Comment le satellite Swot met l’espace au service de l’eau sur Terre

Pour la première fois, le satellite Swot sera capable de faire une véritable cartographie 3D de la quasi-totalité de toutes les eaux de surface de la planète, en prenant en compte en plus des océans, les rivières et les lacs. Un exploit rendu possible grâce à mise en œuvre de la technologie d’interférométrie radar poussée à ses limites par le Cnes, la Nasa et Thales Alenia Space.

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Hassan Meddah

Publié le 16 décembre 2022 à 13h17

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Satellite SWOT — En plus des océans, le satellite Swot pourra suivre les débits des rivières de 50 à 100 mètres de largeur et monitorer des millions de lacs.

3, 2, 1… Décollage. En bordure de l'océan Pacifique, depuis la base spatiale de Vandenberg en Californie, aux Etats-Unis, une fusée Falcon 9 de SpaceX a décollé vendredi 16 décembre. Une cinquantaine de minutes après le décollage, la partie supérieure de la fusée a mis sur une orbite de 890 kilomètres, le satellite d’altimétrie le plus sophistiqué jamais conçu : le satellite Swot (Surface water and ocean topography). Pour le Cnes et la Nasa, en charge de la mission Swot, ainsi que pour Thales Alenia Space qui a assemblé le satellite, ce programme marque une rupture dans le domaine de la mesure de la hauteur de la surface des vagues et des océans, nécessaire à la compréhension de l’évolution du climat.

Un million de kilomètres de rivières sous observation

En trente ans de coopération, il s’agit de la mission la plus ambitieuse dans ce domaine. Pour la première fois, un satellite sera non seulement capable de modéliser des échanges d’énergie entre les océans et l’atmosphère, mais apportera aussi des informations clés concernant les fleuves, les lacs et autres grands réservoirs d’eau. «Swot va faire une cartographie 3D des surfaces d’eau de la planète. C’est une chose qui n’a jamais été faite jusqu’à présent», explique Thierry Lafon, chef de projet de la mission Swot pour le Cnes. En 21 jours, il sera capable de cartographier la quasi-totalité de la surface du globe. Le satellite va permettre d’apporter des informations sur des millions de lacs et de monitorer le débit de rivières de 50 à 100 mètres de large, ce qui représente près d'un million de kilomètres de tronçons de rivières! In fine, Swot apportera aux scientifiques et aux opérateurs de terrain des informations concernant le réchauffement climatique, des prévisions météo améliorées, des alertes de cyclones, d’inondations et de sécheresse...

Le coût total de la mission s’élève à 1,2 milliard de dollars, dont deux tiers environ à la charge de la Nasa et le tiers restant supporté par le Cnes. Cela inclut le coût de lancement de la fusée Space X, évalué à un peu plus de 110 millions d’euros.

Grâce à une résolution 10 fois supérieure par rapport aux systèmes altimétriques de la génération précédente, Swot va permettre aux océanographes, comme aux hydrographes, de travailler à des échelles beaucoup plus précises. Concernant les océans, il sera possible d’observer des phénomènes sur des superficies entre 10 kilomètres et 100 kilomètres de côté, mal observées à ce jour, comme les transports verticaux d’énergie, la dynamique des tourbillons et les impacts sur les zones côtières.

Tous les indices

Un système d’interférométrie spatiale inédit

Concernant les eaux continentales, l’instrument permettra d’étudier des lacs d’une dimension d’environ 250 mètres par 250 mètres et les rivières d’une largeur comprise entre 50 mètres et 100 mètres. En mesurant à la fois la topographie des eaux de surface et la pente des fleuves, il sera possible de déduire le débit des fleuves étudiés. La connaissance des débits et des quantités d’eau disponibles intéresseront les opérateurs de parc nucléaire pour le refroidissement de leurs centrales, les agriculteurs pour optimiser leur irrigation, les pouvoirs publics pour faire face aux éventuelles sécheresses…

Pour arriver à de telles performances, il a fallu pousser la technologie dite d’interférométrie radar des satellites à ses limites. Cette solution repose sur différentes mesures ultra-précises de temps aller-retour d’un signal envoyé depuis l’antenne du satellite vers la surface de la terre et renvoyé en écho.

Les deux pays partenaires ont apporté une contribution majeure, en concevant un système d’interférométrie spatiale inédit. Les Américains ont développé un système d’antennes innovant. «C’est la première fois que l’on va faire de l’interférométrie avec deux antennes sur un même corps de satellite», explique Thierry Lafon. Ces deux antennes sont distantes l’une de l’autre d’environ 10 mètres. Cette performance a été rendue possible grâce à la réalisation d’un mât porteur articulé ultra-stable, qui se déploiera une fois le satellite sur son orbite. Le positionnement des antennes doit être le plus précis possible, de l’ordre du micron, soit un millième de millimètre. Cette performance permet de mettre en œuvre le concept de large fauchée pour recueillir des données. Plutôt que de faire des mesures juste sous la trace du satellite, Swot fera des bandes de mesures d’environ 150 kilomètres de large sur la surface terrestre. Il lui suffira de 21 jours pour couvrir la quasi-totalité du globe, et donc des surfaces d’eaux.

Rendre les données accessibles au plus grand nombre

Côté français, les équipes de Thales Alenia Space ont fourni le cœur technologique du radar, le RFU (Radio frequency unit). Selon le fabricant, les mesures fournies aux scientifiques pourront être à la fois plus précises (gain de 40% dans l'erreur de mesure), avec une résolution pouvant descendre jusqu'à quelques dizaines de m², à comparer aux quelques km² pour les systèmes d’altimétrie de génération précédente (Jason 1, 2 et 3). «Nous sommes à l’état de l’art dans ce domaine», se félicite Christophe Duplay, responsable du programme Swot pour Thales Alenia Space.

La mission n’est pas simplement innovante dans sa dimension spatiale. «Swot va produire des données inédites à la fois en précision et en quantité. Ce sera un challenge en matière de big data», confirme Thierry Lafon. Le satellite fonctionnera en effet comme une usine à données spatiales. Le centre de Toulouse du Cnes recevra 8 térabits (mille milliards de bits) de données par jour. Une fois traitées afin d’être exploitables, ces données représenteront un volume de 20 térabits par jour.

L’objectif est de rendre ces données les plus accessibles et exploitables pour les acteurs scientifiques et institutionnels, mais aussi pour les utilisateurs privés, qui pourront les utiliser pour des applications et des services commerciaux. Plutôt que faire appel au cloud d’acteurs tiers comme Amazon, l’Agence spatiale française a préféré exploiter sa propre infrastructure informatique. Les premières données du satellite Swot véritablement calibrées seront accessibles environ six mois après son lancement. Le système a été conçu avec une durée de vie minimum de trois ans et demi. Une partie de son carburant lui permettra, au terme de sa mission, de faire une rentrée contrôlée dans l’atmosphère afin de limiter les débris spatiaux.