qui est observable dans le visible). Les faibles fr´equences micro-ondes ont d’autres avantages : elles ne sont pas alt´er´ees par les nuages et elles peuvent ´egalement p´en´etrer les premiers cen- tim`etres du sol (jusqu’`a quelques m`etres dans des circonstances tr`es particuli`eres). A contrario, les plus grandes fr´equences micro-ondes permettent d’observer l’eau dans les nuages (pour les pr´ecipitations). Les micro-ondes sont naturellement ´emises par la nature, il n’est donc pas n´ecessaire de poss´eder une source ´emettrice et il est ainsi possible d’observer la Terre mˆeme de nuit, on parle alors d’observation passive. A contrario, il est possible d’observer la Terre de mani`ere active, c’est `a dire que l’instrument d’observation poss`ede sa propre source ´emettrice et mesure sa r´eflexion, on parle alors de t´el´ed´etection hyperfr´equence active ou radar.

Il existe ´egalement des d´esagr´ements dans l’utilisation des micro-ondes. Le probl`eme le plus important se situe au niveau de la technique lors de la conception de l’instrument qui va acqu´erir les informations. En effet, le diam`etre de l’antenne est proportionnel `a la longueur d’onde `a r´esolution constante. Pour une mˆeme r´esolution instrumentale, le diam`etre d’une antenne en micro-onde serait th´eoriquement 10.000 fois plus grande qu’une antenne en visible (optique) puisque la longueur d’onde passe de 1 µm `a 1 cm, ce qui correspondrait `a une antenne de plusieurs m`etres de diam`etre. Mˆeme s’il est possible de construire de telles antennes sur Terre, il est cependant techniquement difficile d’envoyer de telles structures en orbite pour observer la Terre. La technique de l’interf´erom´etrie a alors ´et´e d´evelopp´ee et cela a permis par la suite de r´eduire la taille de l’instrument `a envoyer en orbite et a ainsi donn´e naissance au concept du satellite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity, Kerr et al. (2001)). La mission SMAP (Soil Moisture Active Passive, O’Neill et al. (2010)) rel`evera le d´efi d’envoyer en orbite une structure de plusieurs m`etres de diam`etre avec la forme d’un parasol en 2014.

Le tableau suivant donne une correspondance entre les fr´equences et les longueurs d’onde dans le domaine des micro-ondes. La gamme de fr´equence a ´et´e d´ecoup´ee en plusieurs parties

et chaque section correspond `a une lettre :

Bande Fr´equence Longueur d’onde Bande Fr´equence Longueur d’onde

L 1-2 GHz 30-15 cm Q 33-50 GHz 9.1-6 mm S 2-4 GHz 15-7.5 cm U 40-60 GHz 7.5-5 mm C 4-8 GHz 7.5-3.75 cm V 50-75 GHz 6-4 mm X 8-12 GHz 3.75-2.5 cm E 50-90 GHz 6-3.3 mm Ku 12-18 GHz 2.5-1.6 cm W 75-110 GHz 4-2.7 mm K 18-26.5 GHz 16.6-11.3 mm D 110-170 GHz 2.7-1.8 mm Ka 26.5-40 GHz 11.3-7.5 mm

Bien que de nombreux satellites ont d´ej`a permis d’estimer l’humidit´e des sols depuis la fin des ann´ees 1970, SMOS est le premier satellite `a avoir ´et´e sp´ecialement con¸cu pour l’humidit´e des terres ´emerg´ees, en utilisant la fr´equence d’acquisition la plus adapt´ee `a l’observation de cette variable : 1.4 GHz (Kerr et al., 2001, 2010). Il embarque un radiom`etre interf´erom´etrique qui mesure la coh´erence entre les 69 antennes plac´ees sur les trois bras du satellite. Cette technique permet d’acqu´erir des informations `a diff´erents angles d’incidence. Cette multi-angularit´e permet de diff´erencier les effets de la v´eg´etation des effets dus `a l’humidit´e sur le signal acquis.