SMOS, à l’écoute de l’eau sur Terre
Le Bourget, le 13 juin 2005
Le satellite SMOS (Soil Moisture & Ocean Salinity), qui fait partie des missions d’opportunité « Earth Explorer » du programme « Planète vivante » de l’Agence spatiale européenne (ESA), est devenu réalité. Au mois d’avril, EADS Astrium Espagne, qui assure la maîtrise d’œuvre de la charge utile du satellite, a livré le premier modèle structural à l’ESA. La campagne d’essai a déjà débuté à l’ESTEC pour qualifier ses performances et donne jusqu’ici entière satisfaction.
La problématique du cycle de l’eau.
Océanographes, géologues et biologistes sont impatients d’obtenir une carte spatiale de l’humidité des surfaces continentales et de la salinité de la couche superficielle des océans pour améliorer les prévisions climatiques, mieux appréhender les relations entre le cycle hydrologique et la météorologie, et renseigner davantage le phénomène de changement climatique.
Sur Terre, par exemple, la présence d’eau dans le sol, par évaporation ou filtration, affecte la croissance de la couverture végétale. De plus, la rétention d’eau dans le sol joue un rôle primordial dans l’évolution climatique car l’humidité des sols représente une variable clé régulant l’échange d’eau et d’énergie thermique entre la terre et l’atmosphère. Le cycle hydrologique influe donc directement sur les réserves en eau douce de la planète.
En mer, la température et la salinité agissent sur la densité de l’eau. La salinité est un paramètre qui influence la circulation des masses d’eau dans les océans et entraîne la formation de phénomènes climatiques connus sous les noms d’El Niño ou de La Niña, qui provoquent inondations et sécheresses. Les variations du taux de salinité résultant de l’évaporation de l’eau ou des précipitations influent considérablement sur la circulation des masses d’eau dans les océans, ce qui est également déterminant pour la météorologie et la climatologie.
Les missions d’opportunité ont été imaginées dans l’optique de faire progresser la connaissance du comportement de la Terre et développer de nouvelles technologies d’observation depuis l’espace. Cette mission durera trois ans et fournira, à l’échelle planétaire, des cartes de l’humidité des terres émergées et de la salinité des océans, afin de mieux connaître la structure de la cryosphère. A cette occasion, SMOS mettra en œuvre une nouvelle technique de télédétection. A ce jour, la mesure de ces paramètres géophysiques est très ciblée et discontinue. D’où l’importance de pouvoir compter sur un satellite capable de fournir des mesures géophysiques de toute la surface du globe tous les trois à cinq jours.
Comment mesurer l’humidité et la salinité depuis l’espace
Toute matière émet de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Le volume d’énergie rayonné dépend des propriétés électriques de la matière. L’humidité et la salinité atténuent l’émissivité de l’eau du sol et de la mer. SMOS mesurera le rayonnement émis depuis la surface terrestre en bande L (1,4 GHz). Généralement, les observations de la Terre en bande L ont été réalisées en utilisant de grandes antennes rotatives pour obtenir la couverture et la résolution spatiale adéquates. Il en résultait un satellite extrêmement lourd et onéreux. Pour sa part, SMOS utilisera un radiomètre interférométrique à ouverture dynamique pour mesurer le rayonnement à partir d’un petit nombre de récepteurs. La corrélation des signaux de chaque récepteur produira une image de 50x50 km sous différents angles d’incidence. Cette technique revient un peu à prendre des clichés de la même scène de plusieurs endroits différents.
Dans cette perspective, les ingénieurs madrilènes d’EADS Astrium ont conçu l’instrument MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis), qui est le fruit de dix années de recherche. Un radiomètre détecte, sur une bande de fréquence déterminée, le rayonnement électromagnétique émis par un corps se trouvant à une certaine température. Sachant que les hyperfréquences sont sensibles aux changements de la constante diélectrique du milieu, toute variation de la quantité d’eau induit des modifications des propriétés du diélectrique et affecte l’émissivité, et par conséquent la température de brillance détectée par le radiomètre. Les théoriciens spécialistes des hyperfréquences ont découvert qu’il existe une relation directe entre l’humidité du sol, la salinité des océans et les émissions d’origine terrestre sur la fréquence de 1,4 GHz.
Le concept de l’instrument
MIRAS comporte trois bras disposés en Y et une structure centrale de soutien (« hub » central). Chaque bras se compose de trois segments reliés par des charnières. Les bras sont repliés sur les flancs du hub central pendant le lancement. Un mécanisme, composé d’un moteur à ressorts, d’un régulateur de vitesse et d’un ensemble de courroies et de poulies qui transmettent le couple moteur à tous les segments du bras, assure la simultanéité de leur déploiement sans perturbation sur le satellite. Les analyses réalisées ont démontré que cette configuration de répartition des antennes le long des bras optimise la résolution spatiale et la sensibilité des instruments. Une fois ses bras déployés, l’instrument présente une envergure de 8 m. Il est doté d’un total de 69 [B1] antennes élémentaires LICEF (LIght Cost Effective Front-end) réparties le long des trois bras et du hub central. Chaque LICEF abrite un récepteur en bande L. Le signal numérique produit par chaque LICEF est ensuite transmis par fibre optique au DICOS (DIgital COrrelator), qui effectue une intercorrélation interférométrique des combinaisons possibles ou des paires de récepteurs pour former une antenne à synthèse d’ouverture.
La mission
La mission SMOS comprend un satellite d’une masse totale de 350 kg évoluant en orbite basse héliosynchrone, à 763 km d’altitude et incliné à 98,4°, à raison d’une répétitivité de trois jours. Il mesurera passivement le bruit électromagnétique généré par la Terre, avec une sensibilité radiométrique de 5 K. La mission s’appuie également sur un segment sol qui assure le contrôle et le traitement des données. Le lancement du satellite à bord d’une fusée Rockot est prévu pour mars 2007.
SMOS est le fruit d’une coopération entre trois institutions européennes dont l’activité est dédiée à la promotion de l’industrie spatiale et la recherche scientifique : l’Agence spatiale européenne (ESA), le Centre national d’études spatiales (CNES) et le Centre espagnol de développement technique et industriel (CDTI).
Le segment sol comprendra deux grandes composantes : d’une part le centre toulousain de commande et de contrôle du satellite et la station en bande S de Kiruna, en Suède, et, d’autre part, le centre de programmation des opérations et de traitement des données situé à Villafranca, près de Madrid.
EADS SPACE et les missions d’exploration de la Terre
EADS SPACE participe activement à d’autres programmes de satellites actuellement menés dans le cadre des missions d’exploration de la Terre (« Earth Explorer Missions ») de l’ESA. Par exemple, EADS Astrium UK assure la maîtrise d’œuvre de la mission de mesure des vents ADM-Aeolus, tandis qu’Astrium France développe le lidar Aladin. Outre la conduite du satellite climatologique Cryosat, le site d’EADS Astrium à Friedrichshafen, en Allemagne, est responsable de la plate-forme et de l’intégration du satellite GOCE, le « surfeur » du champ gravitationnel de la Terre. Enfin, Astrium Espagne développe et fabrique l’instrument Miras de la mission SMOS destinée à mesurer l'humidité des terres émergées et la salinité des océans.
L’opérateur de lancement Eurockot, une unité d’EADS SPACE basée à Brême, en Allemagne, procèdera au lancement des satellites Cryosat, Goce et Smos à bord de sa fusée Rockot depuis le cosmodrome de Plessetsk, à 800 km au nord de Moscou.
EADS Astrium est le spécialiste européen des systèmes satellitaires. Ses activités couvrent les systèmes complets de télécommunications civils et militaires, l’observation de la Terre, les programmes de navigation, l’avionique et les équipements. EADS Astrium est une filiale d’EADS SPACE. EADS SPACE, spécialisée dans les systèmes spatiaux civils et militaires, a réalisé en 2004 un chiffre d’affaires de 2,6 milliards d’euros avec 11 000 salariés en France, en Allemagne, au Royaume-Uni et en Espagne.
EADS est un leader mondial de l’aérospatial, de la défense et des services associés. En 2004, EADS a enregistré un chiffre d’affaires de 31,8 milliards d’euros avec un effectif de plus de 110.000 personnes.
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