TOPEX-POSEIDON, est un satellite d'océanographie spatiale, développé et exploité dans le cadre d'un accord de coopération entre le CNES et la NASA conclu en 1987.Depuis son lancement en 1992, ce satellite d'altimétrie radar qui fournit des données permettant d'étudier les courants marins, la topographie océanique ainsi que l'état de la mer, a permis des résultats de la plus grande importance scientifique . Ont notamment été mis en évidence, avec une précision jamais atteinte jusque là, divers phénomènes liés aux variations de niveau des océans, ou la capacité de prévoir certains évènements climatiques, comme cela a été le cas dès mai 1997 pour le El Niño extrêmement intense qui a lieu actuellement.
Alors que le satellite TOPEX-POSEIDON a dépassé sa durée de vie maximale, avec plus de cinq ans en orbite, un nouveau satellite, Jason-1 plus petit (moins de 500 kg), mais aussi performant, est en cours de développement par le CNES et la NASA, pour un lancement dont la date est fixée à mai 2000.
Au-delà des programmes TOPEX-POSEIDON et Jason-1, l'océanographie spatiale est une activité en plein développement dont les perspectives scientifiques notamment pour l'étude du climat, mais aussi, à terme, les implications opérationnelles pour la prévision des conditions océaniques, constituent un enjeu primordial.
Le rôle des océans dans l'évolution du climat et de l'environnement terrestre constitue une des grandes questions auxquelles l'humanité est confrontée. Depuis 1992, le satellite franco américain TOPEX-POSEIDON a permis d'avoir, tous les 10 jours, une vision globale de la circulation océanique. Les océans transportent et échangent avec l'atmosphère de colossales quantités de matière (vapeur d'eau, gaz carbonique...) ou d'énergie (chaleur, quantité de mouvement).
Dans le passé, leur niveau moyen s'est abaissé, lors des grandes glaciations (ou élevé, lors des périodes de réchauffement) de plusieurs dizaines de mètres.
Leur masse représente 300 fois celle de l'atmosphère, ils ont une capacité de stockage de la chaleur 1200 fois plus grande; et ils contiennent 70 fois plus de carbone.
Les océans fluctuent à toutes les échelles de temps et d'espace, de quelques heures à quelques centaines d'années, de quelques kilomètres à quelques milliers de kilomètres, affectant ainsi à des degrés divers l'environnement terrestre. La houle, les cyclones, les marées, dont on connaît les conséquences sur le milieu marin, furent parmi les premiers phénomènes directement observables.
Un autre exemple fameux de l'influence des océans sur l'environnement est fournie par
les "grands courants de bord Ouest", comme le Gulf-Stream sur l'Atlantique nord
ou Le Kuroshio sur le nord Pacifique. Ces courants naissent sous l'influence combinée de
la rotation terrestre, des vents, et des flux de chaleur à l'interface
océan-atmosphère.
Ils génèrent eux-mêmes des tourbillons d'environ 100 km de diamètre qui véhiculent
eux aussi des énergies importantes.
Le Gulf-Stream peut se comparer à une canalisation de chauffage central (de 100 km de largeur et de 1 km d'épaisseur), dans laquelle l'eau circule en surface à la vitesse de 80 Km/jour. Cette vitesse de déplacement fut mise à profit par les premiers navigateurs au cours de leur traversée vers l'Europe. L'énergie ainsi transportée de l'équateur vers le pôle est celle que fourniraient environ 1.500.000 centrales électriques de 1300 MW. Le climat tempéré européen bénéficie largement de cet apport de chaleur marin. Ayant traversé l'Atlantique Nord en quelques mois, l'eau tropicale de surface s'est refroidie et évaporée tout au long de son périple de quelques 4000 km. En arrivant dans la zone sub-articque, une partie de cette eau va repartir en surface vers le sud et rejoindre l'équateur pour se recharger à nouveau en chaleur, une autre partie se refroidit assez pour plonger vers le plancher océanique, et entreprendre un tour du monde qui va durer quelques centaines d'années : Elle rejoint le fameux tapis roulant ("conveyor belt") que les océanographes appellent circulation thermohaline.
L'océan connaît également des variations à l'échelle de la saison, liées aux variations d'intensité des vents et au refroidissement ou au réchauffement solaire des eaux aux différentes saisons. Il existe ici un lien direct entre saisons océaniques et saisons atmosphériques avec toutefois un décalage en temps de quelques 3 mois, du au temps de réaction des masses d'eau océaniques aux changements atmosphériques (c'est ainsi que l'été "océanique" a lieu pendant l'automne).
Ce cycle saisonnier peut lui-même être perturbé par des événements annuels inhabituels. Le déséquilibre qui s'en suit peut alors avoir des conséquences importantes sur le climat et donc sur les activités humaines socio-économiques. C'est le cas du phénomène El Niño consécutif à un fort affaiblissement des alizés sur le Pacifique équatorial.
Le transfert des masses d'eaux chaudes vers l'Est et les trains d'onde associés qui en découlent entraînent un dérèglement complet du système climatique à l'échelle du bassin Pacifique (sécheresses à l'est, précipitations à l'ouest), mais également à l'échelle globale via les hautes couches de l'atmosphère transitant autour du globe. C'est ainsi que de telles anomalies sont également observées sur les autres bassins océaniques. Le couplage océan-atmosphère qui fait intervenir des dynamiques et des échelles différentes atteint ici toute sa complexité.
Ces quelques exemples illustrent toute la difficulté de bien appréhender le milieu
océanique, son interaction avec l'atmosphère (et avec les terres émergées) et donc ses
conséquences sur le climat.
Des progrès énormes ont été réalisés ces trente dernières années en particulier
grâce à l'avènement de nouveaux outils d'observation, les satellites, qui ont offert
une vision globale, continue et homogène des océans. En parallèle se développaient de
nouvelles techniques de mesure in-situ plus performantes.
Les différentes étapes de la démarche "Observer, comprendre, prévoir" ont ainsi été franchies en relativement peu de temps grâce à l'acquisition de ces données. Les modèles numériques ont ici un rôle prépondérant à jouer. Eux seuls permettent une interpolation horizontale, verticale et temporelle des phénomènes observés et leur extrapolation vers le futur.
Des modèles de l'océan mondial, à haute résolution, sont en cours de développement, s'appuyant sur des expériences de modélisation plus régionales. S'agissant de phénomènes chaotiques, les observations, quant à elles, sont nécessaires d'abord pour mieux décrire la physique complexe qui intervient, ensuite pour initialiser et "recaler" régulièrement la trajectoire des modèles.
Une telle démarche intégrée, conjuguant modèles numériques, observations spatiales, et mesures in situ, ouvre la voie à l'océanographie opérationnelle, capable de fournir des prévisions réalistes de la dynamique des masses océaniques (que l'on appelle la circulation océanique), à l'échelle globale ou régionale, pour des périodes de quelques semaines à quelques mois. Les futurs modèles couplés océan-atmosphère permettront alors de produire des prévisions climatiques réalistes sur plusieurs mois.
Le volet "observations spatiales" d'un tel système intégré s'appuie en particulier sur le satellite dédié TOPEX-POSEIDON. Ce satellite mesure avec une précision de l'ordre du centimètre le niveau des mers, paramètre très sensible aux variations qui affectent la circulation océanique et les transports associés. TOPEX/POSEIDON (lancé en Août 1992) vient d'entamer sa 6ième année de bon fonctionnement en orbite; il est le fruit d'une coopération exemplaire entre le CNES et la NASA débutée, il y a plus de 10 ans.
Les mesures sont utilisées par plus de 400 équipes scientifiques de par le monde, en synergie avec celles fournies par d'autres instruments (altimètres, diffusiomètres, radiomètres des satellites ERS, ADEOS, NOAA...).
Des résultats marquants, s'appuyant sur cette approche intégrée indispensable, et stimulés par une saine émulation au sein de la communauté scientifique internationale, ont d'ores et déjà été obtenus ou sont en voie de l'être :
- La connaissance de l'état de l'océan à 3-4 semaines au profit de la
navigation commerciale, des plates-formes offshore, des bulletins de situation pour les
flottes de pèche, ainsi que les forces navales. L'exemple du programme SOPRANE conduit
par la Marine Nationale Française est tout à fait révélateur. Des prévisions de la
circulation tridimensionnelle de l'Atlantique Nord sont ainsi fournies plus de deux
semaines en avance.
- L'observation et la prévision à l'aide de modèles couplés océan-atmosphère d'événements climatiques "anormaux" comme celles fournies aujourd'hui par la NOAA américaine sur l'évolution du El Niño 97, un des plus forts El Niño jamais observés. De tels événements inter-annuels ont également été observés et modélisés sur l'Atlantique.
- La prévision météo-océanique en zone côtière (érosion,
implantation d'ouvrages, dispersion de pollutions, permanentes ou accidentelles). Les
Centres de Météorologie (Météo-France,le Centre Européen de Reading en particulier)
développent à cet effet des systèmes opérationnels de prévision d'état de mer et de
courantométrie intégrant les mesures altimétriques et autres mesures disponibles.
- Le suivi des variations du niveau moyen des mers, en prolongeant sur plus de 10 ans les 5 ans de mesures de haute précision de TOPEX/POSEIDON déjà disponibles, permettra d'évaluer différents modèles d'évolution à long terme du climat, pour tenter de donner des réponses aux questions de fond que sont le rythme du réchauffement, le rôle des rejets de gaz carbonique, et le rôle régulateur de l'océan... L'indispensable étalonnage de cette précieuse série temporelle est possible grace à un réseau de marégraphes triés en fonction de la qualité de mesure et de la possibilité d'un rattachement géodésique.
Dans un avenir proche, de nouveaux satellites vont être lancés. En Mai 2000, Jason-1 prendra la relève de TOPEX/POSEIDON. Comme son prédécesseur, ce satellite dédié est réalisé dans le cadre d'une coopération entre la France et les Etats-Unis. Il sera mis en orbite, en même temps que le satellite TIMED de la NASA, par une fusée DELTA-2, utilisée en lancement double. En plus des mesures de haute précision, Jason-1, qui a une vocation opérationnelle fournira des produits en temps peu différé pour des prévisions à court ou moyen terme.
Jason-1 comprend une contribution française importante : la plate-forme satellite (PROTEUS), une partie de l'instrumentation bord (Altimètre POSEIDON 2 et système DORIS). De son coté, outre le lancement, la NASA fournira le radiomètre micro-ondes, un récepteur GPS, et des réflecteurs laser. Après le lancement, elle assurera, depuis le JPL, en Californie, les opérations quotidiennes de poursuite, télémesure et télécommande.
Jason-1 qui appartient à la classe des mini-satellites (~500 kg), offrira cependant les mêmes performances exceptionnelles que TOPEX/POSEIDON : le recours à une mission dédiée permet d'optimiser la mesure de la topographie océanique et de ses variations induites par les courants marins. On dispose ainsi d'une référence précise permettant de tirer le meilleur parti de l'ensemble des observations par altimètre radar, comme celles d'ERS, ou demain,d'ENVISAT.
En effet, d'autres satellites pour l'observation de l'océan, de l'environnement ou du climat seront lancés prochainement, notamment: GEOSAT-Follow-on à la fin de l'année 1997, ENVISAT, METOP, ADEOS 2 suivront dans les années à venir. Leurs mesures de la topographie océanique, mais aussi de températures et de vents de surface, apporteront la complémentarité multi-capteurs et multi-échantillonnage indispensable.
En accompagnement de cette formidable armada internationale d'observation de la planète Terre, des réseaux opérationnels de mesures in-situ (tels que ceux que vise la démarche CORIOLIS qui fait l'objet d'une réflexion multi-organismes dirigée par l'IFREMER), et desmodèles d'océan globaux à haute résolution, aptes à une exploitation opérationnelle, verront le jour.
Le projet GODAE, soutenu par le CEOS au niveau international, et auquel le projet français MERCATOR apportera une contribution, bénéficiera dans un proche avenir de tous ces outils (réseaux de mesures in-situ, satellites et modèles). Cette panoplie de moyens associée aux efforts soutenus des chercheurs, mais aussi des autres acteurs (Météo-France, SHOM, IFREMER, CNES, CERFACS, CLS,...), doit déboucher sur un véritable service opérationnel d'observation et de prévision des océans, analogue à celui fourni aujourd'hui, pour la prévision météorologique, par des organismes comme Météo-France, EUMETSAT, ECMWF, la NOAA, le FNMOC, ou la Veille Météorologique Mondiale de l'OMM.
Des prévisions climatiques à échéances de quelques mois seront alors envisageables.
On peut aisément anticiper sur les économies potentielles pour les industries et commerces produisant et vendant des marchandises dont la consommation est fonction de l'aléa climatique. Ces économies se chiffrent à plusieurs millions de francs par an et par compagnie. Il n'est pas inutile de rappeler qu'en France les activités liées à la mer représentent 670 000 emplois et 62 milliards de francs de chiffre d'affaires. Au niveau européen ce type d'activités génère entre 3 et 5% du produit brut, avec une valeur ajoutée directe d'environ 1000 milliards de francs.
Document extrait d'un communiqué de presse CNES du 08/10/97 aimablement fourni par raymond Zaharia (CNES) , raymond.zaharia@cnes.fr