Observation de la Terre

Deux grands types d’observations sont menées depuis l’espace. D’une part, certains phénomènes naturels de la Terre produisent d’infimes variations d’émissions radioélectriques des molécules présentes sur notre planète qui, grâce à des capteurs spatiaux sensibles, peuvent être mesurées par un satellite. D’autre part, l’espace constitue un lieu idéal pour mener des missions d’imagerie globale de notre planète.
S’agissant des observations des phénomènes naturels de la Terre, des satellites équipés d’instruments radioélectriques (radars, altimètres ou capteurs passifs) destinés aux mesures de paramètres géophysiques permettent désormais différents types d’observation :

  • climatologie, connaissance de l’atmosphère ou météorologie : ces mesures permettent d’étudier différents phénomènes géophysiques (salinité, humidité ou profil de température) des océans ou des sols, contribuant ainsi par exemple à identifier les zones de sécheresse où peuvent se produire les départs d’incendies forestiers, ou à améliorer notre compréhension des cyclones ;
  • altimétrie : les capteurs restituent la hauteur des océans et des eaux intérieures, voire des sols, permettant notamment de révéler l’impact des séismes sur le relief ou les plaques tectoniques ;
  • détection des perturbations électriques et magnétiques de la Terre, souvent liées aux tremblements de terre.

Les bandes de fréquences nécessaires à ces observations sont dictées par les caractéristiques physiques des phénomènes à observer. Leur caractère naturel les rend uniques : elles ne sont pas susceptibles de réaménagement ou d’évolution.

S’agissant de l’imagerie, les satellites constituent des plateformes idéales pour recueillir des images de la Terre. De nombreux satellites d’imagerie optique se trouvent actuellement en orbite et ne dépendent naturellement pas de fréquences radioélectriques pour obtenir ces images, puisqu’elles exploitent la lumière visible ou l’infrarouge. Toutefois, ces satellites sont inopérants si des nuages sont présents dans l’atmosphère ou durant la nuit. C’est pourquoi ils peuvent embarquer des radars à synthèse d'ouverture permettant également de faire de l'imagerie, en s’affranchissant des conditions météorologiques.
Les applications d’imagerie, tant optique que radar, contribuent également à l’observation de la Terre, par exemple en surveillant l’évolution des glaces marines ou lacustres ou bien les éventuelles pollutions marines, volontaires ou involontaires. Elles peuvent favoriser une meilleure gestion des ressources agricoles par l’observation de la parcellisation agricole ou de la déforestation.
Enfin, le rapatriement des données collectées, sans être à proprement parler une application scientifique (il s’agit de transfert de données), est indispensable pour leur exploitation et constitue à ce titre un enjeu majeur du fonctionnement des systèmes d’observation de la Terre. Ces applications peuvent se catégoriser en trois types :

  • plateformes de collecte de données (les balises de systèmes comme ARGOS), qui permettent le recueil d’informations scientifiques, tels les relevés de température, de pression, de taux d’humidité ou de niveaux d’eau, mesurées par des instruments disséminés à la surface de la Terre et transmises directement à des satellites, qui les retransmettent ensuite à des stations de traitement au sol ;
  • liaison directe entre les satellites et les stations au sol, pour permettre le rapatriement des données mesurées à bord des satellites puis leur interprétation dans les laboratoires ;
  • systèmes de relais de données : des satellites géostationnaires communiquent avec des satellites non-géostationnaires d’observation de la Terre pour que ceux-ci leur transmettent, par radio ou par laser, leurs observations ; les satellites géostationnaires rapatrieront ensuite des données sur Terre. Ces systèmes ont l’avantage de permettre un rapatriement plus fréquent des données mesurées, sans qu’il soit nécessaire d’attendre un nouveau passage du satellite non-géostationnaire au-dessus de la station de collecte. Les États-Unis et la Fédération de Russie se sont dotés depuis les années 1990 de tels systèmes. Grâce à un partenariat public-privé entre l’ESA et Airbus Defence and Space, une infrastructure européenne comparable est en cours de déploiement, le système européen de relais de données (European Data Relay System ou EDRS).

Contrairement aux bandes utilisées pour l’observation des phénomènes naturels ou l’imagerie, les bandes de fréquences utilisées pour la transmission des données scientifiques n’ont pas de spécificités physiques particulières et sont davantage convoitées par d’autres applications.
Au niveau européen, les applications d’observation de la Terre sont fédérées par un programme structurant appelé COPERNICUS (pour en savoir plus, consultez le site officiel du projet, ou le site de l'ESA).
La radioastronomie permet également d’étudier les propriétés physico-chimiques de notre atmosphère : on parle alors d’aéronomie, étude des zones d’atmosphères planétaires dans lesquels se produisent les phénomènes d'ionisation et de dissociation déclenchés le plus souvent par les rayonnements solaires, particulièrement utile dans la compréhension des trous de la couche d’ozone, de l’effet de serre ou des orages magnétiques perturbateurs de systèmes de télécommunications. Alors que la météorologie axe principalement son étude sur la dynamique atmosphérique, l’aéronomie s’intéresse davantage à sa structure physico-chimique en utilisant les moyens de mesure de la radioastronomie dans des bandes dédiées. La bande 22,21-22 GHz, du fait de la présence d’une des raies spectrales de la vapeur d’eau à 22,235 GHz, est actuellement la plus utilisée de ces bandes. Pour ces mesures, les radioastronomes utilisent principalement des radiomètres, dont les récepteurs refroidis sont très sensibles. Toutefois, à la différence des radiotélescopes, les radiomètres présentent des gains d’antenne ainsi que des dimensions (tailles et poids) bien inférieures, qui les rendent déplaçables.

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