Mesure des vagues sous la banquise

Publié par Adrien le 26/12/2016 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Une équipe internationale menée par le Laboratoire d'océanographie physique et spatiale (LOPS/IUEM, CNRS / UBO / Ifremer / IRD) vient de valider une nouvelle méthode d'analyse des images radar à synthèse d'ouverture, fournies notamment par les satellites Sentinel 1A/1B de l'ESA. Grâce à cette méthode, qui permet de mesurer la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) des vagues se propageant sous la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) et en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) libre, il va être désormais possible d'analyser plus finement la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de bord des banquises arctique (L’Arctique est la région entourant le pôle nord de la Terre, à l’intérieur et aux abords du cercle polaire. Elle se situe à l'opposé de...) et antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de l'océan Austral (ou océan...).

Le bord de glace de la banquise (La banquise est une étendue de mer gelée. Elle se forme durant l'hiver polaire, lorsque la température de l'eau de mer descend en dessous de -1,9°C. Au cœur de l'hiver,...) évolue sous l'effet du gel et du dégel, des vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) et des courants, mais aussi des vagues. Or, ces dernières sont assez mal connues, en particulier celles se propageant sous la glace et dont on ne savait pas jusqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) mesurer la hauteur.

Une équipe internationale menée par le LOPS a proposé une nouvelle méthode d'analyse des images radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la...) à synthèse d'ouverture, en particulier de celles fournies par les satellites Sentinel 1A/1B de l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le...) (ESA), visant à mesurer la hauteur des vagues se propageant sous la glace et en eau libre.

Tant que la scène vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) par le radar à synthèse d'ouverture est figée, les images qu'il fournit ressemblent à des photographies. En revanche, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) mouvement d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) au moment de la prise d'image se traduit par une position déplacée de cet objet, dans la direction de vol du satellite (Satellite peut faire référence à :). Ce déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) est d'autant plus grand que l'objet va vite et qu'il se déplace verticalement, ou plus précisément en direction du satellite (Satellite peut faire référence à :). Ainsi, une vitesse (On distingue :) verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) (en direction du satellite) de 1 km/h donnera un déplacement pouvant aller jusqu'à 25 m. En conséquence, les mouvements alternatifs des vagues qui soulèvent la glace font apparaître dans l'image radar des bandes brillantes qui donnent l'illusion que la glace s'empile là où les déplacements convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ). On peut interpréter l'intensité de ces bandes brillantes en termes de vitesses de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) dont on déduit les hauteurs des vagues.


Effet des vagues (en haut) sur la distorsion d'une image radar: les mouvements de la surface (flèches rouges) se traduisent par un déplacement sur l'image dans la direction de vol du satellite. Ainsi la plaque de glace A est décalée vers l'avant, alors que la plaque B est décalée vers l'arrière La convergence de ces déplacements donne une bande brillante.

Effet des vagues (en haut) sur la distorsion d'une image radar: les mouvements de la surface (flèches rouges) se traduisent par un déplacement sur l'image dans la direction de vol du satellite. Ainsi la plaque de glace A est décalée vers l'avant, alors que la plaque B est décalée vers l'arrière La convergence de ces déplacements donne une bande brillante.


Lignes claires (sortes d'empreintes digitales) créées par le traitement du radar à synthèse d'ouverture et dues aux vitesses verticales associées aux vagues qui soulèvent la banquise. Ces lignes sont "floutées" si les mouvements sont rapides ou associés à des vagues courtes. Le reflet en forme d'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) est la signature radar du R/V Sikuliaq.

Lignes claires (sortes d'empreintes digitales) créées par le traitement du radar à synthèse d'ouverture et dues aux vitesses verticales associées aux vagues qui soulèvent la banquise. Ces lignes sont "floutées" si les mouvements sont rapides ou associés à des vagues courtes. Le reflet en forme d'étoile est la signature radar du R/V Sikuliaq.

Cette méthode marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui...) beaucoup mieux au niveau de la banquise qu'en eau libre car la glace de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) dissipe assez rapidement les vagues de haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...). En effet, étant donné que pour une hauteur donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), les vitesses verticales augmentent avec la fréquence, la présence de vagues de haute fréquence va rajouter des déplacements sur l'image radar, ce qui va générer un effet de floutage de l'image. Si ces déplacements atteignent la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) des vagues de basse fréquence, les bandes brillantes associées aux deux types de vagues vont se mélanger jusqu'à faire complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...) disparaître l'empreinte des vagues. C'est ainsi que sur les images radar, on peut voir surgir, au bord de la banquise, des vagues qui ont l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) d'arriver de nulle part.


Vue aérienne du navire Sikuliaq à quelques kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) à l'intérieur de la banquise lors de la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu...) "Sea State", en mer de Beaufort (La mer de Beaufort est une partie de l'océan Arctique et s'étend sur une superficie d'environ 450 000 km² au nord des côtes de l'Alaska (États-Unis), du Yukon et des Territoires du Nord-Ouest (Canada) et à...). © Guy Williams et Ted Maksym
Pour valider quantitativement cette méthode, les chercheurs ont réalisé des mesures de vagues, d'une part dans l'eau libre à l'aide de bouées dérivantes et d'autre part à l'intérieur de la banquise depuis le navire océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des mers de la Terre. Les océanographes étudient un...) Sikuliaq.

Ces mesures leur ont permis de vérifier la forte atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) des vagues de haute fréquence par la glace de mer, et la validité, en présence de glace de mer, de la relation théorique entre d'une part les vitesses verticales des différentes composantes du spectre des vagues, et d'autre part les variations d'intensité de l'image radar, à l'échelle des vagues de basse fréquence, et l'effet de floutage induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par les hautes fréquences.

Ces travaux ont permis de démontrer qu'il était possible d'utiliser quantitativement les empreintes des vagues sur les images radar pour déterminer leurs vitesses verticales (voir une image radar complète: http://bit.ly/2h3exHY). On déduit ensuite la hauteur et l'énergie des vagues (L'énergie des vagues utilisant la puissance du mouvement des vagues, est une possibilité qui pourrait rapporter beaucoup plus d'énergie que celle des marées.) grâce à la relation théoriques entre vitesse et déplacement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) qui ne dépend que de la longueur d'onde, laquelle est directement visible sur l'image radar. De pouvoir ainsi connaître l'évolution de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des vagues qui se propagent sous la glace va permettre d'analyser plus finement la dynamique du bord de glace en Arctique et en Antarctique. Pour ce faire, les chercheurs ont d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour...) et déjà un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de données à leur disposition car l'ESA a fortement augmenté depuis mi-2015 la couverture en images radar haute résolution permettant de faire de telles analyses.

Ce travail a été réalisé dans le cadre de deux projets de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...): "Ships and waves reaching the Arctic" (SWARP), financé par l'Union européenne, qui se focalise sur l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) par satellite et la modélisation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...), et un programme de recherche de l'U.S. Navy, qui se focalise sur la mer de Beaufort, au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de l'Alaska, avec de gros efforts de mesures à la mer.
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