Les satellites météorologiques et leurs apports scientifiques Copyright EUMETSAT
Les satellites météorologiques et leurs apports scientifiques Introduction ; contexte historique 1 - Présentation générale des satellites météorologiques 2 - Mesure à distance de paramètres physiques 3 - Principales missions satellitaires 4 - Apports scientifiques, quelques exemples Conclusions ; pistes d applications pédagogiques,
Contexte historique - 1854 : bataille de Sébastopol ; création d un réseau de météorologie télégraphique (Le Verrier) stations au sol ; mesures sur un plan «horizontal» - 1864 : Intégration des écoles normales d instituteurs dans le réseau d observation météorologique - 1929 : Premier radiosondage du monde, depuis Trappes ; mesures selon un transect «vertical». Ci-contre : Réseau mondial de stations de radiosondage (2007)
Contexte historique - 1950 : Création de l OMM (organisation météorologique mondiale) http://www.wmo.ch - 1960 : Mise sur orbite du satellite américain Tiros 1 (Television and Infra Red Observation Satellite) - 1963 : Création du CEMS (Centre d Etudes Météorologiques Spatiales) à Lannion (22) Photo : CMS Météo-France 24 décembre 1963 : réception de la première image Tiros 8 au CEMS
1 - Satellites météorologiques - Satellites géostationnaires (GOES, Météosat ) - Satellites défilants (NOAA, Météor, MetOp ) Satellites météorologiques opérant dans le cadre de l OMM (Organisation Météorologique Mondiale
1.1 - Satellites météorologiques géostationnaires - Caractéristiques orbitales spécifiques : Période, T = 23 h 56 min Altitude, Z = 35780 km Inclinaison, i = 0
Satellites météorologiques géostationnaires Météosat - Gérés par EUMETSAT : http://eumetsat.de Missions des satellites météorologiques Météosat de 1977 à 2007
1.2 - Satellites météorologiques défilants - Orbite polaire, le plus souvent héliosynchrone (i = 99 ) - Altitude de l ordre de 700 à 1000 km - Période de l ordre de 100 min. Ex : satellites NOAA Ci-contre : traces au sol du satellite NOAA 16 (dans un référentiel terrestre) et vue de l orbite depuis un référentiel géocentrique.
Satellites météorologiques défilants NOAA NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration http://www.noaa.gov/satellites.html NOAA 18 : - altitude : 856 km - période : 102 min - inclinaison : 99-14 révolutions par jour - champ d observation de 2700 km. NOAA 18, AVHRR canal vis., 23 octobre à 14 h 37 TU http://www.sat.dundee.ac.uk
2 - Mesure à distance de paramètres physiques Fondamentaux : interactions rayonnement matière - émission - absorption - réflexion - réfraction - transmission - diffusion
2.1 - Mesure à distance de paramètres physiques (fondamentaux) Emission - corps noir (concept idéal ; le corps noir émet comme il absorbe) : - la puissance émise par unité de surface, est proportionnelle à T 4 (Loi de Stefan) - émission du corps noir, L λ = c 1 λ -5 /[exp (c 2.λ 1.T -1 )-1] (loi de Planck) - la luminance spectrale passe par un maximum tel que λ m. T = 2,898. 10-3 m.k (Loi de Wien). - L émission d un corps réel se rapproche plus ou moins de l émission du corps noir (émissivité spectrale ε λ < 1) - Pour le rayonnement tellurique (entre 2,5 et 50 µm), les océans, les nuages, une grande partie de la surface terrestre, rayonnent comme un corps noir. => mesure de leur température à distance. Remarque : notion de «température de brillance»
2.2 - Mesure à distance de paramètres physiques (fondamentaux) Absorption, transmission, réflexion Le rayonnement reçu par un corps peut être - absorbé, transmis ou/et réfléchi. - ces propriétés diffèrent selon la longueur d onde => - spectres d absorption (ou de transmission) caractéristiques des corps - notion de réflectance spectrale R λ - notion de signature spectrale d un corps Cette propriété est mise en œuvre en télédétection passive. (possibilité de détecter la présence des corps en fonction de leur aptitude à absorber, réfléchir ou transmettre le rayonnement solaire incident).
2.3 - Mesure à distance de paramètres physiques concernant la Terre et l atmosphère -Mise en œuvre : - d un vecteur, le satellite - de capteurs embarqués : - capteurs «imageurs» : détection dans un (ou plusieurs) domaine (s) de longeur d onde du signal reçu depuis de nombreuses taches élémentaires (=> image constituée de pixels) - «sondeurs» : détection dans une direction donnée du signal reçu dans de multiples domaines (étroits) de longueur d onde. - d un segment sol (réception et traitement des données reçues, télécommande des différents systèmes embarqués)
3 - Principales missions satellitaires - Satellites météorologiques géostationnaires : Météosat (Europe), GOES (USA), GMS (Japon) objectifs principaux de leurs missions : - offrir des images de la Terre à grand champ d observation avec une répétitivité élevée (toutes les 15 minutes) - offrir une visualisation des grands systèmes nuageux - déterminer la température des sommets des nuages ( ce qui permet d en déduire leur extension verticale et de les classer ) - cartographier la teneur en vapeur d eau atmosphérique limites : - pas d observation des régions polaires - résolution spatiale de 1 km au niveau de l équateur, se dégradant fortement aux latitudes élevées.
3.1 - Principales missions satellitaires Satellites géostationnaires MSG (Météosat 8 et 9) Photos : Copyright ESA / Alcatel Space
Principales missions satellitaires - Satellites Météosat 8 et 9 - capteur SEVIRI à 12 canaux, du visible à l IRT
3.2 - Principales missions satellitaires Satellites météorologiques défilants Satellites NOAA (USA) et MetOp (Europe) Objectifs principaux de leurs missions : - offrir une couverture complète de la Terre deux fois par jour avec une résolution spatiale de 1 km (dans le visible, l IR proche et l IRT ) - quantifier : - la température de surface des océans - la répartition de l ozone stratosphérique - la teneur en vapeur d eau atmosphérique - la teneur en gaz à effet de serre (CO 2, CH 4 ) - le bilan radiatif de la Terre - effectuer des transects verticaux de température et d humidité.
Principales missions satellitaires Satellites météorologiques NOAA : - capteur imageur AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) - sondeur TOVS (Tiros Operational Vertical Sounder) Le sondeur TOVS comporte trois modules : - SSU : Stratospheric Sounding Unit - HRIS : High Resolution Infrared Sounder - MSU : Microwave Soundin Unit Ci-dessus : vue schématique d un satellite NOAA et de ses capteurs. Ci-contre : satellite NOAA en construction (photo : Hughes Aircraft Company)
Principales missions satellitaires Images NOAA - AVHRR Bandes spectrales du capteur AVHRR et exemples d images correspondantes (canal 1 : visible ; canal 2 : infrarouge proche ; canal 3 infrarouge moyen ; canaux 4 et 5 : infrarouge «thermique» ; résolution spatiale de 1 km)
Principales missions satellitaires -Satellite météorologique MetOp : (Première plate-forme polaire météorologique européenne mise sur orbite en octobre 2006 par un lanceur Soyouz) - dimensions en orbite : 17,6 m. 6,5 m. 5,2 m - masse : 4100 kg dont 930 kg de charge utile - puissance des panneaux solaires : 1800 W - systèmes embarqués : 11 instruments Illustrations : ESA
Principales missions satellitaires Satellite MetOp ; principaux instruments : IASI : instrument atmosphérique de sondage dans l'infrarouge (profils de température et d'humidité de l'atmosphère) AVHRR/3 : radiomètre à 6 canaux, opérant dans le visible et l'infrarouge (température de surface des océans, indice de végétation des sols... ) MHS : radiomètre microondes à 5 canaux, pour la mesure de l'humidité atmosphérique à différentes altitudes ASCAT : diffusiomètre radar (direction et vitesse des vents à partir des mesures de rugosité de la surface des océans ; glace de mer) GOME/2 : spectromètre (teneur en ozone et en dioxyde d'azote de l atmosphère)
4 - Apports scientifiques - circulation atmosphérique (systèmes nuageux, vents, altitude des nuages ) - météorologie prévisionnelle (météo à quelques jours, situations évènementielles ) - physico-chimie de l atmosphère (H 2 O, CO 2, O 3, NO 2 ) - bilan radiatif de la Terre - hydrologie, végétation (humidité des sols, indice de végétation) - température de surface des océans (SST, courantologie, glaces de mer ) - contribution à la modélisation du climat
4.1 - Apports scientifiques : Circulation atmosphérique et météorologie D après http://www.brockmann-consult.de/cloudstructures/
4.2 - Apports scientifiques : Météorologie prévisionnelle
4.3 - Apports scientifiques : Physico-chimie de l atmosphère Image Météosat ; canal «vapeur d eau» (infrarouge moyen ; bande d absorption par l eau) ; Copyright EUMETSAT
4.4 - Apports scientifiques : Bilan radiatif de la Terre
4.5 - Apports scientifiques : Indice de végétation (NDVI = [PIR-R] / [PIR + R]) Exemple de carte d indice de végétation (calculé à partir de données NOAA AVHRR)
4.6 - Apports scientifiques : Température de surface des océans Cartographie de la température de surface de l océan réalisée à partir de données NOAA AVHRR (24 octobre 2007) ; mis en ligne quotidiennement par l Université du Wisconsin (USA)
4.7 - Apports scientifiques : Température de surface des océans ; structures thermiques courantologie Ci contre : Température de surface de l océan Atlantique ouest Image du Gulf Stream réalisée à partir de moyennes d images NOAA acquises sur 3 jours. Images mises en ligne quotidiennement sur le site de l université John Hopkins (USA).
4.8 - Apports scientifiques : Glaces de mer ; exemple ci-dessous : Structure de la banquise au nord du Canada Copyright NOAA/NSIDC
4.9 - Apports scientifiques Contribution à la modélisation du climat
Conclusions ; Pistes d applications pédagogiques Collège : Classe de cinquième - La lumière : sources et propagation rectiligne Classe de quatrième - De l air qui nous entoure à la molécule Cycle central - thème de convergence «météo-climato» Lycée : Classe de seconde : - messages de la lumière (cf. programmes de SVT) - l univers en mouvement et le temps Classe de terminale : - évolution temporelle de systèmes mécaniques - mouvement des satellites
Une dernière image Régression de la banquise arctique en 2007 (origine : ESA, 26 octobre 2007) http://www.esa.int