Un futur satellite pour mesurer les courants marins et les vagues ?

L'Agence spatiale européenne vient d'annoncer sa sélection pour le "Earth Explorer" numéro 9: parmi les deux finalistes figure le projet de satellite "SKIM" visant à mesurer les courants marins et les vague à l'aide d'une nouvelle méthode de mesure par radar Doppler. Ce projet est proposé par une équipe internationale: menée par le Laboratoire d'océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, CNRS / UBO / Ifremer / IRD), cette équipe fédère des chercheurs issus de 30 centres de recherche dans le monde et les équipes de Thales alenia space d'utiliser. Le lancement est programmé pour 2025.

Pourquoi un nouveau satellite ?

La surface océanique définit les échanges entre océan, atmosphère, surface continentale et cryosphère, et ces échanges dépendent des courants de surface et des vagues. Par ailleurs, les courants de surface transportent tout ce qui se trouve à la surface: chaleur, plancton, microplastiques... La connaissance des courants de surface a beaucoup progressé grâce à des mesures indirectes du niveau de la mer et du champ de gravité, mais ces mesures sont insuffisantes pour caractériser tous les mouvements de l'océan, en particulier à des échelles inférieures à 100 km.

Ce manque est particulièrement criant en zone tropicale où il est difficile de relier le courant de surface au niveau de la mer parce que l'annulation de la force de Coriolis n'y permet pas l'application d'un calcul géostrophique. Ainsi, on manque d'information sur les courants des couches de surface et sur les remontées d'eau profonde à l'équateur (équilibrant la divergence de ces courants). Une autre région d'intérêt est la bordure des glaces de mer. L'océan Arctique est en profonde évolution avec une zone marginale de glace qui s'étend. Cette région critique est le lieu de fortes interactions entre les courants marins, la glace de mer, les vagues et l'atmosphère. Ces phénomènes sont très difficiles à observer, et il est urgent de disposer d'une mesure de la cinématique de la surface (vitesse et direction du courant, dérive des glaces, vagues) qui peut être observée avec de nouvelles techniques à des échelles plus fines que les mesures dynamiques actuelles (niveau de la mer, vitesse du vent sur la mer).

Les mers marginales de l'Arctique s'ouvrent aujourd'hui à plus de tempêtes. Comme partout ailleurs, la mesure des périodes des vagues, en plus de leur hauteur, est nécessaire pour étudier les niveaux d'eau extrêmes à la côte. De telles mesures ne sont possibles aujourd'hui qu'avec les radars embarqués sur les satellites Sentinel 1A et 1B, mais seulement pour les houles les plus longues. Dès 2018, la mission CFOSAT fournira des mesures de vagues pour l'ensemble des océans, mais il restera difficile de mesurer les vagues les plus courtes qui sont celles qui dominent en Méditerranée et dans les autres mers fermées.

SKIM, qu'est-ce que c'est et comment ça marche ?

La mission satellite "Sea surface KInematics Multiscale" va ouvrir une nouvelle ère dans l'observation de l'océan, celle de l'océanographie Doppler. Il s'agit de mesurer directement le courant de la même manière qu'on mesure la vitesse des voitures sur autoroute. SKIM sera une expérience de 5 ans et permettra de faire des mesures importantes pour comprendre l'évolution du climat, de l'équateur jusqu'aux pôles. SKIM fera la démonstration de la maturité des techniques Doppler pour l'océanographie. SKIM repose sur un radar altimètre, mesurant à la verticale et à des angles de 6 et 12° grâce à des faisceaux tournants qui permettent des mesures sur une fauchée de 300 km de large. La précision escomptée pour les mesures de courant est de 0,1 m/s à une résolution de 40 km. En utilisant une orbite polaire, SKIM couvrira l'ensemble des océans jusqu'à 82° de latitude, avec un passage tous les jours pour des latitudes supérieures à 70°, et tous les 4 jours à l'équateur. SKIM pourra mesurer les courants océaniques et les tourbillons de diamètre supérieur à 80 km. Il s'agit d'un net progrès par rapport aux moyens actuels et en préparation, utilisant des mesures de niveau de la mer. SKIM sera aussi capable de mesurer le spectre des vagues (la répartition de leur énergie en fonction des longueurs d'onde et directions), pour des longueurs d'onde supérieures à 20 m.

Les principales innovations techniques exploitées par SKIM sont un radar millimétrique (en bande Ka) avec un mode Doppler, et son intégration dans un système de rotation de faisceaux inspiré de la mission CFOSAT.

Des objectifs scientifiques ambitieux

SKIM fera:
- un suivi des courants tropicaux et de la structure de l'upwelling équatorial,
- une observation de l'évolution rapide des zones marginales de glace,
- une mesure des états de mer, en particulier pour les risques côtiers et les vagues extrêmes,
- des mesures utiles pour mieux interpréter d'autres données (radiométrie en bande L, altimétrie...) grâce à une résolution spectrale des vagues et une mesure conjointe des vagues et courants.

D'autres objectifs à plus long terme sont la mesure de la tension de vent à l'échelle des tourbillons océaniques, la mesure des courants dans les fronts, et la cartographie des sources de microséismes.